低壓大容量船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計

牛高遠(yuǎn) 劉苗苗 孟凡提 賈甜 于越

（許繼電源有限公司 河南省許昌市 461000）

長期以來，我國港口或碼頭船舶靠岸時輔機(jī)多采用船用柴油發(fā)電機(jī)自行發(fā)電，而柴油機(jī)工作時向大氣中排放大量的有害氣體，船體明顯振動，并產(chǎn)生大量的噪音，對周圍生態(tài)環(huán)境、游客、工作人員都會產(chǎn)生不良影響。此外使用柴油發(fā)電機(jī)，發(fā)電效率較低，造成極大的能源資源消耗。

近年來，隨著國家對環(huán)保指標(biāo)的要求逐步提高，基于電能替代的智能化港口岸電系統(tǒng)的建設(shè)已成為必然趨勢。國家相關(guān)部門相繼出臺了一系列法規(guī)政策，對開展港口岸電設(shè)施建設(shè)作出重要部署。尤其是在長江三峽壩區(qū)具備條件的港口，根據(jù)地理、水文等條件，因地制宜設(shè)計岸電方案，推廣電能替代，構(gòu)建港區(qū)綠色智能用電體系，對改善港口水域生態(tài)，提升港口綜合用能效能具有重要意義。本文針對三峽壩區(qū)用于?？坑屋喌目瓦\碼頭，設(shè)計典型的船舶岸電系統(tǒng)。

1 船舶岸電供電系統(tǒng)分類

船舶岸電系統(tǒng)是指船舶在靠泊期間停止使用船上的發(fā)電機(jī)組，船上通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等非動力設(shè)備的運轉(zhuǎn)改為由碼頭供電，從而減少船舶廢氣排放的供電方式。船舶岸基電源系統(tǒng)作為低碳港口建設(shè)的主要環(huán)節(jié)，代表著未來港口建設(shè)發(fā)展的重要方向。

根據(jù)岸基電源、船舶類型、受電能力、電壓等級等差異，岸電供電系統(tǒng)可分為高壓岸電系統(tǒng)和低壓岸電系統(tǒng)，可支持游輪、集裝箱船、散貨船、滾裝運輸船等不同應(yīng)用場景下的船舶供電需求。不同類型的供電系統(tǒng)特點如下：

1.1 低壓船舶/低壓岸電供電

市電經(jīng)變電站降壓為6.6kV，接到碼頭岸電接電箱，因港口空間有限，6.6kV到0.4kV變電箱安裝在躉船上，船舶經(jīng)由躉船連接岸電。該方案無需對碼頭進(jìn)行改造，但部分設(shè)備需要置于躉船上。

1.2 高壓岸電/低壓船舶供電

采用6～20kV岸電上船，要求對船舶進(jìn)行改造，加裝降壓變壓器，主要給船舶上的空調(diào)、照明等非動力負(fù)載供電。

1.3 高壓岸電/高壓船舶供電

采用6.6/11kV岸電上船，直接給高壓船舶供電，此岸電系統(tǒng)只需要一組電纜向全船提供電能。

1.4 高壓岸電變頻供電方案

目前大部分岸電項目都是港口電網(wǎng)向船舶電網(wǎng)直接供電，我國供電頻率為50Hz，若要滿足國外大型船舶的需要，需要采用50Hz轉(zhuǎn)換為60Hz的變頻供電技術(shù)。

2 碼頭特點及需求容量

2.1 碼頭特點

本文選取宜昌秭歸縣某客運碼頭作為方案的應(yīng)用場景，碼頭位于長江三峽大壩上游南岸，主要?？块L江內(nèi)游船，船只排水量為10000～15000噸。碼頭為躉船式結(jié)構(gòu)，由于庫區(qū)特性，港區(qū)躉船離岸高度根據(jù)水位在175～145m范圍內(nèi)漲跌變化。碼頭岸基具有10kV供電電源，共有3個靠泊躉船，每個靠泊躉船?？?艘船舶，單艘船舶高峰用電負(fù)荷為450kW。如圖1所示，為該碼頭實景。

圖1：客運碼頭實景

2.2 需求容量

根據(jù)碼頭特點，本岸電系統(tǒng)應(yīng)建設(shè)為低壓大容量岸電電源系統(tǒng)，電源取自港口10kV/50Hz進(jìn)線，經(jīng)岸電電源系統(tǒng)將10kV高壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.4kV/50Hz低壓，并通過專用接電箱連接至船舶受電系統(tǒng)。根據(jù)船舶供電容量及泊位數(shù)量，擬建設(shè)岸電系統(tǒng)針對單船供電容量為500kVA，系統(tǒng)供電總?cè)萘繛?750 kVA。

3 總體設(shè)計原則及技術(shù)要求

3.1 總體設(shè)計原則

設(shè)計方案應(yīng)能為后期岸電建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支撐，總體應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

3.1.1 安全可靠，經(jīng)濟(jì)實用

嚴(yán)格按照港口電氣設(shè)備安全規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)備選型和建設(shè)，綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實用性，提高岸基供電系統(tǒng)的服務(wù)能力。

3.1.2 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通用開放

按照國家標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)港口岸基供電設(shè)施，同時建設(shè)岸電運營監(jiān)控系統(tǒng)，規(guī)范岸基供電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運營，提高岸電服務(wù)通用性和開放性。

3.1.3 操作便捷，智能管理

設(shè)計方案實施后應(yīng)能方便客戶操作使用和日常維護(hù)，同時由于岸電設(shè)備較為分散，應(yīng)能對每個設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控，提高岸電系統(tǒng)智能化水平。

3.2 總體技術(shù)要求

設(shè)計方案除了能滿足游輪的充電服務(wù)功能外，而且系統(tǒng)應(yīng)充分考慮安全措施，人員操作接入岸電時防止觸電，岸電運行時確保安全供電。系統(tǒng)具備完善的保護(hù)功能，符合交通部JT/T 814.2-2012《港口船舶岸基供電系統(tǒng)技術(shù)條件：低壓上船》的要求。使用環(huán)境方面，設(shè)計方案中的設(shè)備應(yīng)能適應(yīng)碼頭高溫、高濕、高腐蝕性等惡劣的環(huán)境。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1：岸電系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計方案

如圖2所示，為低壓大容量岸電系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)主要由岸上供配電設(shè)施、電纜管理系統(tǒng)、躉船岸電電源箱變、船岸連接設(shè)備及岸電監(jiān)控系統(tǒng)等組成。為滿足系統(tǒng)整體設(shè)計要求，每部分的功能配置及技術(shù)要求具體如下。

圖2：岸電系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

3.3.1 岸上供配電設(shè)施

岸上配電設(shè)施新增1座高壓開閉所，由進(jìn)線負(fù)荷開關(guān)柜、PT柜、計量柜、出線斷路器柜、站用變柜組成。開閉所進(jìn)線側(cè)連接港區(qū)外線10kV/50Hz電源，高壓出線側(cè)通過敷設(shè)高壓電纜接至高壓接電箱。技術(shù)要求如表2所示。

表2：岸上供配電設(shè)施技術(shù)要求

3.3.2 岸上高壓接電箱

共設(shè)計4臺高壓接電箱，其中1臺安裝于港口岸邊，進(jìn)線側(cè)連接高壓開閉所出線柜，輸出側(cè)連接高壓電纜管理系統(tǒng)。另3臺安裝于主箱變躉船上，其中一臺用于電纜管理系統(tǒng)至躉船10kV電纜接入，另兩臺用于主箱變至兩臺從箱變10kV電纜連接。技術(shù)要求如表3所示。

表3：高壓接電箱技術(shù)要求

3.3.3 電纜管理系統(tǒng)

高低壓電纜管理系統(tǒng)分別由1套電纜卷筒、滾輪式橋架及控制系統(tǒng)組成，用于對岸上至躉船岸電電源箱變10kV電纜，及躉船上0.4kV電纜進(jìn)行收放控制管理。技術(shù)要求如表4所示。

表4：電纜管理系統(tǒng)技術(shù)要求

3.3.4 躉船岸電電源箱變

共設(shè)置3臺岸電電源箱變，其中1臺為主箱變，另2臺為從箱變，均安裝于新增躉船上。其中，主箱變內(nèi)部包括高壓環(huán)網(wǎng)柜、降壓變壓器、低壓配電柜、系統(tǒng)控制柜、直流配電屏、無功補償柜、環(huán)境控制系統(tǒng)等；從箱變內(nèi)部包括降壓變壓器、低壓配電柜、無功補償柜、環(huán)境控制系統(tǒng)等。技術(shù)要求如表5所示。

表5：電源箱變技術(shù)要求

3.3.5 低壓接電箱

安裝在躉船上，供電容量500kVA，為靠港船舶提0.4kV/50Hz岸基電源，輸出端配置標(biāo)準(zhǔn)插接設(shè)備；技術(shù)要求與表3中高壓接電箱技術(shù)要求相同。

3.3.6 岸電監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控整套岸電設(shè)備的運行狀態(tài)，支撐岸電系統(tǒng)的運營和交易結(jié)算。技術(shù)要求在2.4節(jié)做專門詳述。

3.4 設(shè)備連接及布局方案

如圖3所示，為低壓大容量港口岸電系統(tǒng)各設(shè)備之間的連接及布局方案，岸上10kV高壓開閉所出線經(jīng)岸邊高壓接電箱接入高壓電纜管理系統(tǒng)輸入側(cè)，高壓電纜管理系統(tǒng)將岸上供配電設(shè)施輸出的高壓電纜傳送至岸下3臺箱變；每臺岸電電源箱變設(shè)置兩路低壓出線連接至兩臺岸電接電箱，單臺接電箱供電容量500kVA，接電箱通過岸電連接器可直接為6艘游輪提供岸電服務(wù)。

圖3：岸電設(shè)備連接及布局圖

3.5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

為實時掌握和控制岸電設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)對岸電系統(tǒng)的智能化管理，本方案配置專門的岸電監(jiān)控系統(tǒng)。主要實現(xiàn)對岸電系統(tǒng)的信息處理、人機(jī)界面、安全操作、統(tǒng)計分析、電量計費等功能。設(shè)計的港口岸電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4：岸電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)庫，且綜合自動化系統(tǒng)分為兩層設(shè)計，即站級控制層和間隔級控制層，其中間隔級控制層將采集和處理后的數(shù)據(jù)信號，傳輸?shù)秸炯壙刂茖?，通過通信網(wǎng)在站控層融為一體。各間隔級單元相互獨立，功能上不依賴于站控計算機(jī)，從而增強(qiáng)整個系統(tǒng)的可靠性和可用性。

如圖5所示，為岸電監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案示意圖，監(jiān)控范圍包括監(jiān)控范圍應(yīng)包括港口岸電計量裝置、高低壓開關(guān)柜、變壓器、岸電接電箱、電纜管理系統(tǒng)等設(shè)備，具體技術(shù)要求如表6所示。

表6：岸電監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求

圖5：岸電監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案示意圖

4 經(jīng)濟(jì)和社會效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)統(tǒng)計，在國家規(guī)劃的 “兩縱一橫” 岸電區(qū)域和內(nèi)河港口范圍內(nèi)，共有六千余個泊位亟待建設(shè)低壓岸電系統(tǒng)。若這些泊位實現(xiàn)岸電全覆蓋，可創(chuàng)造岸電設(shè)施建設(shè)市場空間約18億元，同時帶動船舶受電設(shè)施改造市場規(guī)模約65億元，年預(yù)計售電量達(dá)到30億千瓦時。

4.2 社會效益

一方面能夠顯著取得節(jié)能減排效益。每年可在長江等內(nèi)河水運行業(yè)減少燃油約84.82萬噸，減少二氧化碳排放約202.02萬噸，減少硫氧化物、氮氧化物排放約8.25萬噸。

另一方面能夠有效改善水域生態(tài)環(huán)境和人員生活質(zhì)量。岸電的使用可大幅減少燃油船帶來的噪聲和氣體污染，保護(hù)內(nèi)河水域優(yōu)質(zhì)環(huán)境資源和珍稀瀕危物種。同時極大提升了船舶上工作人員和游客的生活環(huán)境。

5 結(jié)語

本文首先對船舶岸電系統(tǒng)進(jìn)行了分類，然后針對傳統(tǒng)燃油船舶靠岸時產(chǎn)生大量廢氣和噪音污染問題，以宜昌秭歸縣某客運碼頭為例，依據(jù)碼頭需求特點，設(shè)計了一套低壓大容量岸電系統(tǒng)方案，主要包括電氣設(shè)計、設(shè)備連接和布局設(shè)計以及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。最后分析論證，設(shè)計方案的推廣應(yīng)用可獲得明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，在優(yōu)化生態(tài)環(huán)境的同時，大幅改善船員和游客的生活環(huán)境。