自動化碼頭供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔德鵬，武冰潔

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，集裝箱碼頭開始向節(jié)能、環(huán)保、安全、快捷與低成本方向發(fā)展。近年來，在世界多個國家的重要港口新建了多座自動化集裝箱碼頭。自動化集裝箱碼頭與傳統(tǒng)集裝箱碼頭存在很多不同，主要體現(xiàn)在碼頭至堆場間的水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)、堆場作業(yè)環(huán)節(jié)以及車輛進(jìn)出閘口環(huán)節(jié)等。

自動化碼頭主要通過自動導(dǎo)向小車AGV 將集裝箱從集裝箱裝卸橋運(yùn)至自動化軌道吊 ARMG，再通過自動化軌道吊ARMG 傳感器完成行走和定位，并將集裝箱運(yùn)送至后方堆場。在進(jìn)行集裝箱裝卸過程中，自動導(dǎo)向小車AGV 還需完成充電過程。全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程需要各控制系統(tǒng)相互配合才可以實(shí)現(xiàn)集裝箱高效的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲[1]。

由于自動化本身特殊的工藝要求，自動化碼頭與傳統(tǒng)碼頭相比呈現(xiàn)出供電點(diǎn)多，供電連續(xù)性要求高的特點(diǎn)。并且為了保障供電可靠性、碼頭運(yùn)行效率以及維護(hù)人員便捷性等方面，自動化碼頭的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。因此，本文結(jié)合北方某自動化碼頭項(xiàng)目，提出供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并將其運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中。

1 供電負(fù)荷種類

碼頭為4 個10 萬t 級集裝箱泊位，后方有39條集裝箱堆場。為滿足供電需要，在各泊位后方輔建區(qū)內(nèi)，共設(shè)置4 個10 kV 變電所?？偲矫娌贾脠D如圖1 所示。

圖1 自動化碼頭總平面布置示意圖

表1 自動化碼頭負(fù)荷種類

與傳統(tǒng)集裝箱碼頭不同，自動導(dǎo)向小車供電裝置是自動化項(xiàng)目新增供電設(shè)備，船舶岸電設(shè)備也是近年全國開始推廣的船舶節(jié)能設(shè)備。本文將對以上兩點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析與總結(jié)。

1.1 海側(cè)交換區(qū)

本工程共布置了39 個堆場，每個堆場在海側(cè)均設(shè)置了海側(cè)交換區(qū)，海側(cè)交換區(qū)主要用于將集裝箱從自動導(dǎo)向小車上轉(zhuǎn)運(yùn)至軌道吊。每個海側(cè)交換區(qū)由兩部分組成：四個自動導(dǎo)向小車充電位和轉(zhuǎn)運(yùn)平臺，并在每個充電區(qū)內(nèi)各設(shè)置一條滑觸線用于自動導(dǎo)向小車充電。海側(cè)交換區(qū)布置如圖2 所示。

圖2 海側(cè)交換區(qū)平面圖

自動導(dǎo)向小車充電流程是：在自動導(dǎo)向小車駛?cè)氤潆娢贿^程中，當(dāng)自動導(dǎo)向小車充電刷與滑觸線接觸后便開始充電，同時將集裝箱運(yùn)至平臺等待軌道吊吊運(yùn)。待軌道吊運(yùn)走集裝箱后，自動導(dǎo)向小車駛離海側(cè)交換區(qū)，電刷與滑觸線分離，完成一側(cè)充電過程。整個充電過程大約兩分鐘。

1.2 船舶岸電系統(tǒng)

當(dāng)今世界主要港口碼頭已開始廣泛使用岸電系統(tǒng)。以往船舶靠港停泊后，燃油發(fā)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過燃油發(fā)電的方式為船舶負(fù)荷供電。燃油在燃燒過程中產(chǎn)生大量有害氣體，對港口城市造成了巨大的環(huán)境污染。目前國際上許多港口管理部門要求船舶靠港期間必須使用岸電系統(tǒng)。主要目的是降低硫化物、氮氧化合物以及噪聲等污染，同時岸上用電成本低于燃油發(fā)電成本，可降低船舶的運(yùn)行費(fèi)用。

目前，船舶供電系統(tǒng)主要有三相交流 400 V/ 50 Hz、440 V/60 Hz 和 6.6 k V/60 Hz 三種電壓等級。國際上主要大型港口供電系統(tǒng)如表 2 所示[3]。

表2 國際大型港口船舶供電系統(tǒng)

我國的船舶電壓一般采用的是 440 V/50 Hz 或者380 V/50 Hz，而國際上的船舶用電頻率以 60 Hz 居多，電壓為 440 V 或者6.6 kV 等。

2 供電方案

2.1 AGV 充電系統(tǒng)

本工程采用的AGV 單臺設(shè)備功率為250 kW，充電電壓為380 V/50 Hz。充電電流最大值為400 A，功率因數(shù)約0.95。充電時采用滑觸線供電。

每個海側(cè)交換區(qū)設(shè)置4 個充電位，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，4 個充電位需滿足3 臺AGV 最大電流同時充電。相鄰4 個交換區(qū)，16 個充電位，AGV 同時充電率為50 %。

根據(jù)公式

口腔正畸技術(shù)現(xiàn)已不斷改善，但仍可發(fā)生牙痛、牙周病、咀嚼功能障礙等情況[1]。牙周膜內(nèi)血管、神經(jīng)豐富，口腔正畸導(dǎo)致牙周膜內(nèi)形成缺血區(qū)，引起無菌性壞死，導(dǎo)致炎癥及疼痛，從而降低患者的治療接受程度，影響療效[2]?？谇徽鳛橐环N有創(chuàng)治療方式，可能引起一定程度的應(yīng)激反應(yīng)，可加以抗菌藥物治療[3]。酚咖片有良好的鎮(zhèn)痛效果，甲硝唑通過抑制細(xì)菌脫氧核糖核酸合成，影響細(xì)菌的生長及繁殖，導(dǎo)致細(xì)菌凋亡[4-5]。本研究旨在分析酚咖片聯(lián)合甲硝唑治療口腔正畸牙痛的臨床效果?，F(xiàn)報道如下。

可知，4 個交換區(qū)的充電功率為2 000 kW，充電總電流為3 200 A。根據(jù)以上計(jì)算，AGV 充電方案為每4 個交換區(qū)設(shè)置1 座箱式變電站。20 個海側(cè)交換區(qū)共設(shè)置5 座箱式變電站。根據(jù)目前掌握的數(shù)據(jù)，AGV 在電池電量為35 %的工況下，實(shí)測充電8 分鐘，AGV 電池可充電至80 %以上，充電2 分鐘，可充電至50 %以上?？蓾M足AGV 一次作業(yè)的用電需求。

AGV 供電接地系統(tǒng)采用了IT 接地系統(tǒng)，充電箱變中性點(diǎn)不接地工作制，每一段滑觸線均需單獨(dú)設(shè)置接地極，且接地電阻不大于4 歐姆。但是在充電中，通過示波器也發(fā)現(xiàn)，存在有較多諧波。這會對電池和IGBT 長期使用造成影響。所以在設(shè)計(jì)AGV 充電箱變站內(nèi)配電柜布局時，需預(yù)留濾波器設(shè)備位置。

2.2 船舶岸電系統(tǒng)

1）岸電方案

結(jié)合此自動化碼頭國際定位以及實(shí)際?？看扒闆r。確定本項(xiàng)目船舶的電網(wǎng)頻率為60 Hz，配電電壓為6.6 kV，項(xiàng)目初期設(shè)置一套岸電系統(tǒng)，負(fù)責(zé)兩個泊位的船舶用電。岸電系統(tǒng)輸入電壓為 10 kV/50 Hz，輸出電壓為6.6 kV/60 Hz 或 6 kV/ 50 Hz，岸電系統(tǒng)容量為5 MVA。岸電系統(tǒng)單線圖如圖3 所示[2]。

圖3 岸電系統(tǒng)單線圖

2）岸電設(shè)備選擇

岸電系統(tǒng)各設(shè)備放置于變電所，輸入電源為 10 kV（50 Hz），經(jīng)過降壓、逆變、濾波等環(huán)節(jié)后，輸出岸電電源三相6.6 kV（60 Hz）或6 kV（50 Hz）。

其中10 kV 側(cè)進(jìn)線和6.6 kV 側(cè)進(jìn)線和饋線采用真空斷路器，斷路器采用電動操作；并且為確保人員和設(shè)備安全，在10 kV 和6.6 kV 開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置微機(jī)綜保裝置，具有過壓、過流、速斷、過載、缺相等保護(hù)功能。主要設(shè)備及要求如下[4]：

10 kV 開關(guān)設(shè)備共配置3 臺，6.6 kV 開關(guān)設(shè)備共配置5 臺，均采用手車式開關(guān)柜，并且設(shè)置過電流和速斷保護(hù)，柜體可采用KYN28 型柜體，也可采用各品牌開關(guān)柜。

輸出變壓器用于將船-岸兩側(cè)電網(wǎng)進(jìn)行隔離。采用接線方式為Dy11 的隔離變壓器，并配置溫度保護(hù)。隔離變壓器在選型時需選擇在60 Hz 和50 Hz兩種模式下均可運(yùn)行的產(chǎn)品。

為滿足應(yīng)急需要，在岸電系統(tǒng)控制柜上還設(shè)置有應(yīng)急停止按鈕，可迅速斷開系統(tǒng)配電柜斷路器。若發(fā)生帶電拔出岸電連接插頭的情況時，等電位連接將斷開；電纜的機(jī)械應(yīng)力較高或者剩余的電纜長度較低時可自動觸發(fā)斷路器動作，并發(fā)出報警。

為滿足不同船舶左舷或右舷?？恳螅诖邦A(yù)計(jì)?？课恢迷O(shè)置岸電插座箱。岸電插座箱外殼由不銹鋼材料制成并進(jìn)行表面噴塑，并根據(jù)使用環(huán)境將箱體設(shè)計(jì)成戶外使用工況，防護(hù)等級為IP66,能夠適應(yīng)碼頭潮濕惡劣的工作環(huán)境。

插座箱上安裝有標(biāo)準(zhǔn)的岸電供電插座，插座額定電壓為7.2 kV?？膳c船舶側(cè)的岸電電纜管理系統(tǒng)的岸電插頭進(jìn)行匹配連接；插座帶有把手結(jié)構(gòu)，可以輕松的完成與插頭的連接與脫開。同時岸電插座箱上安裝有4 芯光纖連接盒，可提供與船舶的光纖連接，建立岸船之間的通訊。此外在箱外還設(shè)有急停按鈕，如岸側(cè)工作人員發(fā)現(xiàn)異常情況，可在岸電系統(tǒng)供電工作時，通過手動操作急停按鈕停止岸電系統(tǒng)供電。

岸電插座箱配置有帶電指示燈，在插座箱通電時指示燈能夠給予操作人員指示，從提高操作的安全性以及便利性。并且箱內(nèi)布置有加熱器，可保持插座箱內(nèi)的溫濕度處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

3）節(jié)能減排效果

岸電系統(tǒng)節(jié)能減排效果明顯，以目前集裝箱船舶所用柴油機(jī)瓦錫蘭四沖程為例，燃油耗率約為240～350 g/kWh。根據(jù)目前市場報價，如果船舶發(fā)電機(jī)全部采用海運(yùn)低硫油，油費(fèi)按照7.0 元/L 計(jì)算，電費(fèi)按照1 元/kWh 計(jì)算，船舶燃油耗率約為 300 g/kWh 計(jì)算。1 kWh 船舶能耗費(fèi)用可減少0.3x7/0.858-1=1.4 元。如果船舶功率為2 000 kW，則一小時船舶可較少費(fèi)用為2 800 元。由此可見岸電對于減少能耗費(fèi)用有明顯的效果，并且由于岸電并沒有在碼頭造成大氣污染，對于港口空氣質(zhì)量的提高也起到了一定作用[6]。

3 結(jié)語

智能自動化集裝箱碼頭是大型集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢。由于集裝箱碼頭具有設(shè)備多、位置分散、功率高等特點(diǎn)，所以在進(jìn)行供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要進(jìn)行認(rèn)真分析，合理布局。在規(guī)劃設(shè)計(jì)變電所位置以及電纜路由時，要充分考慮集裝箱自動化碼頭“無人化”的運(yùn)行要求，避免出現(xiàn)由于人員正常巡檢影響生產(chǎn)運(yùn)行的情況。

并且由于自動化碼頭的控制設(shè)備多、對電能質(zhì)量要求也較高。設(shè)計(jì)初始階段，在變電所和箱變等位置需預(yù)留諧波治理等設(shè)備的位置，方便在運(yùn)行后，增設(shè)相關(guān)設(shè)備。