潘銀飛，李曉奎，周均怡，陳 偉，曹 峰

（上海江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 202150）

0 引言

隨著國際海事組織（IMO）對(duì)船舶硫排放的限制日益嚴(yán)格，越來越多的港口開始重視環(huán)境保護(hù)，許多船舶在港靠泊期間將不再使用船上的發(fā)電機(jī)作為電源，取而代之的是使用港口碼頭提供的電源，以滿足港口的節(jié)能排放要求。集裝箱船、客滾船、郵輪等船舶在靠港期間對(duì)電源的需求量較大，高壓岸電系統(tǒng)改造較為迫切。因此，近期集裝箱船進(jìn)行高壓岸電系統(tǒng)改造的工程不斷增多，其它船型靠港期間對(duì)用電負(fù)荷的需求也呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)。未來船舶與碼頭間使用高壓岸電的方案將會(huì)被越來越多地采用。

1 船舶高壓岸電系統(tǒng)簡介

普通的船舶岸電其電壓等級(jí)多為AC 440 V，而進(jìn)行船舶岸電系統(tǒng)改造后使用的岸電電壓等級(jí)多為AC 6 600 V，在各船級(jí)社規(guī)范的定義中，高于1 kV的電壓即稱為高壓，因此，目前各船舶改造后使用的 6 600 V岸電系統(tǒng)可稱為高壓岸電系統(tǒng)（Alternative Marine Powered，AMP）[1]。

由于高壓岸電系統(tǒng)廠家設(shè)計(jì)以及改裝船舶自身電制的差異，高壓岸電系統(tǒng)構(gòu)成可以有多種方案，但一般都包含插拔式快速接頭、高壓岸電電纜絞車、高壓岸電連接屏、高壓岸電接入屏、高壓岸電控制屏以及高壓電纜等部分，將港口岸電與船舶電網(wǎng)相連接[2]。

以上部件中，插拔式快速接頭與岸上插座為一組，可以在短時(shí)間內(nèi)牢固連接，以達(dá)到碼頭快速作業(yè)要求。電纜絞車通常左右2舷各設(shè)1臺(tái)，主要用于收放到岸上的高壓電纜。高壓電纜敷設(shè)船上與高壓岸電連接屏相接，高壓電纜的可收放部分和固定部分通過電纜絞車集電環(huán)相連接。高壓岸電連接屏通常由左舷高壓岸連接屏、右舷高壓岸電連接屏以及高壓岸電配電屏組成，可以顯示電壓、電流、相序、頻率、功率等相關(guān)參數(shù)。高壓岸電接入屏通常位于主配電板上，用于接受高壓岸電連接屏輸入的岸電電源，以連接船舶電網(wǎng)。同樣的，高壓岸電接入屏也可以顯示電壓、電流等相關(guān)參數(shù)，用于監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

對(duì)于高壓岸電裝置的安裝形式主要分為移動(dòng)式和固定式。移動(dòng)式安裝形式通常會(huì)將岸電連接屏、電纜絞車、變壓器等整合在一個(gè)可移動(dòng)的集裝箱內(nèi)，船舶只需敷設(shè)至主配電板的高壓電纜，同時(shí)提供移動(dòng)式集裝箱位以供臨時(shí)擺放。對(duì)于固定式安裝形式，其電纜絞車、岸電連接屏、變壓器等都需要固定安裝在船舶上，船舶靠港后，只需通過絞車放下高壓電纜并與碼頭岸基供電裝置相連接便可。因此，船舶航運(yùn)公司需要根據(jù)不同船型自身特點(diǎn)及需求進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)。

2 船舶高壓岸電改造設(shè)計(jì)

船舶高壓岸電的改造重心在于原船電力系統(tǒng)的改造升級(jí)以及新設(shè)備的安裝工作，因此，高壓岸電具體的改造需要基于原船電力系統(tǒng)確定，如原船為AC 440 V低壓電力系統(tǒng)，則新裝船的高壓岸電系統(tǒng)需要配備降壓變壓器，將接入的AC 6 600 V高壓岸電降為AC 440 V，以連接原船電網(wǎng)，見圖1。如原船為AC 6 600 V高壓電力系統(tǒng)的，則其不需要額外的降壓變壓器，見圖2。

圖1 AC 440 V高壓岸電改造電力系統(tǒng)示意圖

圖2 AC 6 600 V高壓岸電改造電力系統(tǒng)示意圖

高壓岸電使用時(shí)，分為斷電連接岸電和并網(wǎng)連接岸電。在短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行情況下進(jìn)行負(fù)載安全轉(zhuǎn)移時(shí)，因?yàn)榇嬖诙虝r(shí)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的過程，在并聯(lián)期間，船舶發(fā)電機(jī)和岸電的總?cè)萘坑锌赡芤鹣到y(tǒng)智路電流大于原船電力系統(tǒng)最大短路電流的情況。因此，需要計(jì)算此種工況下的短路電流[3]，因短路電流計(jì)算涉及的公式較多，此處不再引用，具體計(jì)算可以參考《CCS鋼制船舶建造規(guī)范2006》附錄1中的計(jì)算公式。目前此類計(jì)算大多通過軟件計(jì)算，如CCS船級(jí)社的COMPASS計(jì)算軟件。利用計(jì)算軟件取得短路電流計(jì)算結(jié)果后，根據(jù)系統(tǒng)中各計(jì)算點(diǎn)的短路電流值與斷路器分?jǐn)嗄芰徒油芰M(jìn)行匹配，核查改裝后，原船斷路器是否能滿足要求，斷路器性能參數(shù)與短路電流計(jì)算出的相關(guān)參數(shù)關(guān)系可參考如式（1）和式（2）：

式中：Ics為斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Γ籌cm為斷路器的短路接通能力；Iac為計(jì)算出的對(duì)稱短路電流；Ip為計(jì)算出的最大短路電流峰值。

根據(jù)短路電流計(jì)算書及系統(tǒng)實(shí)際的選擇性保護(hù)需求，對(duì)增加的高壓岸電接入屏，高壓岸電連接屏（包括左舷岸電連接屏、右舷岸電連接屏）及各主要斷路器進(jìn)行選型，以配合實(shí)現(xiàn)各級(jí)設(shè)備保護(hù)。

若原船為AC 440 V低壓電力系統(tǒng)，還需要對(duì)選用的降壓變壓器容量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)原船的電力負(fù)荷情況，確定靠泊港口期間需要的電力負(fù)荷，通過此負(fù)荷計(jì)算出所需要的變壓器容量，計(jì)算公式為[4]

式中：P為船舶靠港期間各運(yùn)行設(shè)備功率總和，kW；S1為變壓器計(jì)算容量，kVA；K為負(fù)載系數(shù)，通常取系數(shù)為0.8；S為變壓器選型容量，kVA；K1為變壓器使用率。

在以上設(shè)備選型確定后，可以進(jìn)行高壓電纜的選擇。設(shè)計(jì)時(shí)可將電纜外護(hù)套顏色選擇為棗紅色，以便于電纜區(qū)分。而在電纜截面積選定時(shí)，則需要考慮以下幾方面：

1）使用高壓岸電時(shí)，確定電纜流過的最大負(fù)載電流，以便通過電纜載流量選擇電纜截面積，電纜最大負(fù)載電流可通過式（6）計(jì)算獲得：

式中：In為三相負(fù)載電流值，A；cosφ為功率因素。

2）因高壓岸電電纜需在機(jī)艙內(nèi)穿行敷設(shè)至配電板，部分區(qū)域可能存在工作環(huán)境溫度較高情況，因此，需要根據(jù)實(shí)際情況，考慮環(huán)境空氣溫度系數(shù)，不同環(huán)境空氣溫度下的溫度修正系數(shù)見表1。

表1 不同環(huán)境空氣溫度下的溫度修正系數(shù)表

3）對(duì)于電纜敷設(shè)路徑較長的，需要通過電壓降計(jì)算核查壓降值，確保壓降值滿足規(guī)范要求，電壓降可根據(jù)式（7）進(jìn)行計(jì)算：

式中：?U為交流3相3線制回路電壓降，%；L為電纜長度，m；I為電流，A；U為額定電壓，V；S為電纜截面積，mm2；R為電導(dǎo)率；K為導(dǎo)體溫度系數(shù)，K=1.27。注意：在高壓電纜在改造時(shí)，通常單獨(dú)敷設(shè)且電纜根數(shù)不多，故在此類改裝中高壓電纜暫不考慮電纜敷設(shè)系數(shù)。

考慮到保護(hù)裝置的動(dòng)作特性與電纜的保護(hù)協(xié)調(diào)，還需要核查斷路器的整定電流值，電纜截流量及負(fù)載額定電流，三者間的關(guān)系如下：Ic＞In；Ic＞Is；Is＞In。其中，Is為斷路器的整定電流值；Ic為電纜載流量；In為負(fù)載額定電流值。

最后，進(jìn)行設(shè)備布置設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意設(shè)備安裝空間、設(shè)備使用便利性、船廠施工難度、改裝成本等因素，綜合考慮后選擇合適的位置用于布置。而電纜路徑設(shè)計(jì)時(shí)，也需要注意相關(guān)工藝及規(guī)范的要求。例如，高壓電纜需要單獨(dú)敷設(shè)并與其它控制及信號(hào)電纜保持300 mm以上的間距、高壓電纜在機(jī)艙內(nèi)敷設(shè)時(shí)禁止穿過分油機(jī)室、高壓電纜注意盡量遠(yuǎn)離原船的熱管等。

3 船舶高壓岸電改造實(shí)例

為更好介紹關(guān)于高壓岸電的改造安裝，本文選取某公司的14 000 TEU集裝箱船作為工程實(shí)例，原船電站主要配置見表2，各工況負(fù)荷情況見表3。

表2 船舶電站主要配置

表3 原船各工況電力負(fù)荷情況（單位：kW）

從表3中可看出，該船在含有冷藏集裝箱在港的工況下，其所需功率約9 540 kW。因此，如要在靠港期間停用所有發(fā)電機(jī)，則所接岸電要大于船舶靠港需求功率。因船東額外提供參數(shù)，此工況下功率參數(shù)最大值不大于5 000 kW，因此，本項(xiàng)目所接入岸電按5 MW考慮和設(shè)計(jì)。因原船為AC 6 600 V高壓電力系統(tǒng)，其整體供電方案可以按如圖3所示進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 高壓岸電供電單線圖

確定供電方案后，可以進(jìn)行主回路斷路器選型及電纜選用。斷路器的選型及保護(hù)設(shè)定可以參考船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)中相關(guān)說明描述或通過配電廠家設(shè)計(jì)選定[5]，因篇幅有限，本文中暫不對(duì)此部分做詳細(xì)說明，此處附上本船斷路器選用型號(hào)及整定值相關(guān)參數(shù)供參考，詳見表4。

表4 電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)方案

通過所需要接入岸電功率5 MW，可以進(jìn)行岸電電流計(jì)算，見式（6），得出使用AC 6 600 V高壓岸電時(shí)電流值約為437.4 A。按照電纜截流量數(shù)據(jù)表可知3X95規(guī)格電纜截流量為205 安培/根，因此，本船高壓岸電電纜初步確定選擇使用3X95電纜3根。

在對(duì)高壓岸電系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行布置時(shí)，考慮到本船機(jī)艙棚A甲板兩舷處有較多空間，便于安裝電纜絞車以收放連岸電纜，同時(shí)，此處布置AMP連接屏，連接屏至機(jī)艙高壓配電板的電纜也相對(duì)較短，有利于減少改裝成本。因此，其布置方案見圖4。（機(jī)艙棚A甲板左舷，右舷電纜絞車布置相同）。如原船為低壓電力系統(tǒng)，需要艙內(nèi)增加6 600 V/450 V降壓變壓器的情況，還需要特別注意變壓器進(jìn)艙方案，并對(duì)設(shè)備進(jìn)艙衍生工程量進(jìn)行評(píng)估。

圖4 電纜絞車及AMP連接屏布置

4 結(jié)論

對(duì)于靠港期間對(duì)電能要求較大的船舶，通過碼頭的高壓岸電供電替代船舶自身發(fā)電機(jī)供電，全船需要的電能通過碼頭提供，基本實(shí)現(xiàn)了廢氣污染的零排放，這是應(yīng)對(duì)國際海事組織的硫排放限制和未來可能的碳、硝排放物限制的有效措施之一,因此，如何對(duì)現(xiàn)有船舶進(jìn)行可靠有效的改裝，使得大量的老舊船舶也能使用高壓岸電系統(tǒng)，其意義重大。希望本文中提到的高壓岸電的改裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其在工程實(shí)例的應(yīng)用可以為后續(xù)類似的改裝工程提供參考。