自動化碼頭供電系統設計

孔德鵬，武冰潔

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

隨著社會經濟的發展和科技的進步，集裝箱碼頭開始向節能、環保、安全、快捷與低成本方向發展。近年來，在世界多個國家的重要港口新建了多座自動化集裝箱碼頭。自動化集裝箱碼頭與傳統集裝箱碼頭存在很多不同，主要體現在碼頭至堆場間的水平運輸環節、堆場作業環節以及車輛進出閘口環節等。

自動化碼頭主要通過自動導向小車AGV 將集裝箱從集裝箱裝卸橋運至自動化軌道吊 ARMG，再通過自動化軌道吊ARMG 傳感器完成行走和定位，并將集裝箱運送至后方堆場。在進行集裝箱裝卸過程中，自動導向小車AGV 還需完成充電過程。全部生產環節過程需要各控制系統相互配合才可以實現集裝箱高效的轉運和存儲[1]。

由于自動化本身特殊的工藝要求，自動化碼頭與傳統碼頭相比呈現出供電點多，供電連續性要求高的特點。并且為了保障供電可靠性、碼頭運行效率以及維護人員便捷性等方面，自動化碼頭的供電系統設計顯得尤為重要。因此，本文結合北方某自動化碼頭項目，提出供電系統設計方案，并將其運用到工程設計與生產中。

1 供電負荷種類

碼頭為4 個10 萬t 級集裝箱泊位，后方有39條集裝箱堆場。為滿足供電需要，在各泊位后方輔建區內，共設置4 個10 kV 變電所?？偲矫娌贾脠D如圖1 所示。

圖1 自動化碼頭總平面布置示意圖

表1 自動化碼頭負荷種類

與傳統集裝箱碼頭不同，自動導向小車供電裝置是自動化項目新增供電設備，船舶岸電設備也是近年全國開始推廣的船舶節能設備。本文將對以上兩點進行重點分析與總結。

1.1 海側交換區

本工程共布置了39 個堆場，每個堆場在海側均設置了海側交換區，海側交換區主要用于將集裝箱從自動導向小車上轉運至軌道吊。每個海側交換區由兩部分組成：四個自動導向小車充電位和轉運平臺，并在每個充電區內各設置一條滑觸線用于自動導向小車充電。海側交換區布置如圖2 所示。

圖2 海側交換區平面圖

自動導向小車充電流程是：在自動導向小車駛入充電位過程中，當自動導向小車充電刷與滑觸線接觸后便開始充電，同時將集裝箱運至平臺等待軌道吊吊運。待軌道吊運走集裝箱后，自動導向小車駛離海側交換區，電刷與滑觸線分離，完成一側充電過程。整個充電過程大約兩分鐘。

1.2 船舶岸電系統

當今世界主要港口碼頭已開始廣泛使用岸電系統。以往船舶靠港停泊后，燃油發電機繼續運轉，通過燃油發電的方式為船舶負荷供電。燃油在燃燒過程中產生大量有害氣體，對港口城市造成了巨大的環境污染。目前國際上許多港口管理部門要求船舶靠港期間必須使用岸電系統。主要目的是降低硫化物、氮氧化合物以及噪聲等污染，同時岸上用電成本低于燃油發電成本，可降低船舶的運行費用。

目前，船舶供電系統主要有三相交流 400 V/ 50 Hz、440 V/60 Hz 和 6.6 k V/60 Hz 三種電壓等級。國際上主要大型港口供電系統如表 2 所示[3]。

表2 國際大型港口船舶供電系統

我國的船舶電壓一般采用的是 440 V/50 Hz 或者380 V/50 Hz，而國際上的船舶用電頻率以 60 Hz 居多，電壓為 440 V 或者6.6 kV 等。

2 供電方案

2.1 AGV 充電系統

本工程采用的AGV 單臺設備功率為250 kW，充電電壓為380 V/50 Hz。充電電流最大值為400 A，功率因數約0.95。充電時采用滑觸線供電。

每個海側交換區設置4 個充電位，根據計算機模擬結果，4 個充電位需滿足3 臺AGV 最大電流同時充電。相鄰4 個交換區，16 個充電位，AGV 同時充電率為50 %。

根據公式

口腔正畸技術現已不斷改善，但仍可發生牙痛、牙周病、咀嚼功能障礙等情況[1]。牙周膜內血管、神經豐富，口腔正畸導致牙周膜內形成缺血區，引起無菌性壞死，導致炎癥及疼痛，從而降低患者的治療接受程度，影響療效[2]?？谇徽鳛橐环N有創治療方式，可能引起一定程度的應激反應，可加以抗菌藥物治療[3]。酚咖片有良好的鎮痛效果，甲硝唑通過抑制細菌脫氧核糖核酸合成，影響細菌的生長及繁殖，導致細菌凋亡[4-5]。本研究旨在分析酚咖片聯合甲硝唑治療口腔正畸牙痛的臨床效果?，F報道如下。

可知，4 個交換區的充電功率為2 000 kW，充電總電流為3 200 A。根據以上計算，AGV 充電方案為每4 個交換區設置1 座箱式變電站。20 個海側交換區共設置5 座箱式變電站。根據目前掌握的數據，AGV 在電池電量為35 %的工況下，實測充電8 分鐘，AGV 電池可充電至80 %以上，充電2 分鐘，可充電至50 %以上?？蓾M足AGV 一次作業的用電需求。

AGV 供電接地系統采用了IT 接地系統，充電箱變中性點不接地工作制，每一段滑觸線均需單獨設置接地極，且接地電阻不大于4 歐姆。但是在充電中，通過示波器也發現，存在有較多諧波。這會對電池和IGBT 長期使用造成影響。所以在設計AGV 充電箱變站內配電柜布局時，需預留濾波器設備位置。

2.2 船舶岸電系統

1）岸電方案

結合此自動化碼頭國際定位以及實際?？看扒闆r。確定本項目船舶的電網頻率為60 Hz，配電電壓為6.6 kV，項目初期設置一套岸電系統，負責兩個泊位的船舶用電。岸電系統輸入電壓為 10 kV/50 Hz，輸出電壓為6.6 kV/60 Hz 或 6 kV/ 50 Hz，岸電系統容量為5 MVA。岸電系統單線圖如圖3 所示[2]。

圖3 岸電系統單線圖

2）岸電設備選擇

岸電系統各設備放置于變電所，輸入電源為 10 kV（50 Hz），經過降壓、逆變、濾波等環節后，輸出岸電電源三相6.6 kV（60 Hz）或6 kV（50 Hz）。

其中10 kV 側進線和6.6 kV 側進線和饋線采用真空斷路器，斷路器采用電動操作；并且為確保人員和設備安全，在10 kV 和6.6 kV 開關柜內設置微機綜保裝置，具有過壓、過流、速斷、過載、缺相等保護功能。主要設備及要求如下[4]：

10 kV 開關設備共配置3 臺，6.6 kV 開關設備共配置5 臺，均采用手車式開關柜，并且設置過電流和速斷保護，柜體可采用KYN28 型柜體，也可采用各品牌開關柜。

輸出變壓器用于將船-岸兩側電網進行隔離。采用接線方式為Dy11 的隔離變壓器，并配置溫度保護。隔離變壓器在選型時需選擇在60 Hz 和50 Hz兩種模式下均可運行的產品。

為滿足應急需要，在岸電系統控制柜上還設置有應急停止按鈕，可迅速斷開系統配電柜斷路器。若發生帶電拔出岸電連接插頭的情況時，等電位連接將斷開；電纜的機械應力較高或者剩余的電纜長度較低時可自動觸發斷路器動作，并發出報警。

為滿足不同船舶左舷或右舷?？恳?，在船舶預計停靠位置設置岸電插座箱。岸電插座箱外殼由不銹鋼材料制成并進行表面噴塑，并根據使用環境將箱體設計成戶外使用工況，防護等級為IP66,能夠適應碼頭潮濕惡劣的工作環境。

插座箱上安裝有標準的岸電供電插座，插座額定電壓為7.2 kV。可與船舶側的岸電電纜管理系統的岸電插頭進行匹配連接；插座帶有把手結構，可以輕松的完成與插頭的連接與脫開。同時岸電插座箱上安裝有4 芯光纖連接盒，可提供與船舶的光纖連接，建立岸船之間的通訊。此外在箱外還設有急停按鈕，如岸側工作人員發現異常情況，可在岸電系統供電工作時，通過手動操作急停按鈕停止岸電系統供電。

岸電插座箱配置有帶電指示燈，在插座箱通電時指示燈能夠給予操作人員指示，從提高操作的安全性以及便利性。并且箱內布置有加熱器，可保持插座箱內的溫濕度處于較穩定的狀態。

3）節能減排效果

岸電系統節能減排效果明顯，以目前集裝箱船舶所用柴油機瓦錫蘭四沖程為例，燃油耗率約為240～350 g/kWh。根據目前市場報價，如果船舶發電機全部采用海運低硫油，油費按照7.0 元/L 計算，電費按照1 元/kWh 計算，船舶燃油耗率約為 300 g/kWh 計算。1 kWh 船舶能耗費用可減少0.3x7/0.858-1=1.4 元。如果船舶功率為2 000 kW，則一小時船舶可較少費用為2 800 元。由此可見岸電對于減少能耗費用有明顯的效果，并且由于岸電并沒有在碼頭造成大氣污染，對于港口空氣質量的提高也起到了一定作用[6]。

3 結語

智能自動化集裝箱碼頭是大型集裝箱碼頭的發展趨勢。由于集裝箱碼頭具有設備多、位置分散、功率高等特點，所以在進行供電系統設計時需要進行認真分析，合理布局。在規劃設計變電所位置以及電纜路由時，要充分考慮集裝箱自動化碼頭“無人化”的運行要求，避免出現由于人員正常巡檢影響生產運行的情況。

并且由于自動化碼頭的控制設備多、對電能質量要求也較高。設計初始階段，在變電所和箱變等位置需預留諧波治理等設備的位置，方便在運行后，增設相關設備。