船舶岸电技术

第1章 绪论 　　1.1 岸电技术的提出 　　船舶电力系统是由发电机组、配电装置、电力网及用电负载等组成的完整体系总称，它与船舶的其他各个系统均有联系，是船舶系统中一个极为重要的组成部分。电能的产生、输送、分配与消耗是同时进行的，其供电的连续性、可靠性和供电品质直接影响着船舶运行的安全性、经济性和生命力。现代船舶电力系统的主电源有柴油发电机组、轴带发电机组、废气透平发电机组、蒸汽发电机组、燃气发电机组、燃料电池、风能、太阳能及潮汐能等发电方式，对于舰船还有核能发电机组，而辅助电源一般采用蓄电池组。迄今为止，船舶柴油发电机组的应用*为普遍，由于其技术成熟、性价比高、机动性强、启动快等优点，柴油发电机组目前还是船舶电力的主要电源形式。 　　船舶电站由原动机、发电机和主要配电装置组成［1］。船舶电站是船舶电力系统的核心，从设备的角度看，它由原动机、同步发电机及开关电器、保护装置、测量仪表、控制设备等构成；从系统的角度看，它由原动机调速系统与同步发电机调压系统或由整流与逆变系统组成。由于负荷的频繁切换、工况的变化、外界环境的影响等，船舶电力系统要处理各种干扰信号，船舶电力系统电压和频率的稳定性是其正常工作的必要条件，所以船舶电力系统的稳定性是其控制和管理重点，也是船舶电力系统中的一个技术难题。现代船舶电力系统的设计以*大限度地维持不间断供电为目标。随着船舶吨位增大、电气化程度提高和科学技术发展，船舶电力系统发生了显著的进步和变化。由于船电技术的发展，船舶电力系统的设备性能和供电指标有很大提高，船舶电力设备也日趋完善，同时也加强了系统承受各种突变负荷的能力。大型船及工程船等特种船舶，应用了大功率、高电压的高参数船舶电力系统，电网电压达3～10kV，电力系统高参数在船舶上的应用是技术上的一种突破，它为船舶电力系统提供了进一步发展的空间。 　　近年来，全球运输业务急剧增长，海运相比陆运和空运模式有着明显的优势，这不仅体现在对其基础设施和运输成本要求较低，还因为海运很少出现交通堵塞的问题［2，3］。全世界几乎所有的船舶均使用燃烧轻质或重质柴油的发电机自行发电，燃油辅机在发电的过程中，会排放包含氮氧化合物(NOx)、硫氧化合物(SOx)、挥发性有机化合物(VOC)和颗粒污染物(PM)在内的污染物，如图1.1所示，对港口空气及水域造成了很大的污染，同时辅机发电会产生较大的噪声，严重影响附近居民及船员的工作和生活。国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)提供的数据表明，全球以柴油为动力的船舶每年向大气排放1000万吨NOx、850万吨SOx污染物，并通过气候作用可以传播至1000km以外的地区［47］，这些有害物质已对港口所在地空气质量和气候产生了严重的影响，控制船舶停港期间的环境污染越来越受到全球港口国家的重视，世界各国港口码头纷纷寻求港口节能减排解决方案。 　　图1.1 燃油辅机排放的废气 　　采用陆地电源对靠港船舶供电的技术称为“岸电技术”，是指船舶泊靠码头时，停止所有的船舶柴油机电站运转，将船舶用电改由岸电电站提供，以降低港区污染废气的排放量。2006年，欧盟提出并通过了在欧盟范围内各个海港码头停泊船舶要使用岸电供电的法案2006/339/EC，建议成员国提出对使用岸电的优惠政策，并一起制定岸电电站国际标准，相互之间应就海港岸电供电交流经验，大力推广使用岸电［811］。为了加强港口行业节能减排，中华人民共和国交通运输部（简称交通运输部）明确提出在“十二五”末，全国海港码头中一半以上超万吨级泊位要提供岸电，推广靠港船舶使用岸电是各大港口节能减排的重点工作之一［12］。多年来，国内外很多学者试图采用先进的“电子式岸电电站装备”来彻底解决这个问题，但是研发稳定可靠的兆瓦级岸电系统装备一直是供电领域的一项重大技术难题和前沿技术，也是一项系统工程。 　　1.2 国内外岸电技术现状与分析 　　1.2.1 国内岸电技术现状 　　国内港口的船舶岸电技术研究尚处于起步阶段，2009年以来国内已有多个港口建立船用岸电试点性工程。 　　2009年，青岛港招商局国际集装箱码头有限公司首先完成了 5000吨级内贸支线集装箱码头船舶岸电改造，该系统只针对内河船只，因而应用面较窄；2010年3月，上海港外高桥二期集装箱码头运行移动式岸基船用变频变压供电系统，其主要是针对集装箱船舶；2010年10月，连云港港口首次将高压船用岸电系统应用于“中韩之星”邮轮；2011年11月～2012年1月，招商国际蛇口集装箱码头先后安装了低压岸电系统与高压岸电系统；目前福建港、宁波港、天津港等国内一些港口码头也正在进行船舶岸电系统的建设和试验［13］。国内主要应用岸电技术的码头如表1.1所示。 　　表1.1 国内主要应用岸电技术的码头 　　1. 连云港方案 　　连云港码头采用高压船舶/高压岸电的供电方案。输入侧接10kV/50Hz电网电源，经岸上变频电源变频，输出侧为6.6kV/60Hz。将变频后的高压电送至码头前沿的高压接线箱内，同时在船舶上安装配套的固定变压器［14，15］，其工作示意图如图1.2所示。 　　图1.2 连云港船用岸电系统示意图 　　连云港岸电方案：采用高压上船的模式，这样可以将电缆的数量减少为一根，而且直径较小。该方案称为“高压变频数字化船用岸电系统”，它由三部分设备组成： 　　（1）岸上的变压变频稳压稳频装置； 　　（2）船上的船载变电站（包括高压电缆卷筒）； 　　（3）在码头前沿的插接头电箱。 　　连云港岸电的优点如下： 　　（1）不间断供电，在操作过程中自动将船和岸上的负荷转移，不需要在并入与解列时断电。 　　（2）安装便捷，操作简单，首先由船港双方签订使用岸电协议，然后是船舶靠港之后，由地面操作人员按照规程将电缆接入码头前沿的高压接电箱，接好之后，船上岸电操作屏可以自动得到一个“岸电可用”的信号。按下“接入岸电”开关，则岸电自动调压、自动变频、自动调整后并网、自动转移船岸负载后脱开辅机，之后仅需将辅机关闭即可。 　　（3）全自动数字控制，船岸无线以太网通信，实现船岸实时监测、实时控制，自动电压跟踪、自动调整、自动稳压等功能。 　　（4）可以一个变频电源为多船供电。 　　（5）采用一根高压电缆上船，由于是采用6.6kV电压传输，所以一根电缆就可满足3～4MW的电力需求。 　　（6）可靠性高，除了安全保护设置，还通过了 CCS 要求的短路电流计算，使得全船的岸电系统有了安全保障。 　　该岸电方案的缺点：船舶需要改造，必须通过船舶所属国家的船级社认可。 　　2. 上海港方案 　　上海港于2010年3月22日在外高桥二期集装箱码头进行了为集装箱班轮提供岸电的尝试（输入为10kV/50Hz，输出为440V/60Hz）［16］。 　　上海港外高桥二期集装箱码头的岸电系统，采用低压船舶/低压岸电供电方案，并涉及变频技术。该方案采用移动式岸电电站，变压与变频主体结构装载在集装箱内，方便港口搬运移动，且可放置于岸边或者船舶上。电网的10kV/50Hz三相交流电压先经变压器变压到岸电电源工作电压，然后经岸电电源由50Hz变为60Hz，再降压到460V/60Hz，*后将9 根电缆连接到船上，其供电结构如图1.3所示。 　　图1.3 上海港船用岸电系统示意图 　　该岸电供电系统主体结构采用港口标准配置集装箱形式，便于港口吊运设备搬运移动，由于高低压配电、柔性连接配置要求，电源主体分为主移动舱和副移动舱两部分，如图1.4所示。变压和变频装置、高压电缆卷筒安装在主移动舱上，低压电缆卷筒安装在副移动舱上，两个移动舱都可置于码头前沿。 　　图1.4 电源主体 　　系统的基本功能如下： 　　（1）从装有高压电缆卷筒的主移动舱中，引出一根带有快速接头的电缆连接10kV的岸电接电箱，电缆*大长度为30m。 　　（2）主移动舱为40ft(1ft=0.3048m)集装箱，提供连接9个460V/60Hz快速接头的插座箱。 　　（3）副移动舱为20ft标准集装箱，配3个低压电缆卷筒，每个卷筒进线和出线各3根电缆，进线和出线的端头都装有快速插头，输入端连接主移动舱，输出端连接船上的受电箱。输出电缆长度为40m，供电缆用吊车吊入船舶。 　　（4）配置其他满足设备在港口露天环境下正常使用的辅助功能。 　　系统的基本工作原理如下： 　　（1）10kV/50Hz进入后，先进入主移动舱内高压开关柜，由高压开关柜控制高压通断。 　　（2）10kV/50Hz经高压变压器降压至720V/50Hz。高压变压器为三绕组变压器，其中一套绕组作为原绕组，另外两套绕组作为副绕组，向变频装置输出功率。高压绕组是三角形接法，副绕组一个是星型接法且中心点引出，另一个是三角形接法，互差30°电角度，这种电路可以把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲，两个整流桥产生的5、7、17、19 次谐波相互抵消。 　　（3）720V/50Hz进入低压开关柜，控制低压输出通断。720V/50Hz进入岸电电源柜的整流柜、逆变柜进行整流、逆变，将720V/50Hz变频为660V/60Hz方波，再经正弦波滤波器滤波成正弦波，*后输出到隔离变压器，变频部分采集输出460V/60Hz正弦波形成闭环控制，控制电压频率稳定。 　　该岸电方案的优点在于使用较为灵活，且无需码头提供额外电气设施。缺点是连接不方便。 　　3. 蛇口港方案 　　蛇口集装箱码头有限公司在港5#～9#泊位建设码头船用供电系统［17］，其系统平面图如图1.5所示。