◎ 劉鵬

高壓調(diào)壓電源岸電裝置在黃驊港200#泊位的應(yīng)用

◎ 劉鵬

本文主要介紹高壓調(diào)壓電源裝置在神華黃驊港務(wù)有限責任公司200泊位的應(yīng)用實例,同介紹了調(diào)壓裝置的調(diào)壓原理和整體設(shè)計方案。方案中涉及到由港區(qū)6kV/50Hz供電經(jīng)岸電調(diào)壓裝置維持穩(wěn)定在6kV50Hz的船舶可用電源,并通過一臺高壓出線柜饋電至200#泊位碼頭前沿的2處高壓接線箱內(nèi)?？扛鄞坝砂痘娫垂╇姇r,停止所有發(fā)電機組,船舶接用岸電時,給船舶供給優(yōu)質(zhì)可靠電網(wǎng)電源。本套岸電高壓調(diào)壓裝置設(shè)計容量為1.5MVA。

中國岸電的發(fā)展

我國是世界上最大的水運國家,由于船舶使用柴油自行發(fā)電,所以會排出大量硫化污染物,對大氣環(huán)境造成嚴重影響。船舶接用岸電技術(shù)是指船舶靠港期間,停止使用輔機發(fā)電,改用陸基電源供電。以減少船舶輔機發(fā)電來實現(xiàn)減排,減少大氣污染和噪聲污染。

該項技術(shù)起源于瑞典,發(fā)展在歐美,趕超在中國,由于國際航行船舶的電制同我國電制不同,和為保證船舶導(dǎo)航設(shè)備工作的連續(xù)性,船舶接用岸電時不允許斷電,以及對港口的安全生產(chǎn)不能產(chǎn)生影響等,凸顯出該技術(shù)的復(fù)雜。

2010年初,針對國內(nèi)岸電市場的需求分析,由江蘇連云港港口集團聯(lián)合交通運輸部水運科學研究院、中國船級社和河北遠洋公司根據(jù)交通運輸部的要求研發(fā)了中國岸電,同年,首套岸電設(shè)備由江蘇新航電氣有限公司研發(fā)成功,分別安裝在運營“中國連云港-韓國平澤港”客貨班輪航線上的“中韓之星”輪和連云港港口59號泊位,并于當年10月正式接駁成功,目前靠港船舶接用岸電正在世界范圍內(nèi)被廣泛接受。

黃驊港200泊位的岸電研究

研究背景

神華黃驊港成立于1998年3月,是中國神華能源股份有限公司的控股子公司,負責神華黃驊港的開發(fā)、建設(shè)和經(jīng)營,主要承擔神華煤炭下水轉(zhuǎn)運任務(wù),經(jīng)營煤炭、雜貨和油品等接卸業(yè)務(wù)。神華黃驊港已建成的生產(chǎn)性泊位共計20個,其中煤炭裝船泊位17個,散雜貨泊位2個,液體化工品泊位1個,設(shè)計年通過能力1.816億噸。當前,黃驊港正按照國家、省、市的決策和部署,加快完善文明環(huán)保的現(xiàn)代化綜合性港口,為陸橋沿線地區(qū)打造一條經(jīng)濟、低碳、綠色、便捷的出海大通道。

為了達到和完成低碳經(jīng)濟的要求,交通運輸部大力推進港口岸電系統(tǒng)的建設(shè),為了普及和推廣岸電的使用,對于目前積極建設(shè)岸電系統(tǒng)的單位,制定了一系列較大力度的節(jié)能獎勵和補貼制度,以鼓勵和支持各大港口的節(jié)能減排工作的實施。

近年來,生態(tài)文明建設(shè)已成為國家戰(zhàn)略,推動靠港船舶使用岸電也成為港口環(huán)保的重要舉措。這將為船舶靠港使用岸電技術(shù)形成更有利的政策倒逼環(huán)境。另外,我國規(guī)模以上港口吞吐量的不斷攀升帶來了船舶靠港產(chǎn)生的巨大排放。介于以上情況,黃驊港將加快靠港船舶船用岸電項目建設(shè),年底將再落成5套岸電系統(tǒng),將覆蓋三四期碼頭9個泊位。屆時黃驊港使用岸電接駁靠港船舶的節(jié)能減排效應(yīng)是顯著的。

可行性研究

在連云港“中韓之星”接駁59泊位岸電成功后,黃驊港兩度前往參觀后,神華集團總部決定在神華黃驊港的200泊位安裝一套碼頭高壓岸電系統(tǒng),以及“神華501”輪上安裝一套船用岸電系統(tǒng)。船用岸電系統(tǒng)在神華中海航運新造的散貨船舶“神華501”輪交船暨命名典禮上順利交付使用?！吧袢A501”輪船載岸電系統(tǒng)驗證成功后,神華集團又在5XX系列陸續(xù)安裝了十余套船載岸電系統(tǒng)。

而碼頭高壓岸電系統(tǒng)目前有兩種形式上船,一種是高壓變頻電源系統(tǒng),即采用將10KV/50HZ或6KV/50HZ電制的岸基電源經(jīng)過變頻變壓后輸出為6.6KV/60HZ或6KV50HZ電制的高壓變頻電源裝置,把電制轉(zhuǎn)換后供船舶使用,該高壓變頻電源系統(tǒng)主要針對使用6.6KV/60HZ的國際航線集裝箱船舶;另一種是高壓調(diào)壓電源系統(tǒng),即采用將10KV/50HZ或6KV/50HZ電制的岸基電源經(jīng)過調(diào)壓穩(wěn)壓后輸出為穩(wěn)定的6KV50HZ電制的高壓調(diào)壓電源裝置,把岸基電源經(jīng)過調(diào)壓穩(wěn)壓后供船舶使用,該高壓調(diào)壓電源系統(tǒng)主要針對國內(nèi)航線的船舶。

黃驊港200泊位煤炭專用碼頭,靠駁在200泊位的神華5X系列船舶為國內(nèi)航線的散貨船舶,該型船舶安裝的船載岸電系統(tǒng)使用的主變壓器容量為1250KVA,電制為6KV50HZ。因此,黃驊港200泊位的碼頭高壓岸電系統(tǒng)采用新航電氣有限公司生產(chǎn)的AMP-1500/A06A型,容量為1500KVA高壓調(diào)壓電源系統(tǒng)即可滿足設(shè)計要求。

黃驊港岸電系統(tǒng)的工作原理分析

高壓調(diào)壓電源裝置的原理

通常岸電的市網(wǎng)供電電源為低壓電源通過多根電纜直接上船,其缺點在于對供電電源電壓穩(wěn)定度要求較高,而且容量必須限制在630KVA以下,同時對輸出電纜長度限制較大,故障率較高,需要斷電連接使用和斷電撤銷。

采用高壓上船能徹底解決容量受限問題,一般容量在3000KVA以下船舶只要1根高壓電纜即可滿足容量需求,本文介紹的高壓調(diào)壓電源裝置,就是專門為高壓岸電上船設(shè)計的專用電源裝置。該調(diào)壓電源裝置能將碼頭岸基電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),同時還能對電壓穩(wěn)定度進行自主調(diào)節(jié),并能通過船岸通訊與船舶實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。該高壓調(diào)壓電源裝置主要由∶高壓進線柜、高壓調(diào)壓裝置,高壓調(diào)壓變壓器、 正弦濾波器和高壓出線柜及自動控制柜構(gòu)成。

高壓調(diào)壓電源框圖

高壓進線柜∶為高壓調(diào)壓電源提供繼電保護,和啟動/停止控制,由綜保裝置、高壓斷路器、消諧裝置等構(gòu)成。

高壓調(diào)壓裝置∶為9檔可調(diào)的高壓真空有載調(diào)壓開關(guān),控制方式分手動控制和自動控制,手動控制可人為對電網(wǎng)電壓進行換檔調(diào)節(jié)后輸出穩(wěn)定的電壓,自動控制受自動控制柜內(nèi)PLC程序控制,可根據(jù)船舶的電壓變化實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖1 高壓調(diào)壓電源控制原理圖

高壓調(diào)壓變壓器∶調(diào)壓變壓采用型號為SCB10-1500/6調(diào)壓專用變壓器,變比為6000+4-8×0.75%V/6000V,一次側(cè)有13組分接繞組,與高壓真空有載調(diào)壓開關(guān)配合進行分接控制,即可實現(xiàn)檔差45V的調(diào)壓功能。

正弦濾波器∶用來濾除電網(wǎng)中諧波分量,輸出完美潔凈的正弦交流電供船舶使用,經(jīng)過濾波后的諧波分量THDU＜4%。

高壓出線柜∶利用船岸連接的安全回路以及綜保裝置共同為船舶及碼頭高壓接線箱的提供安全保護,由綜保裝置、高壓斷路器、接地開關(guān)等構(gòu)成。

自動控制系統(tǒng)由專用的可編程序控制器和光電轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn),可編程序控制器通過多模光纜或無電通訊,將船岸連接信號、保護信號及各類電參數(shù)等信號進行分析和運算,以實現(xiàn)信息反饋與閉環(huán)控制,對高壓調(diào)壓變壓器進行穩(wěn)壓控制,另外還可以實現(xiàn)與上位 PC 機連接,實現(xiàn)實時監(jiān)控等系統(tǒng)管理。

通訊系統(tǒng)原理

通訊系統(tǒng)主要通過PLC可編程控制器與光電轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn),并通過多模光纜傳輸信號。由船舶電網(wǎng)控制回路進行信號采集,通過船載岸電系統(tǒng)的通訊鏈路將數(shù)據(jù)反饋至高壓調(diào)壓電源裝置的調(diào)壓控制系統(tǒng),由PLC可編程控制器進行分析、處理、控制,從而實現(xiàn)整個高壓調(diào)壓電源裝置的閉環(huán)反饋控制。本系統(tǒng)設(shè)計安裝了帶模擬量運算模塊的PLC 進行數(shù)據(jù)采集、運算管理通訊,控制更加準確方便,人機操作界面對數(shù)據(jù)進 行監(jiān)控和對設(shè)備進行控制,使操作更加簡便。

圖2 通訊系統(tǒng)框圖

由通訊系統(tǒng)框圖可看出∶高壓調(diào)壓電源為船舶電網(wǎng)提供岸電后,即由船舶電網(wǎng)的船電控制子系統(tǒng)采集船舶及設(shè)備的各種電能數(shù)據(jù),通過RS485將信息傳輸給船載岸電系統(tǒng)進行分析運算。再由船載岸電系統(tǒng)將處理后的信息數(shù)據(jù)通過多模光纖反饋給調(diào)壓控制系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)交互,然后由調(diào)壓控制系統(tǒng)將分類信息再通過RS485和TCP/IP傳送至可編程序控制器通訊模塊,由可編程序控制器進行數(shù)據(jù)處理、管理監(jiān)控以及對高壓調(diào)壓電源進行閉環(huán)控制,達到穩(wěn)定控制精度的目的。

整體設(shè)計方案

岸電系統(tǒng)設(shè)計

黃驊港200泊位岸電系統(tǒng)是將?？奎S驊港神華煤炭碼頭200號泊位的散貨船接入港區(qū)市電網(wǎng)絡(luò),由岸基電源進行安全、可靠的供電,為船舶提供穩(wěn)定的6kV50Hz電源,船舶電網(wǎng)可與其進行無縫切換。使用岸電期間船舶關(guān)閉自帶發(fā)電機,船舶靠港作業(yè)期間使用市電維持設(shè)備運行。以減少船舶在港期間對港區(qū)、市區(qū)大氣環(huán)境的影響,有效改善區(qū)域環(huán)境。

黃驊港200泊位岸電系統(tǒng)包括∶高壓調(diào)壓電源裝置、高壓接線箱、進出線開關(guān)柜、高壓動力電纜及控制線纜等。該系統(tǒng)進線引自港口高壓母線14號變電所用戶斷路器61420開關(guān)。高壓調(diào)壓電源裝置、進出線開關(guān)柜及控制單元整體安裝在20英尺的標準集裝箱內(nèi)。經(jīng)過穩(wěn)壓后的市網(wǎng)電源通過高壓動力電纜引自200泊位前沿2臺碼頭高壓接線箱。高壓接線箱的安全控制回路及船載岸電系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)通過控制線纜反饋至高壓調(diào)壓電源系統(tǒng)的控制單元。本系統(tǒng)在碼頭前沿安裝2臺高壓接線箱可以方便船舶靠港后不受左右舷限制,增加船舶接用岸電的便捷。

船載岸電系統(tǒng)可通過1根帶有高壓連接插頭的高壓電纜插入碼頭高壓接線箱的高壓插座取電上船。同時該高壓電纜內(nèi)的多模光纖插頭可插入高壓接線箱內(nèi)的光纖插孔內(nèi)來實現(xiàn)船岸通訊功能。

黃驊港200泊位高壓調(diào)壓電源系統(tǒng)有較高自適應(yīng)能力,能輸出穩(wěn)定的6kV50Hz電壓,在沒有船/岸通信的條件下,調(diào)壓電源具備自閉環(huán)穩(wěn)壓功能。船/岸安全回路按照國際規(guī)范設(shè)計,電源操作規(guī)程安全、可靠?？梢詽M足裝有船載岸電系統(tǒng)的神華5XX系列船舶在神華黃驊港200泊位接用岸電,高壓接線箱的插頭形式及通訊方式能滿足神華5XX系列船舶安全使用。

高壓調(diào)壓電源設(shè)計

調(diào)壓電源由岸電專用調(diào)壓變壓器單元、分接單元、保護單元、控制單元等組成,可將市電轉(zhuǎn)化為可調(diào)節(jié)的船用電,并具有自動調(diào)壓功能以及故障報警功能和緊急停止功能。

岸基電源與船電并網(wǎng),可以實現(xiàn)無縫對接,接入岸電時,岸側(cè)電網(wǎng)進行額定輸出,船方調(diào)整船上電網(wǎng)跟蹤岸側(cè)電網(wǎng),船方進行并網(wǎng)、負載轉(zhuǎn)移。離岸斷開岸電時,調(diào)整船上發(fā)電機組跟蹤岸側(cè)電網(wǎng),進行撤網(wǎng)、負載轉(zhuǎn)移。

調(diào)壓電源可在環(huán)境溫度-5℃＜環(huán)境溫度＜40℃的情況下能滿負荷長時間工作。對輸入、輸出電源有系統(tǒng)的零序、過壓、欠壓、過流、短路、超溫和變壓器過熱等保護功能及報警裝置,考慮對不同船舶的用電負荷的控制,當輸出負荷容量達到任意設(shè)定值時發(fā)出預(yù)報警(或跳閘)信號,以便控制用電負荷;當輸出電壓、頻率連續(xù)超出CCS規(guī)范時限5秒時,須自動切斷輸出回路。另外,當船舶電氣發(fā)生故障,通過控制信號,可通過船側(cè)緊急停止開關(guān)直接切斷對應(yīng)的出線柜斷路器。并且船岸連鎖控制信號為斷開狀態(tài)時,出線柜斷路器應(yīng)不能合閘或在合閘的情況下斷開。

調(diào)壓系統(tǒng)的穩(wěn)壓原理：

穩(wěn)壓變壓器為有載調(diào)壓專用變壓器,采用DY11形式,一次側(cè)三角形連接,有13組分接繞組,其中9個繞組與9檔有載調(diào)壓開關(guān)連接,每檔有45V檔差,以實現(xiàn)6000V±180V的調(diào)壓范圍,還可根據(jù)需要調(diào)整備用分接繞組實現(xiàn)更大的穩(wěn)壓范圍,最高可實現(xiàn)6000V±270V范圍內(nèi)可調(diào)。變壓器二次側(cè)星形連接,為靠港船舶提供穩(wěn)定的6000V50HZ岸電。

有載調(diào)壓開關(guān)控制器的輸入端通過15芯控制電纜連接調(diào)壓系統(tǒng)的控制單元,以接受控制單元發(fā)來的穩(wěn)壓指令, 端子1-10可以實現(xiàn)對調(diào)壓變壓器的自動控制;端子11-14可實現(xiàn)調(diào)壓變壓器手動控制。該控制器還能將調(diào)壓開關(guān)的故障信號和工作狀態(tài)信號反饋至控制單元,實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖3 高壓插頭/插座連接示意圖

圖4 碼頭高壓接線箱安全回路原理圖

作為優(yōu)選設(shè)計方案,將14號變電所饋電三相高壓經(jīng)高壓電纜引入高壓調(diào)壓電源裝置,經(jīng)高壓調(diào)壓裝置后高壓輸出,再經(jīng)由船舶電網(wǎng)控制回路進行信號采集, 通過船載岸電系統(tǒng)的通訊鏈路將數(shù)據(jù)反饋至高壓調(diào)壓電源裝置的調(diào)壓控制系統(tǒng),PLC 可編程控制器進行分析、處理、控制,實現(xiàn)整個高壓調(diào)壓電源裝置的閉環(huán)反饋控制。采用帶模擬量 PLC 進行數(shù)據(jù)采集、運算管理通訊,控制更加準確方便,外接人機界面對數(shù)據(jù)進 行監(jiān)控和對設(shè)備進行控制,使操作更加簡便。本套方案還可以采用光電轉(zhuǎn)換模塊,通過多模光纜與因特網(wǎng)或者其它相鄰或上位設(shè)備 連接從而使其他設(shè)備能夠和本設(shè)備進行遠程控制和監(jiān)控。

線路設(shè)計

1)開關(guān)量輸出,提供給相關(guān)專業(yè)的開關(guān)量信號,電源控制系統(tǒng)提供通斷控制,接點為無源觸電,最大承受電流2A,接點為單獨,不與其他系統(tǒng)共用。用于控制開關(guān)柜進行分合閘操作,輸出指示信號。

2)開關(guān)量輸入∶提供給電源控制系統(tǒng)的開關(guān)量信號,為無源接點,接點為單獨,不與其他系統(tǒng)共用。用于采集變壓設(shè)備以及開關(guān)柜的運行狀態(tài)、故障狀態(tài),接受操作信號。

3)通訊數(shù)據(jù)接口∶使用TCP/IP 協(xié)議,通過RS485或網(wǎng)線接口上傳/下載數(shù)據(jù)。

4)動力電纜接口∶用于傳輸動力電,滿足1.5MVA電源容量。

5)電源接口∶為變壓設(shè)備和開關(guān)柜內(nèi)部控制提供電源。

6)信號線接口∶傳輸電壓、電流等采樣信號。

接口做法

1)啟停∶變壓設(shè)備提供一對常開觸點接入電源控制系統(tǒng),通過通斷控制來實現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)。

2)設(shè)備運行狀態(tài)∶從電柜接觸器或斷路器引出一對常開無源輔助觸點接入電源控制系統(tǒng)。

3)設(shè)備故障報警∶從電柜的熱繼電器、門限開關(guān)、綜合保護器等引出一對常開無源輔助觸點接入電源控制系統(tǒng)。

4)手自動轉(zhuǎn)換∶從觸點接入電源控制系統(tǒng)。

5)進入電源控制系統(tǒng)的所有信號線接點必須為無源觸點,否則應(yīng)采用中間繼電器隔離。

接線箱設(shè)計

2臺碼頭高壓接線箱能適用于沿海特殊使用環(huán)境,內(nèi)部分別安裝符合神華5XX系列船舶的350A高壓插座,滿足神華5XX系列船舶左右舷靠泊使用,保證插座、插頭的正常對接。碼頭高壓接線箱主要參數(shù)∶額定電壓7.2kV;額定頻率∶50Hz;控制電源∶220V/50Hz;防護等級∶IP56。

接線箱門與電源裝置之間設(shè)置電氣聯(lián)鎖裝置,確保不會產(chǎn)生帶電操作和誤送高壓的危險,以確保操作安全。

SQ1、SQ2即為接線箱門電氣聯(lián)鎖限位開關(guān);船岸急停回路通過高壓插頭HV-S1內(nèi)的P1、P2插針與船載岸電系統(tǒng)的緊急回路串聯(lián),ES為碼頭接線箱的緊急停止按鈕,P3插針為船岸等電位保護;船岸通訊通過高壓插頭內(nèi)的OP-P光纖連接器與光電轉(zhuǎn)換模塊LE進行信號交互,實時將船載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息反饋至岸基高壓調(diào)壓電源系統(tǒng)。

結(jié)論

黃驊港200泊位岸電系統(tǒng)的高壓調(diào)壓電源裝置整體安裝在20英尺的集裝箱內(nèi),就近放置于黃驊港14號變電所北側(cè)2米處,并可方便的進行轉(zhuǎn)移。集裝箱設(shè)置完善的空調(diào)系統(tǒng)及除濕設(shè)備,確保調(diào)壓電源運行環(huán)境干燥,確保無凝露現(xiàn)象。進線電源引自14號變電所61420岸電饋電柜。出線電纜通過電纜橋架敷設(shè)至200泊位碼頭前沿,在碼頭前沿的4#墩和14號墩平齊位置分別安裝1臺碼頭高壓接線箱;2臺碼頭高壓接線箱共用一屏高壓出線柜,為并聯(lián)供電模式,但每次接駁時只能由一臺高壓接線箱向靠港船舶提供岸電。

黃驊港200泊位岸電系統(tǒng)安裝完成后,先后為“神華523”輪、“神華521”輪、“神華501”輪成功接駁岸電20余航次,累計為靠港船舶供電139586kWH。

神華黃驊港務(wù)公司）