沈 愷，楊金國(guó)，顧健飛,苗 青

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.32119部隊(duì)，吉林 集安 134200)

0 引言

隨著國(guó)際貿(mào)易的迅速發(fā)展，進(jìn)出沿海港口的集裝箱船和各類(lèi)型的集裝箱數(shù)量日益增多，冷藏集裝箱運(yùn)輸越來(lái)越發(fā)達(dá)。全冷集裝箱船上的冷藏集裝箱多達(dá)上千只，集裝箱船越來(lái)越大型化，這大大增加了船舶電站的容量。一般冷藏箱功率在10 MW左右及以上均采用中高壓電力系統(tǒng)，但中高壓電力系統(tǒng)配置中高壓配電板、大型變壓器及中高壓電纜時(shí)，需要很大的布置空間。特別是大型變壓器，電力轉(zhuǎn)換消耗大，能量比差，除了需要大空間外還需要提供散熱設(shè)計(jì)。為克服中高壓電力系統(tǒng)的不足，近年來(lái)發(fā)電機(jī)效率不斷提高，開(kāi)關(guān)技術(shù)、雙母排技術(shù)也不斷發(fā)展，這使得大容量低壓電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為可能。2020年，簡(jiǎn)化的電力系統(tǒng)在新型15 000 TEU集裝箱船上得到成功應(yīng)用。該系統(tǒng)使用低壓配電系統(tǒng)取代了現(xiàn)有的高壓配電系統(tǒng)，并獲得了DNV·GL船級(jí)社原則上批準(zhǔn)(AIP)。該系統(tǒng)通過(guò)消除每艘船的電壓轉(zhuǎn)換節(jié)省了大約32萬(wàn)美元，同時(shí)增加了冷藏箱的裝箱量[1]。

本文以910 FEU全冷集裝箱船為研究對(duì)象，將中高壓電力系統(tǒng)和低壓電力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合電力負(fù)荷估算及發(fā)電機(jī)優(yōu)化選型，進(jìn)行預(yù)估短路電流計(jì)算，分析大功率電站低壓電力系統(tǒng)在該船上的可行性。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 電力負(fù)荷計(jì)算

910 FEU全冷集裝箱船的大型用電設(shè)備主要包括冷藏箱、克令吊、混合式脫硫塔、艏側(cè)推等，其中用電比重最大的還是冷藏箱，因此電力負(fù)荷計(jì)算主要估算冷藏集裝箱的裝載負(fù)荷系數(shù)。目前，英國(guó)勞氏船級(jí)社(LR)規(guī)范建議冷藏集裝箱運(yùn)行的不同時(shí)系數(shù)要不小于0.75。挪威船級(jí)社(DNV)對(duì)此有專(zhuān)門(mén)的分析和規(guī)定，用冷卻比例百分比Cd來(lái)表示預(yù)期同時(shí)工作在冷卻模式下的冷藏箱數(shù)量除以冷藏箱總數(shù)量，見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1對(duì)整個(gè)冷藏集裝箱功率進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)總共需要4臺(tái)功率在2 500 kW以上的發(fā)電機(jī)。由于國(guó)際上一般將2.0～2.5 MW確定為低壓發(fā)電機(jī)組的容量上限(國(guó)內(nèi)船用低壓發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量一般不超過(guò)1.5 MW)，在容量超過(guò)10 MW的船舶上安裝六七臺(tái)甚至更多的發(fā)電機(jī)顯然不合理，這也是引入中壓電的原因之一[1]。

為了加大采用低壓系統(tǒng)的可行性，有必要對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)上述幾個(gè)大型設(shè)備的系數(shù)需要進(jìn)行合理調(diào)節(jié)；然后和船東對(duì)航線、碼頭及冷藏箱裝載使用率進(jìn)行分析，估算平均每個(gè)冷箱功率為4.2 kW左右，比之前根據(jù)規(guī)范估算的要低；最終確定使用4臺(tái)主發(fā)電機(jī)，每臺(tái)額定功率為2 300 kW，這個(gè)功率大大提高了低壓系統(tǒng)運(yùn)用的可行性。

1.2 中壓電力系統(tǒng)

中壓電力系統(tǒng)采用電壓6.6 kV、頻率60 Hz、3相3線絕緣系統(tǒng)中性點(diǎn)接地系統(tǒng)[2]。6.6 kV中壓配電裝置由主發(fā)電機(jī)控制屏、日用變壓器控制屏、冷藏變壓器控制屏、艏側(cè)推器控制屏、匯流排隔離屏及接地屏、同步屏和分段屏等組成，按照法規(guī)要求整個(gè)匯流排須通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)分成2個(gè)獨(dú)立的分段。由于中壓配電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隔離開(kāi)關(guān)和分段母線引上需由2屏組合構(gòu)成，每屏只能裝1個(gè)斷路器，所以整個(gè)配電板屏數(shù)較多。同時(shí)，系統(tǒng)還需配置6套常用的低壓配電板裝置、照明生活用變壓器、冷藏集裝箱配電裝置，在冷藏集裝箱配電板裝置之間母聯(lián)開(kāi)關(guān)通過(guò)電纜連接。由于采用中高壓6 600 V、功率為2 300 kW的額定電流僅為252 A，系統(tǒng)最大短路電流預(yù)估7 kA，中壓斷路器都能滿足要求。

1.3 低壓電力系統(tǒng)

1.3.1 低壓系統(tǒng)的方案可行性分析

大型全冷箱船電站功率大，一般采用中高壓電力系統(tǒng)的方案，但會(huì)帶來(lái)配電裝置龐大及變壓器數(shù)量較多的問(wèn)題，影響整個(gè)系統(tǒng)布置，且經(jīng)濟(jì)性很差。對(duì)低壓系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析，其關(guān)鍵點(diǎn)在于整個(gè)電網(wǎng)的短路電流與配電系統(tǒng)是否能夠相互匹配。

根據(jù)預(yù)估計(jì)算，主匯流排上的短路電流應(yīng)是最大的?？紤]到本項(xiàng)目發(fā)電機(jī)的特殊情況，發(fā)電機(jī)直軸超瞬態(tài)電抗預(yù)估盡量選小，為11%。通過(guò)預(yù)估公式，對(duì)稱(chēng)短路值大約為134 kA，峰值為341 kA。雖然快要到達(dá)極限值，但沒(méi)有超過(guò)低壓開(kāi)關(guān)的極限值，即使后期因參數(shù)變化，也在可控范圍內(nèi)，因此采用低壓系統(tǒng)方案是可行的。

1.3.2 發(fā)電機(jī)選型與短路電流計(jì)算優(yōu)化

結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和高效性對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行選型，每臺(tái)發(fā)電功率要求2 300 kW，柴油機(jī)的額定功率點(diǎn)就要盡量接近這個(gè)值，以免柴油機(jī)跨檔和加缸，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組外尺寸加大，且費(fèi)用昂貴。最終發(fā)電機(jī)型號(hào)選擇為HFJ 5718-14K-S-L，柴油機(jī)功率為2 384 kW，使用效率達(dá)到97%。

在提高發(fā)電機(jī)效率的同時(shí)，發(fā)電機(jī)直軸超瞬態(tài)電抗的值就會(huì)相應(yīng)變小，選用的發(fā)電機(jī)直軸超瞬態(tài)電抗僅僅為0.96%，已經(jīng)超出了預(yù)估值。這就意味著整個(gè)電網(wǎng)的短路將會(huì)變得很大，這對(duì)低壓開(kāi)關(guān)的選型帶來(lái)非常大的困難。一旦數(shù)值超大，超多低壓開(kāi)關(guān)的極限值，則需要重新選用中高壓方案，這對(duì)船舶電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是個(gè)顛覆性的修改。所以，一定要保證短路計(jì)算的結(jié)果滿足相關(guān)使用值。

因此，對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)的電纜進(jìn)行合理加長(zhǎng)，可增加系統(tǒng)內(nèi)的阻抗值，從而減小短路電流值。另外，通過(guò)比對(duì)減小系統(tǒng)中電機(jī)的同時(shí)使用系統(tǒng)，可以減少電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)中電機(jī)等效電路的功率值，從而減小短路電流值。

通過(guò)最終的短路電流計(jì)算書(shū)發(fā)現(xiàn)：最大對(duì)稱(chēng)短路電流Iac=118 kA，最大短路電流峰值Ip=324 kA。常規(guī)項(xiàng)目選Iac值基本就能滿足要求，一般不用考慮峰值。而這個(gè)項(xiàng)目是需要以Ip值選型，所以最終開(kāi)關(guān)選型是施耐德最高的分?jǐn)嗄芰Φ燃?jí)R型。

1.3.3 母排的選擇和配電板布置優(yōu)化

根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算，由于4臺(tái)發(fā)電機(jī)有同時(shí)工作的工況，總功率為9 200 kW，配電板母排的電流會(huì)非常大，所以采用配電板雙母排的方案。水平母線設(shè)計(jì)，位于柜體后上部，用絕緣子固定，銅排相間距105 mm，5 mm厚扁平銅排，最多每相5片排，雙水平母線，最大至7 300 A?？紤]到雙母排配電板方案，整個(gè)配電板的尺寸會(huì)非常大，對(duì)配電板和集控室布置進(jìn)行優(yōu)化，將AC110 V饋電屏獨(dú)立出來(lái)，外形由一字型改成槽型。

最終經(jīng)過(guò)核算，從發(fā)電機(jī)耐受曲線與相應(yīng)開(kāi)關(guān)的參數(shù)及整個(gè)短路電流計(jì)算書(shū)可知，整個(gè)設(shè)計(jì)滿足船級(jí)社規(guī)范及相關(guān)法規(guī)要求，同時(shí)也滿足了船東實(shí)際使用要求。

1.4 電站功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶電站是船舶電氣系統(tǒng)的重要核心部分，而電站自動(dòng)化是船舶自動(dòng)化的主要組成部分。電站運(yùn)行的穩(wěn)定性、合理性及自動(dòng)化程度對(duì)保證船舶航行安全性、經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文研究的全冷集裝箱船電站管理系統(tǒng)是集成到船舶綜合控制系統(tǒng)里，是一個(gè)高穩(wěn)定性、全面性的網(wǎng)絡(luò)型多工作站分布式電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

經(jīng)電力負(fù)荷計(jì)算，冷藏箱的功率約占到整船總功率的41%，其他用電設(shè)備的功率大致占到整船總功率的59%。另外，由于船舶模式變化較多，如：航行模式、停泊模式、進(jìn)出港模式、裝卸貨模式等，其中還有Tirell 3模式、是否帶冷藏箱，船舶電力系統(tǒng)的用電負(fù)載變化會(huì)非常頻繁。尤其是在如此大的電站容量下，由于冷藏集裝箱船對(duì)集裝箱的控制相互獨(dú)立，全船的負(fù)荷功率可能會(huì)出現(xiàn)峰值功率和峰谷差更大。對(duì)于該問(wèn)題，本文通過(guò)采集冷藏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及裝載計(jì)算系統(tǒng)的裝載數(shù)據(jù)，由電站管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，將相關(guān)信息反饋給冷箱工作人員，在不減少貨物質(zhì)量和船上電力安全的原則上，對(duì)冷藏集裝箱運(yùn)行總功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、其他負(fù)載總功率預(yù)測(cè)和船舶電站控制，將冷藏集裝箱作為蓄能單元，通過(guò)科學(xué)調(diào)節(jié)冷藏集裝箱運(yùn)行總功率，達(dá)到削峰填谷和維持全船功率基本平衡的作用。在電站容量不變的情況下，冷藏集裝箱船可以提高冷藏箱的裝載數(shù)量，降低運(yùn)營(yíng)成本。

1.5 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

在物量費(fèi)用方面，通過(guò)表1的對(duì)比可以看出低壓電力系統(tǒng)無(wú)論從系統(tǒng)配置的數(shù)量上，還是單個(gè)設(shè)備的費(fèi)用上，都比中高壓系統(tǒng)節(jié)省。整個(gè)系統(tǒng)預(yù)估節(jié)省的費(fèi)用約為40萬(wàn)美元。

表1 中高壓與低壓電力系統(tǒng)主要配置差異

2 實(shí)船驗(yàn)證

雙母排設(shè)計(jì)的配電板工廠試驗(yàn)(FAT試驗(yàn))的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅滿足規(guī)范和使用要求，而且優(yōu)于上述要求。FAT試驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 FAT試驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)在已定下電站容量的情況下，一定要在掌握完整數(shù)據(jù)后，對(duì)電力負(fù)荷計(jì)算優(yōu)化，以降低電站功率，減小短路電流。

(2)為提高機(jī)組的利用率和減少能源的消耗，盡量使用高效率的發(fā)電機(jī)組，但同時(shí)也要注意直軸超瞬態(tài)電抗數(shù)值的變化。因?yàn)殡S著效率的提高，這個(gè)值很容易變小，從而會(huì)加大短路電流數(shù)值。這個(gè)須根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目，找到兩者的平衡點(diǎn)。

(3)由于大容量電站的短路電流是很靠近極限值的，因此每個(gè)環(huán)節(jié)都需要仔細(xì)核算，避免在后期更換方案。

(4)該系統(tǒng)已在910 FEU全冷集裝箱船上成功應(yīng)用。營(yíng)運(yùn)中，整個(gè)低壓電力系統(tǒng)運(yùn)行正常，并得到船東的好評(píng)。