閆 峰

（上海城建國際工程有限公司，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題。供電總?cè)萘勘仨殱M足用電設(shè)備的負荷需要。單臺盾構(gòu)機用電功率在1500～2000kW。同時，盾構(gòu)機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)定等問題，該文研究了柴油發(fā)電機組的并車系統(tǒng)，解決了新德里地鐵三期CC126項目盾構(gòu)施工中的電力問題。CC126項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)達的城郊地帶。隧道單線長度700米，上下行線共1400米。整個區(qū)間地質(zhì)較好，均為粉質(zhì)砂土。隧道內(nèi)徑5.8米，采用一臺土壓平衡盾構(gòu)機進行隧道施工。

1 盾構(gòu)工程用電需求

1.1 盾構(gòu)機施工電力需求

盾構(gòu)機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。該項目所采用的盾構(gòu)機是國產(chǎn)自主品牌，其最大裝機容量為1900kVA，由自帶1100kVA和800kVA兩臺干式變壓器接地面11kV高壓實現(xiàn)供電。內(nèi)部系統(tǒng)電壓等級有400V、220V和110V。刀盤驅(qū)動電機系統(tǒng)動力電壓為400V，通過1100kVA變壓器降壓實現(xiàn)，其余電力系統(tǒng)由800kVA變壓器降壓實現(xiàn)?？紤]電力從地面至隧道的長距離輸送，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)機提供電力。

后配套系統(tǒng)是為盾構(gòu)機施工服務(wù)的，主要包括管片和渣土垂直運輸?shù)男熊嚒⑺淼郎皾{攪拌站、隧道通風(fēng)風(fēng)機、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)備裝機功率；為平均需求系數(shù)，取0.6；為機械設(shè)備效率，取0.86；cos為功率因數(shù)，取0.85。

根據(jù)計算，項目施工現(xiàn)場總用電需求見公式（2）。

式中：為盾構(gòu)機裝機容量。

1.2 面臨的主要問題

在項目初期，項目組進行了大量的調(diào)研和咨詢，當(dāng)?shù)仉娏Σ块T給出的結(jié)論均無法提供滿足項目需求的電力。項目盾構(gòu)工程面臨的具體問題主要有以下幾點。1） 項目電力需求量大，用電容量需求約2600kVA。附近所有的電網(wǎng)接入口均無法滿足電量要求。2） 盾構(gòu)施工是24小時工作，要求電力供應(yīng)穩(wěn)定可靠不可間斷，否則對盾構(gòu)刀盤前方土體的保壓會產(chǎn)生影響，有地面沉降，甚至坍塌的風(fēng)險。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，否則可能會造成電氣損壞。4） 印度德里地區(qū)電力基礎(chǔ)設(shè)施差。若要申請市政供電，政府職能部門審批手續(xù)用時超過1年，可用電纜接口在3公里外，需要鋪設(shè)長距高壓電纜。預(yù)計投入超800萬人民幣，不能滿足項目的工期和成本要求。

2 柴油發(fā)電機組并車系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)盾構(gòu)機的用電需求、項目現(xiàn)場的實際供電環(huán)境以及面臨的主要問題，柴油發(fā)電機組供電方案成了必然的選擇。

由公式（2）計算的盾構(gòu)工程項目現(xiàn)場總用電容量來設(shè)計柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)。因為發(fā)電機的使用容量還應(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、海拔高度進行修正。由于印度新德里旱季溫度高，氣溫可能超過50℃，雨季潮濕多雨，環(huán)境濕度大。因此，需對其進行修正，取修正系數(shù)0.95，見公式（3）。

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

采用多臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行，可以提高供電的連續(xù)性和可靠性，發(fā)電機并車技術(shù)是實現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵技術(shù)。且實踐證明多臺低功率柴油機組電源比單機大功率機組更加經(jīng)濟實用。柴油發(fā)電機組的長期允許容量應(yīng)能滿足機組安全停機最低限度連續(xù)運行的負荷需要。因此，根據(jù)上述裝機總需電容量計算，采用兩臺1010kVA柴油發(fā)電機和一臺725kVA的柴油發(fā)電機來進行并車供電?？紤]柴油的故障維修和定時保養(yǎng)，另配備一臺1010kVA柴油發(fā)電機作為切換備用。

在施工場地建立發(fā)電站，根據(jù)需求設(shè)置多臺柴油發(fā)電機、同步并車控制柜、升壓變壓器和低壓配電柜，以及進線裝置、出線裝置、計量裝置、過流保護、接地保護等。

2.1 柴油發(fā)電機

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

2.2 同步并車柜及其功能

當(dāng)兩臺及以上發(fā)電機組聯(lián)合在一起向負荷供電時，需要加裝發(fā)電機同步并車柜，才能達到聯(lián)合供電的要求。柴油發(fā)電機通過同步并車柜，實現(xiàn)自動同步合閘、同步并車、自動平均有功負載、負荷不平衡比例調(diào)節(jié)等自動控制，使供電系統(tǒng)具有可靠性和連續(xù)性，并能根據(jù)負載的大小，投入適當(dāng)臺數(shù)的小功率機組，以減少大功率機組小負載運行帶來的燃油浪費。

項目的四臺柴油發(fā)電機通過同步柜并車，實現(xiàn)了以下功能。1） 在盾構(gòu)機運行狀態(tài)下，兩臺1010kVA發(fā)電機（1#和2#）和1臺725kVA（4#）工作，以滿足用電要求。2） 在盾構(gòu)機待機狀態(tài)下，只需1臺1010kVA或1臺725kVA發(fā)電機工作。盾構(gòu)機在安裝或拆解階段，1臺725kVA發(fā)電機能滿足施工需求。3） 當(dāng)正常工作的3臺發(fā)電機中有一臺出現(xiàn)故障或定期維護保養(yǎng)時，3#柴油發(fā)電機可以切換啟動工作。4） 發(fā)電機并車后能根據(jù)負載需求自動進行功率分配，實現(xiàn)均衡負荷。5） 自動故障保護。當(dāng)某臺發(fā)電機組引擎發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)會快速自動切斷該機組，并發(fā)出警報，避免其他機組拖動該故障機組進入電動機狀態(tài)，加重系統(tǒng)負擔(dān)。

2.3 變壓器

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

采用變壓器升壓的主要原因如下。1） 隧道盾構(gòu)機用電屬于長距離輸送電，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)機設(shè)備電壓等級多樣，有690V、400V和220V等，從發(fā)電站到盾構(gòu)機的電路系統(tǒng)需要有升壓和降壓過程。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用分析

3.1 施工產(chǎn)量與耗電量

盾構(gòu)機在實際施工過程中有三種模式狀態(tài)，即推進模式、拼裝模式和待機模式，其對應(yīng)的用電功率如表2所示。

表2 盾構(gòu)機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)電機組會根據(jù)不同的用電需求進行切換啟停。1） 在盾構(gòu)機推進模式，兩臺1010kVA發(fā)電機和1臺725kVA發(fā)電機在75%～85%負載下工作。盾構(gòu)機推進一環(huán)所需時間在70～90min。2） 在盾構(gòu)機拼裝模式，一臺1010kVA發(fā)電機在70%～85%負載下工作。盾構(gòu)機每環(huán)的拼裝時間大概需要50～70min。3） 在盾構(gòu)機待機期間，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725kVA發(fā)電機工作，負載大概在50%～70%。4） 單臺柴油發(fā)電機不能24小時長時間運轉(zhuǎn)，需要休息和維護時間。5） 柴油機處于低負載情況下的工作時間要盡量少。

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

在整個區(qū)間上下線的實際施工過程中，盾構(gòu)機每天的施工產(chǎn)量會由于地層變化或其他原因的影響而變化，所對應(yīng)的盾構(gòu)機系統(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)機平均每天的推進環(huán)數(shù)和對應(yīng)的平均每環(huán)耗電量，如圖1所示。當(dāng)盾構(gòu)機未推進時，可以得出如下結(jié)論。1） 盾構(gòu)機待機時，耗電量明顯大于理論計算值，說明盾構(gòu)機內(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)機待機時一臺725kVA的發(fā)電機無法滿足需求，需要使用一臺1010kVA發(fā)電機為現(xiàn)場供電。2） 盾構(gòu)機平均每天推進環(huán)數(shù)少于4環(huán)/天時，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)機推進速度較慢，處于推進模式的時間較長；二是盾構(gòu)機處于拼裝模式或待機模式時，地面的柴油發(fā)電機沒有進行切換，仍然采用的是推進模式下的三臺發(fā)電機供電。3） 盾構(gòu)機推進環(huán)數(shù)超過4環(huán)/天時，耗電量呈減少趨勢；且當(dāng)推進環(huán)數(shù)達到9環(huán)/天時，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)計圖

3.2 盾構(gòu)工程柴油消耗分析

盾構(gòu)機施工一般由三個階段組成，盾構(gòu)始發(fā)階段、掘進階段、接收階段。根據(jù)CC126項目一臺盾構(gòu)機及相關(guān)配套設(shè)備完成上線501環(huán)隧道的施工過程終發(fā)電站柴油發(fā)電機的耗油量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，則每個階段柴油消耗情況如下。1） 盾構(gòu)始發(fā)階段即盾構(gòu)機掘進準備過程約1個月的工期，主要為電焊作業(yè)，總計柴油消耗約為25000L。2） 掘進階段即盾構(gòu)機掘進完成永久環(huán)產(chǎn)品的過程，工期約為4.5個月，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)機拆機退場過程，工期大約20天，總計柴油消耗約為12000L。4） 盾構(gòu)機隧道工程都是按隧道長度進行成本費用的預(yù)測和核酸的，即單位里程所需的成本是一個重要的計量對象。根據(jù)該項目柴油總消耗量計算，并考慮一定的損耗系數(shù)（取1.2），可以得出采用柴油發(fā)電機并車供電的單臺盾構(gòu)機隧道，其柴油消耗量約為400L/米。此值可以作為同類項目的成本預(yù)算的參考。

3.3 柴油發(fā)電機組的工作效率

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)場條件影響大，用電需求不斷變化，難以統(tǒng)計分析。柴油發(fā)電機組的工作效率主要以盾構(gòu)機正常掘進階段進行分析，如表3所示，統(tǒng)計了盾構(gòu)機處于正常節(jié)奏的掘進模式的總耗電量，總耗油量和工作時間。

表3 發(fā)電機組的實際工作效率

結(jié)合數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論。1） 2號1010kVA柴油發(fā)電機狀態(tài)最好，柴油轉(zhuǎn)化率3.66kWh/L，較接近于出廠參數(shù)。2） 4號725kVA柴油發(fā)電機，工作時間非常短。主要原因是其長期處于故障狀態(tài)，未能及時維修。這也導(dǎo)致其他三臺1010kVA柴油發(fā)電機工作時間較長。3） 四臺柴油發(fā)電機的平均耗油量都比較低，對照柴油機出廠參數(shù)，柴油機均處于40%以下負載工作。主要原因是盾構(gòu)機系統(tǒng)和后配套系統(tǒng)處于低耗電狀態(tài)時沒有及時切停大功率發(fā)電機和調(diào)整運行發(fā)電機的數(shù)量。

4 結(jié)論

柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)解決了印度地鐵施工中電力短缺的問題，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)電機系統(tǒng)實際的運行過程中還存在一些問題，如柴油轉(zhuǎn)化率低、發(fā)電機低負荷運行時間過長、切換發(fā)電機不及時等。在后續(xù)實踐中可以在以下幾個方面進行改進。1） 增設(shè)盾構(gòu)機和發(fā)電機系統(tǒng)的通信功能。使發(fā)電機系統(tǒng)能根據(jù)盾構(gòu)機的模式，盾構(gòu)機的功率需求變化，自動切換發(fā)電機的運轉(zhuǎn)臺數(shù)。在項目之初，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，因此該功能沒有成功使用。2） 分析盾構(gòu)機和后配套系統(tǒng)的電力實際需求，合理配置發(fā)電機組，盡量使發(fā)電機在處于70%左右負荷狀態(tài)下運行。3） 據(jù)統(tǒng)計，1010kVA柴油發(fā)電機每月的維保成本高達3萬多人民幣。探索柴油發(fā)電機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，印度政府對環(huán)保方面也有了新的要求。因空氣污染問題，印度德里地區(qū)冬季禁止柴油發(fā)電機，這對柴油發(fā)電的環(huán)保提出了更高的要求。