大容量低壓電站系統(tǒng)的研究及應用

沈 愷，楊金國，顧健飛,苗 青

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.32119部隊，吉林 集安 134200)

0 引言

隨著國際貿(mào)易的迅速發(fā)展，進出沿海港口的集裝箱船和各類型的集裝箱數(shù)量日益增多，冷藏集裝箱運輸越來越發(fā)達。全冷集裝箱船上的冷藏集裝箱多達上千只，集裝箱船越來越大型化，這大大增加了船舶電站的容量。一般冷藏箱功率在10 MW左右及以上均采用中高壓電力系統(tǒng)，但中高壓電力系統(tǒng)配置中高壓配電板、大型變壓器及中高壓電纜時，需要很大的布置空間。特別是大型變壓器，電力轉(zhuǎn)換消耗大，能量比差，除了需要大空間外還需要提供散熱設計。為克服中高壓電力系統(tǒng)的不足，近年來發(fā)電機效率不斷提高，開關(guān)技術(shù)、雙母排技術(shù)也不斷發(fā)展，這使得大容量低壓電站系統(tǒng)的設計成為可能。2020年，簡化的電力系統(tǒng)在新型15 000 TEU集裝箱船上得到成功應用。該系統(tǒng)使用低壓配電系統(tǒng)取代了現(xiàn)有的高壓配電系統(tǒng)，并獲得了DNV·GL船級社原則上批準(AIP)。該系統(tǒng)通過消除每艘船的電壓轉(zhuǎn)換節(jié)省了大約32萬美元，同時增加了冷藏箱的裝箱量[1]。

本文以910 FEU全冷集裝箱船為研究對象，將中高壓電力系統(tǒng)和低壓電力系統(tǒng)進行對比，結(jié)合電力負荷估算及發(fā)電機優(yōu)化選型，進行預估短路電流計算，分析大功率電站低壓電力系統(tǒng)在該船上的可行性。

1 系統(tǒng)分析與設計

1.1 電力負荷計算

910 FEU全冷集裝箱船的大型用電設備主要包括冷藏箱、克令吊、混合式脫硫塔、艏側(cè)推等，其中用電比重最大的還是冷藏箱，因此電力負荷計算主要估算冷藏集裝箱的裝載負荷系數(shù)。目前，英國勞氏船級社(LR)規(guī)范建議冷藏集裝箱運行的不同時系數(shù)要不小于0.75。挪威船級社(DNV)對此有專門的分析和規(guī)定，用冷卻比例百分比Cd來表示預期同時工作在冷卻模式下的冷藏箱數(shù)量除以冷藏箱總數(shù)量，見圖1。

根據(jù)圖1對整個冷藏集裝箱功率進行估算，發(fā)現(xiàn)總共需要4臺功率在2 500 kW以上的發(fā)電機。由于國際上一般將2.0～2.5 MW確定為低壓發(fā)電機組的容量上限(國內(nèi)船用低壓發(fā)電機的單機容量一般不超過1.5 MW)，在容量超過10 MW的船舶上安裝六七臺甚至更多的發(fā)電機顯然不合理，這也是引入中壓電的原因之一[1]。

為了加大采用低壓系統(tǒng)的可行性，有必要對電力負荷進行優(yōu)化。首先對上述幾個大型設備的系數(shù)需要進行合理調(diào)節(jié)；然后和船東對航線、碼頭及冷藏箱裝載使用率進行分析，估算平均每個冷箱功率為4.2 kW左右，比之前根據(jù)規(guī)范估算的要低；最終確定使用4臺主發(fā)電機，每臺額定功率為2 300 kW，這個功率大大提高了低壓系統(tǒng)運用的可行性。

1.2 中壓電力系統(tǒng)

中壓電力系統(tǒng)采用電壓6.6 kV、頻率60 Hz、3相3線絕緣系統(tǒng)中性點接地系統(tǒng)[2]。6.6 kV中壓配電裝置由主發(fā)電機控制屏、日用變壓器控制屏、冷藏變壓器控制屏、艏側(cè)推器控制屏、匯流排隔離屏及接地屏、同步屏和分段屏等組成，按照法規(guī)要求整個匯流排須通過隔離開關(guān)分成2個獨立的分段。由于中壓配電裝置結(jié)構(gòu)復雜，隔離開關(guān)和分段母線引上需由2屏組合構(gòu)成，每屏只能裝1個斷路器，所以整個配電板屏數(shù)較多。同時，系統(tǒng)還需配置6套常用的低壓配電板裝置、照明生活用變壓器、冷藏集裝箱配電裝置，在冷藏集裝箱配電板裝置之間母聯(lián)開關(guān)通過電纜連接。由于采用中高壓6 600 V、功率為2 300 kW的額定電流僅為252 A，系統(tǒng)最大短路電流預估7 kA，中壓斷路器都能滿足要求。

1.3 低壓電力系統(tǒng)

1.3.1 低壓系統(tǒng)的方案可行性分析

大型全冷箱船電站功率大，一般采用中高壓電力系統(tǒng)的方案，但會帶來配電裝置龐大及變壓器數(shù)量較多的問題，影響整個系統(tǒng)布置，且經(jīng)濟性很差。對低壓系統(tǒng)進行技術(shù)分析，其關(guān)鍵點在于整個電網(wǎng)的短路電流與配電系統(tǒng)是否能夠相互匹配。

根據(jù)預估計算，主匯流排上的短路電流應是最大的?？紤]到本項目發(fā)電機的特殊情況，發(fā)電機直軸超瞬態(tài)電抗預估盡量選小，為11%。通過預估公式，對稱短路值大約為134 kA，峰值為341 kA。雖然快要到達極限值，但沒有超過低壓開關(guān)的極限值，即使后期因參數(shù)變化，也在可控范圍內(nèi)，因此采用低壓系統(tǒng)方案是可行的。

1.3.2 發(fā)電機選型與短路電流計算優(yōu)化

結(jié)合經(jīng)濟性和高效性對發(fā)電機進行選型，每臺發(fā)電功率要求2 300 kW，柴油機的額定功率點就要盡量接近這個值，以免柴油機跨檔和加缸，導致整個機組外尺寸加大，且費用昂貴。最終發(fā)電機型號選擇為HFJ 5718-14K-S-L，柴油機功率為2 384 kW，使用效率達到97%。

在提高發(fā)電機效率的同時，發(fā)電機直軸超瞬態(tài)電抗的值就會相應變小，選用的發(fā)電機直軸超瞬態(tài)電抗僅僅為0.96%，已經(jīng)超出了預估值。這就意味著整個電網(wǎng)的短路將會變得很大，這對低壓開關(guān)的選型帶來非常大的困難。一旦數(shù)值超大，超多低壓開關(guān)的極限值，則需要重新選用中高壓方案，這對船舶電網(wǎng)系統(tǒng)設計是個顛覆性的修改。所以，一定要保證短路計算的結(jié)果滿足相關(guān)使用值。

因此，對每臺發(fā)電機的電纜進行合理加長，可增加系統(tǒng)內(nèi)的阻抗值，從而減小短路電流值。另外，通過比對減小系統(tǒng)中電機的同時使用系統(tǒng)，可以減少電力負荷計算書中電機等效電路的功率值，從而減小短路電流值。

通過最終的短路電流計算書發(fā)現(xiàn)：最大對稱短路電流Iac=118 kA，最大短路電流峰值Ip=324 kA。常規(guī)項目選Iac值基本就能滿足要求，一般不用考慮峰值。而這個項目是需要以Ip值選型，所以最終開關(guān)選型是施耐德最高的分斷能力等級R型。

1.3.3 母排的選擇和配電板布置優(yōu)化

根據(jù)電力負荷計算，由于4臺發(fā)電機有同時工作的工況，總功率為9 200 kW，配電板母排的電流會非常大，所以采用配電板雙母排的方案。水平母線設計，位于柜體后上部，用絕緣子固定，銅排相間距105 mm，5 mm厚扁平銅排，最多每相5片排，雙水平母線，最大至7 300 A。考慮到雙母排配電板方案，整個配電板的尺寸會非常大，對配電板和集控室布置進行優(yōu)化，將AC110 V饋電屏獨立出來，外形由一字型改成槽型。

最終經(jīng)過核算，從發(fā)電機耐受曲線與相應開關(guān)的參數(shù)及整個短路電流計算書可知，整個設計滿足船級社規(guī)范及相關(guān)法規(guī)要求，同時也滿足了船東實際使用要求。

1.4 電站功率管理系統(tǒng)設計

船舶電站是船舶電氣系統(tǒng)的重要核心部分，而電站自動化是船舶自動化的主要組成部分。電站運行的穩(wěn)定性、合理性及自動化程度對保證船舶航行安全性、經(jīng)濟性具有重要意義。本文研究的全冷集裝箱船電站管理系統(tǒng)是集成到船舶綜合控制系統(tǒng)里，是一個高穩(wěn)定性、全面性的網(wǎng)絡型多工作站分布式電站自動化控制系統(tǒng)。

經(jīng)電力負荷計算，冷藏箱的功率約占到整船總功率的41%，其他用電設備的功率大致占到整船總功率的59%。另外，由于船舶模式變化較多，如：航行模式、停泊模式、進出港模式、裝卸貨模式等，其中還有Tirell 3模式、是否帶冷藏箱，船舶電力系統(tǒng)的用電負載變化會非常頻繁。尤其是在如此大的電站容量下，由于冷藏集裝箱船對集裝箱的控制相互獨立，全船的負荷功率可能會出現(xiàn)峰值功率和峰谷差更大。對于該問題，本文通過采集冷藏監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)及裝載計算系統(tǒng)的裝載數(shù)據(jù)，由電站管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析后，將相關(guān)信息反饋給冷箱工作人員，在不減少貨物質(zhì)量和船上電力安全的原則上，對冷藏集裝箱運行總功率進行調(diào)節(jié)、其他負載總功率預測和船舶電站控制，將冷藏集裝箱作為蓄能單元，通過科學調(diào)節(jié)冷藏集裝箱運行總功率，達到削峰填谷和維持全船功率基本平衡的作用。在電站容量不變的情況下，冷藏集裝箱船可以提高冷藏箱的裝載數(shù)量，降低運營成本。

1.5 系統(tǒng)經(jīng)濟性對比

在物量費用方面，通過表1的對比可以看出低壓電力系統(tǒng)無論從系統(tǒng)配置的數(shù)量上，還是單個設備的費用上，都比中高壓系統(tǒng)節(jié)省。整個系統(tǒng)預估節(jié)省的費用約為40萬美元。

表1 中高壓與低壓電力系統(tǒng)主要配置差異

2 實船驗證

雙母排設計的配電板工廠試驗(FAT試驗)的所有試驗數(shù)據(jù)，不僅滿足規(guī)范和使用要求，而且優(yōu)于上述要求。FAT試驗的部分數(shù)據(jù)見表2。

表2 FAT試驗的部分數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)在已定下電站容量的情況下，一定要在掌握完整數(shù)據(jù)后，對電力負荷計算優(yōu)化，以降低電站功率，減小短路電流。

(2)為提高機組的利用率和減少能源的消耗，盡量使用高效率的發(fā)電機組，但同時也要注意直軸超瞬態(tài)電抗數(shù)值的變化。因為隨著效率的提高，這個值很容易變小，從而會加大短路電流數(shù)值。這個須根據(jù)實際項目，找到兩者的平衡點。

(3)由于大容量電站的短路電流是很靠近極限值的，因此每個環(huán)節(jié)都需要仔細核算，避免在后期更換方案。

(4)該系統(tǒng)已在910 FEU全冷集裝箱船上成功應用。營運中，整個低壓電力系統(tǒng)運行正常，并得到船東的好評。