閆 峰

（上海城建國(guó)際工程有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，印度主要城市如首都新德里、經(jīng)濟(jì)中心孟買、加爾各答和東南部大城市欽奈等交通極端擁堵。為了緩解交通壓力，各地政府開始大規(guī)模興建城市地鐵。地鐵隧道施工中，盾構(gòu)法得到廣泛的應(yīng)用。而在盾構(gòu)施工中，電力供應(yīng)是首先需要解決的問(wèn)題。供電總?cè)萘勘仨殱M足用電設(shè)備的負(fù)荷需要。單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)用電功率在1500～2000kW。同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)還需要一系列的地面后配套設(shè)備支持，功率需求約700kW。針對(duì)印度普遍存在的電力基礎(chǔ)設(shè)施差、電力供應(yīng)短缺且不穩(wěn)定等問(wèn)題，該文研究了柴油發(fā)電機(jī)組的并車系統(tǒng)，解決了新德里地鐵三期CC126項(xiàng)目盾構(gòu)施工中的電力問(wèn)題。CC126項(xiàng)目位于新德里西部與哈里亞納邦交界的NAJAFGARH地區(qū)，屬于欠發(fā)達(dá)的城郊地帶。隧道單線長(zhǎng)度700米，上下行線共1400米。整個(gè)區(qū)間地質(zhì)較好，均為粉質(zhì)砂土。隧道內(nèi)徑5.8米，采用一臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工。

1 盾構(gòu)工程用電需求

1.1 盾構(gòu)機(jī)施工電力需求

盾構(gòu)機(jī)是隧道施工中的大型設(shè)備，其電力系統(tǒng)比較復(fù)雜，功率大。該項(xiàng)目所采用的盾構(gòu)機(jī)是國(guó)產(chǎn)自主品牌，其最大裝機(jī)容量為1900kVA，由自帶1100kVA和800kVA兩臺(tái)干式變壓器接地面11kV高壓實(shí)現(xiàn)供電。內(nèi)部系統(tǒng)電壓等級(jí)有400V、220V和110V。刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力電壓為400V，通過(guò)1100kVA變壓器降壓實(shí)現(xiàn)，其余電力系統(tǒng)由800kVA變壓器降壓實(shí)現(xiàn)?？紤]電力從地面至隧道的長(zhǎng)距離輸送，為保證電力供電的穩(wěn)定和減少損耗，采用11kV高壓為盾構(gòu)機(jī)提供電力。

后配套系統(tǒng)是為盾構(gòu)機(jī)施工服務(wù)的，主要包括管片和渣土垂直運(yùn)輸?shù)男熊?、隧道砂漿攪拌站、隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)、以及排污照明等設(shè)施，其主要設(shè)備用電清單如表1所示。

表1 后配套系統(tǒng)的用電清單

后配套系統(tǒng)用電總?cè)萘?，則有公式（1）。

式中：為后配套設(shè)備裝機(jī)功率；為平均需求系數(shù)，取0.6；為機(jī)械設(shè)備效率，取0.86；cos為功率因數(shù)，取0.85。

根據(jù)計(jì)算，項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)總用電需求見公式（2）。

式中：為盾構(gòu)機(jī)裝機(jī)容量。

1.2 面臨的主要問(wèn)題

在項(xiàng)目初期，項(xiàng)目組進(jìn)行了大量的調(diào)研和咨詢，當(dāng)?shù)仉娏Σ块T給出的結(jié)論均無(wú)法提供滿足項(xiàng)目需求的電力。項(xiàng)目盾構(gòu)工程面臨的具體問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)。1） 項(xiàng)目電力需求量大，用電容量需求約2600kVA。附近所有的電網(wǎng)接入口均無(wú)法滿足電量要求。2） 盾構(gòu)施工是24小時(shí)工作，要求電力供應(yīng)穩(wěn)定可靠不可間斷，否則對(duì)盾構(gòu)刀盤前方土體的保壓會(huì)產(chǎn)生影響，有地面沉降，甚至坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。3） 盾構(gòu)系統(tǒng)的電力需求是11kV高壓，要求供電電壓穩(wěn)定，不能存在較大的電壓波動(dòng)，否則可能會(huì)造成電氣損壞。4） 印度德里地區(qū)電力基礎(chǔ)設(shè)施差。若要申請(qǐng)市政供電，政府職能部門審批手續(xù)用時(shí)超過(guò)1年，可用電纜接口在3公里外，需要鋪設(shè)長(zhǎng)距高壓電纜。預(yù)計(jì)投入超800萬(wàn)人民幣，不能滿足項(xiàng)目的工期和成本要求。

2 柴油發(fā)電機(jī)組并車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的用電需求、項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際供電環(huán)境以及面臨的主要問(wèn)題，柴油發(fā)電機(jī)組供電方案成了必然的選擇。

由公式（2）計(jì)算的盾構(gòu)工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)總用電容量來(lái)設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的使用容量還應(yīng)考慮海拔、氣壓、濕度、溫度等環(huán)境的影響，須根據(jù)環(huán)境溫度、海拔高度進(jìn)行修正。由于印度新德里旱季溫度高，氣溫可能超過(guò)50℃，雨季潮濕多雨，環(huán)境濕度大。因此，需對(duì)其進(jìn)行修正，取修正系數(shù)0.95，見公式（3）。

式中：為柴油發(fā)電機(jī)需考慮的總?cè)萘?；為施工現(xiàn)場(chǎng)總用電容量。

采用多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，可以提高供電的連續(xù)性和可靠性，發(fā)電機(jī)并車技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵技術(shù)。且實(shí)踐證明多臺(tái)低功率柴油機(jī)組電源比單機(jī)大功率機(jī)組更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。柴油發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期允許容量應(yīng)能滿足機(jī)組安全停機(jī)最低限度連續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷需要。因此，根據(jù)上述裝機(jī)總需電容量計(jì)算，采用兩臺(tái)1010kVA柴油發(fā)電機(jī)和一臺(tái)725kVA的柴油發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行并車供電。考慮柴油的故障維修和定時(shí)保養(yǎng)，另配備一臺(tái)1010kVA柴油發(fā)電機(jī)作為切換備用。

在施工場(chǎng)地建立發(fā)電站，根據(jù)需求設(shè)置多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)、同步并車控制柜、升壓變壓器和低壓配電柜，以及進(jìn)線裝置、出線裝置、計(jì)量裝置、過(guò)流保護(hù)、接地保護(hù)等。

2.1 柴油發(fā)電機(jī)

為了便于并車控制，四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)選用同一品牌，即印度當(dāng)?shù)啬芴峁┘夹g(shù)服務(wù)且性價(jià)比較高的卡特彼勒（CATERPILLAR C32）柴油發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)均為低壓發(fā)電機(jī)，輸出電壓為415V；且當(dāng)負(fù)載為70%～100%時(shí)，發(fā)電機(jī)燃料消耗率最佳。1010kVA發(fā)電機(jī)的最大輸出電功率為808kW，725kVA發(fā)電機(jī)的最大輸出電功率為580kW。柴發(fā)電機(jī)的燃油消耗隨負(fù)載的增加而增加，在50%、75%、100%負(fù)載下對(duì)應(yīng)的每小時(shí)理論耗油量分別為109.3L、156.8L和207.5L。

2.2 同步并車柜及其功能

當(dāng)兩臺(tái)及以上發(fā)電機(jī)組聯(lián)合在一起向負(fù)荷供電時(shí)，需要加裝發(fā)電機(jī)同步并車柜，才能達(dá)到聯(lián)合供電的要求。柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)同步并車柜，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步合閘、同步并車、自動(dòng)平均有功負(fù)載、負(fù)荷不平衡比例調(diào)節(jié)等自動(dòng)控制，使供電系統(tǒng)具有可靠性和連續(xù)性，并能根據(jù)負(fù)載的大小，投入適當(dāng)臺(tái)數(shù)的小功率機(jī)組，以減少大功率機(jī)組小負(fù)載運(yùn)行帶來(lái)的燃油浪費(fèi)。

項(xiàng)目的四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)同步柜并車，實(shí)現(xiàn)了以下功能。1） 在盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，兩臺(tái)1010kVA發(fā)電機(jī)（1#和2#）和1臺(tái)725kVA（4#）工作，以滿足用電要求。2） 在盾構(gòu)機(jī)待機(jī)狀態(tài)下，只需1臺(tái)1010kVA或1臺(tái)725kVA發(fā)電機(jī)工作。盾構(gòu)機(jī)在安裝或拆解階段，1臺(tái)725kVA發(fā)電機(jī)能滿足施工需求。3） 當(dāng)正常工作的3臺(tái)發(fā)電機(jī)中有一臺(tái)出現(xiàn)故障或定期維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，3#柴油發(fā)電機(jī)可以切換啟動(dòng)工作。4） 發(fā)電機(jī)并車后能根據(jù)負(fù)載需求自動(dòng)進(jìn)行功率分配，實(shí)現(xiàn)均衡負(fù)荷。5） 自動(dòng)故障保護(hù)。當(dāng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)組引擎發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)快速自動(dòng)切斷該機(jī)組，并發(fā)出警報(bào)，避免其他機(jī)組拖動(dòng)該故障機(jī)組進(jìn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，加重系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

2.3 變壓器

變壓器需要根據(jù)設(shè)備的用電負(fù)荷確定最佳容量。選擇容量過(guò)大會(huì)造成不必要的空載消耗。選擇容量過(guò)小會(huì)造成滿負(fù)荷工作時(shí)效率降低，不能獲得最佳負(fù)荷的效果，長(zhǎng)期的過(guò)負(fù)荷會(huì)造成嚴(yán)重的后果。變壓器的最高效率出現(xiàn)在滿負(fù)荷的50%～70%。根據(jù)計(jì)算和實(shí)際情況，選用了額定容量為2000kVA（415V/11kV）的變壓器進(jìn)行升壓，然后經(jīng)高壓電纜接至盾構(gòu)機(jī)的高壓開關(guān)柜。

采用變壓器升壓的主要原因如下。1） 隧道盾構(gòu)機(jī)用電屬于長(zhǎng)距離輸送電，輸送距離一般500～3000m，為了減小壓降，保證供電穩(wěn)定性，采用11kV高壓輸送。2） 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備電壓等級(jí)多樣，有690V、400V和220V等，從發(fā)電站到盾構(gòu)機(jī)的電路系統(tǒng)需要有升壓和降壓過(guò)程。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 施工產(chǎn)量與耗電量

盾構(gòu)機(jī)在實(shí)際施工過(guò)程中有三種模式狀態(tài)，即推進(jìn)模式、拼裝模式和待機(jī)模式，其對(duì)應(yīng)的用電功率如表2所示。

表2 盾構(gòu)機(jī)三種模式下的用電功率

在不同的模式下，施工用電需求不一樣。在保證施工效率的情況下，為了節(jié)省能源，發(fā)電機(jī)組會(huì)根據(jù)不同的用電需求進(jìn)行切換啟停。1） 在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)模式，兩臺(tái)1010kVA發(fā)電機(jī)和1臺(tái)725kVA發(fā)電機(jī)在75%～85%負(fù)載下工作。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)一環(huán)所需時(shí)間在70～90min。2） 在盾構(gòu)機(jī)拼裝模式，一臺(tái)1010kVA發(fā)電機(jī)在70%～85%負(fù)載下工作。盾構(gòu)機(jī)每環(huán)的拼裝時(shí)間大概需要50～70min。3） 在盾構(gòu)機(jī)待機(jī)期間，主要用電為照明，水泵和電焊作業(yè)等低耗電設(shè)備。只需要1臺(tái)725kVA發(fā)電機(jī)工作，負(fù)載大概在50%～70%。4） 單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)不能24小時(shí)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，需要休息和維護(hù)時(shí)間。5） 柴油機(jī)處于低負(fù)載情況下的工作時(shí)間要盡量少。

因此，基于以上幾點(diǎn)，柴油發(fā)電機(jī)根據(jù)用電需求進(jìn)行切換啟停能有效提高柴油機(jī)發(fā)電機(jī)利用率，并減少節(jié)省柴油消耗量。

在整個(gè)區(qū)間上下線的實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)每天的施工產(chǎn)量會(huì)由于地層變化或其他原因的影響而變化，所對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)和后配套系統(tǒng)的耗電量也不同。分析均衡條件下盾構(gòu)機(jī)平均每天的推進(jìn)環(huán)數(shù)和對(duì)應(yīng)的平均每環(huán)耗電量，如圖1所示。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)未推進(jìn)時(shí)，可以得出如下結(jié)論。1） 盾構(gòu)機(jī)待機(jī)時(shí)，耗電量明顯大于理論計(jì)算值，說(shuō)明盾構(gòu)機(jī)內(nèi)電焊、水泵、注漿等的輔助設(shè)備需求率大大提高。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)待機(jī)時(shí)一臺(tái)725kVA的發(fā)電機(jī)無(wú)法滿足需求，需要使用一臺(tái)1010kVA發(fā)電機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)供電。2） 盾構(gòu)機(jī)平均每天推進(jìn)環(huán)數(shù)少于4環(huán)/天時(shí)，耗電量與施工產(chǎn)量呈正相關(guān)，且平均每環(huán)的耗電量明顯較大。主要有兩方面原因：一是此階段盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度較慢，處于推進(jìn)模式的時(shí)間較長(zhǎng)；二是盾構(gòu)機(jī)處于拼裝模式或待機(jī)模式時(shí)，地面的柴油發(fā)電機(jī)沒(méi)有進(jìn)行切換，仍然采用的是推進(jìn)模式下的三臺(tái)發(fā)電機(jī)供電。3） 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)環(huán)數(shù)超過(guò)4環(huán)/天時(shí)，耗電量呈減少趨勢(shì)；且當(dāng)推進(jìn)環(huán)數(shù)達(dá)到9環(huán)/天時(shí)，耗電量與產(chǎn)量處于最佳。

圖1 施工產(chǎn)量與平均每環(huán)耗電量統(tǒng)計(jì)圖

3.2 盾構(gòu)工程柴油消耗分析

盾構(gòu)機(jī)施工一般由三個(gè)階段組成，盾構(gòu)始發(fā)階段、掘進(jìn)階段、接收階段。根據(jù)CC126項(xiàng)目一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備完成上線501環(huán)隧道的施工過(guò)程終發(fā)電站柴油發(fā)電機(jī)的耗油量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，則每個(gè)階段柴油消耗情況如下。1） 盾構(gòu)始發(fā)階段即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)準(zhǔn)備過(guò)程約1個(gè)月的工期，主要為電焊作業(yè)，總計(jì)柴油消耗約為25000L。2） 掘進(jìn)階段即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成永久環(huán)產(chǎn)品的過(guò)程，工期約為4.5個(gè)月，地面后配套設(shè)備的耗油量為75～200L/環(huán)，平均每環(huán)的耗油量為99L，盾構(gòu)機(jī)的耗油量為250～450L/環(huán)，平均每環(huán)的耗油量為297L。3） 接受階段即盾構(gòu)機(jī)拆機(jī)退場(chǎng)過(guò)程，工期大約20天，總計(jì)柴油消耗約為12000L。4） 盾構(gòu)機(jī)隧道工程都是按隧道長(zhǎng)度進(jìn)行成本費(fèi)用的預(yù)測(cè)和核酸的，即單位里程所需的成本是一個(gè)重要的計(jì)量對(duì)象。根據(jù)該項(xiàng)目柴油總消耗量計(jì)算，并考慮一定的損耗系數(shù)（取1.2），可以得出采用柴油發(fā)電機(jī)并車供電的單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)隧道，其柴油消耗量約為400L/米。此值可以作為同類項(xiàng)目的成本預(yù)算的參考。

3.3 柴油發(fā)電機(jī)組的工作效率

始發(fā)階段和接收階段不確定因素較多，施工節(jié)奏受現(xiàn)場(chǎng)條件影響大，用電需求不斷變化，難以統(tǒng)計(jì)分析。柴油發(fā)電機(jī)組的工作效率主要以盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)階段進(jìn)行分析，如表3所示，統(tǒng)計(jì)了盾構(gòu)機(jī)處于正常節(jié)奏的掘進(jìn)模式的總耗電量，總耗油量和工作時(shí)間。

表3 發(fā)電機(jī)組的實(shí)際工作效率

結(jié)合數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論。1） 2號(hào)1010kVA柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)最好，柴油轉(zhuǎn)化率3.66kWh/L，較接近于出廠參數(shù)。2） 4號(hào)725kVA柴油發(fā)電機(jī)，工作時(shí)間非常短。主要原因是其長(zhǎng)期處于故障狀態(tài)，未能及時(shí)維修。這也導(dǎo)致其他三臺(tái)1010kVA柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)間較長(zhǎng)。3） 四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的平均耗油量都比較低，對(duì)照柴油機(jī)出廠參數(shù)，柴油機(jī)均處于40%以下負(fù)載工作。主要原因是盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)和后配套系統(tǒng)處于低耗電狀態(tài)時(shí)沒(méi)有及時(shí)切停大功率發(fā)電機(jī)和調(diào)整運(yùn)行發(fā)電機(jī)的數(shù)量。

4 結(jié)論

柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)解決了印度地鐵施工中電力短缺的問(wèn)題，系統(tǒng)可靠、電壓輸出穩(wěn)定，在施工中取得了良好的效果。為欠發(fā)達(dá)電力短缺地區(qū)城市地鐵盾構(gòu)施工、山區(qū)隧道盾構(gòu)施工等的電力供應(yīng)提供了工程案例參考。

在柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，如柴油轉(zhuǎn)化率低、發(fā)電機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、切換發(fā)電機(jī)不及時(shí)等。在后續(xù)實(shí)踐中可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。1） 增設(shè)盾構(gòu)機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的通信功能。使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的模式，盾構(gòu)機(jī)的功率需求變化，自動(dòng)切換發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)。在項(xiàng)目之初，系統(tǒng)設(shè)置了該功能，由于集成度不高和響應(yīng)速度慢等原因，因此該功能沒(méi)有成功使用。2） 分析盾構(gòu)機(jī)和后配套系統(tǒng)的電力實(shí)際需求，合理配置發(fā)電機(jī)組，盡量使發(fā)電機(jī)在處于70%左右負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。3） 據(jù)統(tǒng)計(jì)，1010kVA柴油發(fā)電機(jī)每月的維保成本高達(dá)3萬(wàn)多人民幣。探索柴油發(fā)電機(jī)合理維保周期和維保內(nèi)容，降低維保成本也顯得意義重大。4） 近些年來(lái)，印度政府對(duì)環(huán)保方面也有了新的要求。因空氣污染問(wèn)題，印度德里地區(qū)冬季禁止柴油發(fā)電機(jī)，這對(duì)柴油發(fā)電的環(huán)保提出了更高的要求。