集裝箱船加裝冷藏箱電氣設(shè)計(jì)研究

柴俊鍇，肖德浩，黃燁

（上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司，上海 201913）

冷藏集裝箱船在物資水上運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用，常規(guī)的集裝箱船經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑欤嗫纱钶d冷藏箱。但改造方案并非簡(jiǎn)單地增加設(shè)備接線點(diǎn)和連接回路，更為關(guān)鍵的因素為正確評(píng)價(jià)改裝對(duì)船用電力系統(tǒng)的綜合影響。原因在于船舶的既有電氣設(shè)備和設(shè)施具有負(fù)載上限，不可超負(fù)荷運(yùn)行，否則有可能引起安全事故。研究相關(guān)指標(biāo)的校驗(yàn)、計(jì)算方法可促進(jìn)此類工程實(shí)踐的發(fā)展和應(yīng)用。

1 集裝箱船電力負(fù)荷現(xiàn)狀評(píng)估

集裝箱船的電力來源包括兩類，當(dāng)其?？看a頭時(shí)由岸電系統(tǒng)提供電能，航行期間則由船用柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而為各類電氣設(shè)備供電。集裝箱船的發(fā)電機(jī)輸出功率具有上限，然而帶有冷藏功能的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱（TEU）存在一定的能耗，例如，常見的30t 載荷冷藏集裝箱的制冷功率大多為10kW。當(dāng)需要加裝的冷藏集裝箱較多時(shí)，會(huì)顯著增加船舶的電力負(fù)荷，甚至超過發(fā)電機(jī)的負(fù)載能力。因此在具體實(shí)施之前，必須對(duì)集裝箱船現(xiàn)有的電力負(fù)載能力、電力負(fù)荷水平、電力負(fù)荷分布等進(jìn)行調(diào)查。

1.1 新增負(fù)荷的來源

冷藏集裝箱的工作原理與冰柜類似，其核心元器件為壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥以及其他附件，工作電流多為380V 或440V 的三相電，電源缺相、電壓不足將會(huì)導(dǎo)致其無法正常運(yùn)行，當(dāng)冷藏集裝箱進(jìn)入制冷模式后，冷凝器需要向船舶空間內(nèi)散熱[1]。因此，新增電力負(fù)荷主要包括兩部分，其一是集裝箱壓縮機(jī)制冷所需的電量，其二是船舶貨倉空間內(nèi)通風(fēng)量增加所需的電量。

1.2 負(fù)荷計(jì)算方法及算例分析

某型集裝箱船的裝載能力為1800TEU，采用6600V中壓電力系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)、中壓配電板、低壓配電板、主變壓器、AMP 中壓岸電系統(tǒng)組成。發(fā)電機(jī)經(jīng)主變壓器的轉(zhuǎn)換，向低壓負(fù)載端提供440V 低壓。改造需求為向1、2、3 號(hào)貨艙增加200 個(gè)冷藏TEU，單個(gè)TEU 的制冷10kW 進(jìn)行計(jì)算。那么新增加電力負(fù)荷的計(jì)算公式為：

式中，將冷藏TEU的額定功率和數(shù)量分別記為P、N，其運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)記為E，所有冷藏TEU 同時(shí)運(yùn)行所需的總功率記為Pc，冷藏TEU 運(yùn)行所需的有效功率記為Pn，L 為所有冷藏TEU 同時(shí)運(yùn)行的系數(shù)[2]。將功率因數(shù)取值設(shè)定為80%，則200 個(gè)TEU 的新增發(fā)電功率約為2500kW。根據(jù)調(diào)查，該型集裝箱船原本配備6臺(tái)發(fā)電機(jī)，航行時(shí)正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)數(shù)量為4 臺(tái)，另外2臺(tái)作為備用，冷藏TEU新增負(fù)荷需求如表1所示。另外，貨艙內(nèi)的供風(fēng)機(jī)也需要增加一定的電力負(fù)荷，200 個(gè)新增冷藏集裝箱分布在3 個(gè)不同的貨艙內(nèi)，分別為2 號(hào)、3 號(hào)和5 號(hào)，所需電力負(fù)荷如表2 所示。

表1 冷藏TEU 新增電力負(fù)荷

表2 貨艙供風(fēng)機(jī)新增電力負(fù)荷

2 加裝冷藏箱電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 供電方式選型

常用的供電布局方式包括兩種技術(shù)路線，其一為環(huán)式接線，具體又可細(xì)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，其二為輻射式接線。環(huán)式接線的特點(diǎn)為配電板通過兩條線路向分電箱供電，冷藏集裝箱從分電箱獲取電源，這種供電方式的優(yōu)點(diǎn)為電源可靠性較高，因?yàn)榕潆姲搴头蛛娤渲g形成了雙路供電模式，如果某一回路出現(xiàn)故障，可迅速切換至另一回路，從而保證供電。在輻射式接線中，冷藏集裝箱直接與配電板接通，形成單一回路，其電源的可靠性相對(duì)較低。環(huán)式接線雖然存在較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但冗余設(shè)計(jì)導(dǎo)致其需要更多的供電線路和電氣元件，成本也相對(duì)更高[3]。鑒于此，在供電方式選型中應(yīng)兼顧可靠性與成本控制，如果船舶運(yùn)送的常規(guī)物資價(jià)值較高，應(yīng)采用環(huán)式接線。相反的，如果船舶對(duì)供電可靠性要求較低，或者更加關(guān)注改造成本，可選用輻射式接線。結(jié)合實(shí)際需求，該船舶在加裝冷藏集裝箱時(shí)采用輻射式接線。

2.2 配套電氣設(shè)備容量計(jì)算

2.2.1 變壓器新增容量計(jì)算

冷藏集裝箱的增加可影響發(fā)電機(jī)、變壓器、通風(fēng)機(jī)械等各種配套電氣設(shè)備，變壓器容量是系統(tǒng)校核的關(guān)鍵。在此之前應(yīng)該計(jì)算出冷藏集裝箱和風(fēng)機(jī)的新增功率之和。船舶進(jìn)入航行期之后，冷藏TEU 的最低制冷功率為額定制冷功率的60%，風(fēng)機(jī)采用了變頻技術(shù)，最低運(yùn)行功率按照額定功率的75%進(jìn)行計(jì)算，于是可求得新增負(fù)荷功率的最小值，計(jì)算方法為2500×60%+（140.62+191.78+115.05）=1947.45kW。新增負(fù)荷后變壓器容量的計(jì)算方法如下。

式中，S1為變壓器需要新增的容量，將變壓器的建議新增容量記為S2，冷藏TEU 的功率之和記為Pn，η1和η2表示變壓器負(fù)荷占比，η1的取值為0.8，η2 的取值為0.85。

2.2.2 繼電保護(hù)系統(tǒng)的校核

繼電保護(hù)是船舶電氣系統(tǒng)的重要組成部分，主要由一次電氣設(shè)備、二次電氣設(shè)備和元件、保護(hù)回路等組成。冷藏TEU 改變了發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備，其對(duì)繼電保護(hù)回路的觸發(fā)和保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行也可能產(chǎn)生一定的影響。在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須重新校驗(yàn)、整定保護(hù)電流等參數(shù)?，F(xiàn)有保護(hù)回路的電纜截面積為固定值，需校驗(yàn)相應(yīng)的電流關(guān)系。將電纜的截流量記為Ic，負(fù)載電氣設(shè)備的額定電流記為In,斷路器的整定電流記為Is。繼電保護(hù)校核的內(nèi)容為檢驗(yàn)Is＞In、Ic＞In、Ic＞Is三種關(guān)系是否成立[4]。

斷路器是重要的繼電保護(hù)設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，斷路器可快速切斷故障電流，達(dá)到保護(hù)一次設(shè)備的目標(biāo)。通常情況下，系統(tǒng)短路時(shí)電流強(qiáng)度瞬間增大，一旦達(dá)到觸發(fā)條件，斷路器自動(dòng)接通，執(zhí)行保護(hù)操作。斷路器在改造后的系統(tǒng)中能否發(fā)揮保護(hù)作用，可按照以下方法進(jìn)行校核。

式中，將計(jì)算得到的對(duì)稱短路電流和峰值短路電流分別記為Iac、Ip，觸發(fā)斷路器接通的短路電流記為Icm,斷路器的短路分?jǐn)嚯娏鏖撝涤洖镮cs。

2.2.3 電力電纜負(fù)載能力校核

電纜具有設(shè)計(jì)載流限值，其本身也存在一定的電阻值，按照焦耳定律，假設(shè)電纜的阻值為R，流經(jīng)電纜的電流強(qiáng)度記為I，則經(jīng)過時(shí)間T 所產(chǎn)生的焦耳熱為Q=I2·R·T。集裝箱船原本的設(shè)計(jì)方案能夠滿足電力線纜的安全運(yùn)行，但加裝冷藏TEU 之后，負(fù)載變大，流經(jīng)線路的電流有所增加，單位時(shí)間內(nèi)可生成更多的焦耳熱，有可能導(dǎo)致電力線纜過熱，甚至燒毀[5]。因而需要校驗(yàn)流經(jīng)船舶電力電纜的電流是否超過安全閾值，相應(yīng)的校核計(jì)算方法如下。

2.2.3.1 計(jì)算電纜的最大負(fù)載電流強(qiáng)度

冷藏TEU 采用三相電源，于是可計(jì)算交流電的等效最大電流，計(jì)算方法為：

式中，將冷藏TEU 的功率因數(shù)記為cosФ，Pn 為相應(yīng)的額定功率，U 為設(shè)備運(yùn)行時(shí)的交流電壓。

2.2.3.2 修正系數(shù)

電纜的敷設(shè)方式、敷設(shè)環(huán)境對(duì)其散熱效果可產(chǎn)生顯著的影響，出于綜合布線的需求，通常將電纜敷設(shè)在穿線管或者橋架中，既能起到保護(hù)作用，又能達(dá)到整齊劃一的效果。但這種布設(shè)方式制約了電纜的散熱效果。如果電纜布設(shè)在船體的外部空間或者具有熱源的空間，有可能存在較高的環(huán)境溫度，同樣干擾其散熱。基于以上原因，在特定環(huán)境中需設(shè)置修正系數(shù)，從而提高電纜負(fù)載電流的計(jì)算精確性。例如，當(dāng)電纜成束敷設(shè)時(shí)，修正系數(shù)ɑ 可取為0.85。因而式（7）的計(jì)算表達(dá)式中應(yīng)乘以系數(shù)ɑ，此時(shí)計(jì)算所得的最大電流值有所下降。環(huán)境溫度對(duì)電纜修正系數(shù)的影響可參考表3，相關(guān)數(shù)據(jù)來自某電纜生產(chǎn)廠家。

表3 環(huán)境溫度與修正系數(shù)的關(guān)系

2.2.3.3 電壓修正

從公式（7）可知，電壓U 也是影響In 計(jì)算結(jié)果的重要參數(shù)，大型集裝箱船的電纜長(zhǎng)度較大，在電力傳輸過程中，線路上存在一定的壓降，且降幅與電纜長(zhǎng)度呈正相關(guān)。修正電壓值能夠提高電纜最大負(fù)載電流的計(jì)算精度，使其更加符合客觀實(shí)際。

式中，將單相兩線制回路的電壓降記為ΔU1,三相交流回路下的線路壓降記為ΔU2,電纜的長(zhǎng)度可記為L(zhǎng),R、S、U 分別為電導(dǎo)率、截面積以及設(shè)備的額定工作電壓。

2.3 輔助功能設(shè)計(jì)

2.3.1 集裝箱冷藏監(jiān)測(cè)功能

冷藏TEU 用于存儲(chǔ)需要低溫保存的物資，如進(jìn)口的肉類產(chǎn)品、水果、藥品等。冷藏TEU 一旦出現(xiàn)故障，有可能導(dǎo)致物資變質(zhì)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因而在船舶加裝冷藏集裝箱時(shí)，應(yīng)同步設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，功能包括三個(gè)方面，其一是遠(yuǎn)程控制冷藏TEU 開啟或者關(guān)閉制冷功能，其二是實(shí)時(shí)監(jiān)控在運(yùn)行的冷藏集裝箱的溫度，其三為輔助識(shí)別、定位冷藏集裝箱故障。為保證可靠性，可采用電力載波技術(shù)采集和傳輸冷藏TEU 的各種運(yùn)行信號(hào)，在其內(nèi)部設(shè)置耐低溫的傳感器，用于采集溫度、濕度、電壓、電流等參數(shù)，再借助通信線纜，將信號(hào)回傳至系統(tǒng)后臺(tái)。管理人員可在操作界面上實(shí)時(shí)掌握每一個(gè)冷藏TEU 的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)顯示故障所在的貨艙編號(hào)、集裝箱編號(hào)。系統(tǒng)與傳感器間的通信接口可采用RS485。

2.3.2 風(fēng)機(jī)控制參數(shù)設(shè)計(jì)

大量冷藏集裝箱的同步運(yùn)行會(huì)在貨艙內(nèi)產(chǎn)生較多的熱量，風(fēng)機(jī)的數(shù)量、功率、運(yùn)行控制方式等應(yīng)滿足通風(fēng)散熱的需求，且風(fēng)機(jī)應(yīng)具備長(zhǎng)期穩(wěn)定的通風(fēng)能力。在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需精確計(jì)算出貨艙容積、冷藏集裝箱的散熱量、其他熱源的散熱量、風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、貨艙在特定時(shí)段內(nèi)的換氣次數(shù)。該項(xiàng)目經(jīng)過縝密的計(jì)算，求出了三個(gè)目標(biāo)貨艙的新增風(fēng)機(jī)數(shù)量。2 號(hào)貨艙新增風(fēng)機(jī)11個(gè)，3 號(hào)貨艙為15 個(gè)，5 號(hào)貨艙為9 個(gè)，單個(gè)風(fēng)機(jī)的輸出功率均為15kW。另外，每個(gè)冷藏箱的冷卻空氣量以4.800m3/h 進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)語

綜合以上研究?jī)?nèi)容，在既有集裝箱船上加裝冷藏箱時(shí)，可根據(jù)集裝箱的數(shù)量和制冷時(shí)的輸出功率確定總能耗，同時(shí)計(jì)算出貨艙通風(fēng)散熱所需的電能。以此為基礎(chǔ)，考察船舶的發(fā)電能力、電纜負(fù)載能力、繼電保護(hù)觸發(fā)條件、保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行等是否受到影響，如果校驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)存在問題，則必須對(duì)現(xiàn)有電氣系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，使其完全符合加裝冷藏箱的電力需求，如增加通風(fēng)機(jī)數(shù)量、擴(kuò)大變壓器容量等。