高壓調壓電源岸電裝置在黃驊港200#泊位的應用

◎ 劉鵬

高壓調壓電源岸電裝置在黃驊港200#泊位的應用

◎ 劉鵬

本文主要介紹高壓調壓電源裝置在神華黃驊港務有限責任公司200泊位的應用實例,同介紹了調壓裝置的調壓原理和整體設計方案。方案中涉及到由港區6kV/50Hz供電經岸電調壓裝置維持穩定在6kV50Hz的船舶可用電源,并通過一臺高壓出線柜饋電至200#泊位碼頭前沿的2處高壓接線箱內。靠港船舶由岸基電源供電時,停止所有發電機組,船舶接用岸電時,給船舶供給優質可靠電網電源。本套岸電高壓調壓裝置設計容量為1.5MVA。

中國岸電的發展

我國是世界上最大的水運國家,由于船舶使用柴油自行發電,所以會排出大量硫化污染物,對大氣環境造成嚴重影響。船舶接用岸電技術是指船舶靠港期間,停止使用輔機發電,改用陸基電源供電。以減少船舶輔機發電來實現減排,減少大氣污染和噪聲污染。

該項技術起源于瑞典,發展在歐美,趕超在中國,由于國際航行船舶的電制同我國電制不同,和為保證船舶導航設備工作的連續性,船舶接用岸電時不允許斷電,以及對港口的安全生產不能產生影響等,凸顯出該技術的復雜。

2010年初,針對國內岸電市場的需求分析,由江蘇連云港港口集團聯合交通運輸部水運科學研究院、中國船級社和河北遠洋公司根據交通運輸部的要求研發了中國岸電,同年,首套岸電設備由江蘇新航電氣有限公司研發成功,分別安裝在運營“中國連云港-韓國平澤港”客貨班輪航線上的“中韓之星”輪和連云港港口59號泊位,并于當年10月正式接駁成功,目前靠港船舶接用岸電正在世界范圍內被廣泛接受。

黃驊港200泊位的岸電研究

研究背景

神華黃驊港成立于1998年3月,是中國神華能源股份有限公司的控股子公司,負責神華黃驊港的開發、建設和經營,主要承擔神華煤炭下水轉運任務,經營煤炭、雜貨和油品等接卸業務。神華黃驊港已建成的生產性泊位共計20個,其中煤炭裝船泊位17個,散雜貨泊位2個,液體化工品泊位1個,設計年通過能力1.816億噸。當前,黃驊港正按照國家、省、市的決策和部署,加快完善文明環保的現代化綜合性港口,為陸橋沿線地區打造一條經濟、低碳、綠色、便捷的出海大通道。

為了達到和完成低碳經濟的要求,交通運輸部大力推進港口岸電系統的建設,為了普及和推廣岸電的使用,對于目前積極建設岸電系統的單位,制定了一系列較大力度的節能獎勵和補貼制度,以鼓勵和支持各大港口的節能減排工作的實施。

近年來,生態文明建設已成為國家戰略,推動靠港船舶使用岸電也成為港口環保的重要舉措。這將為船舶靠港使用岸電技術形成更有利的政策倒逼環境。另外,我國規模以上港口吞吐量的不斷攀升帶來了船舶靠港產生的巨大排放。介于以上情況,黃驊港將加快靠港船舶船用岸電項目建設,年底將再落成5套岸電系統,將覆蓋三四期碼頭9個泊位。屆時黃驊港使用岸電接駁靠港船舶的節能減排效應是顯著的。

可行性研究

在連云港“中韓之星”接駁59泊位岸電成功后,黃驊港兩度前往參觀后,神華集團總部決定在神華黃驊港的200泊位安裝一套碼頭高壓岸電系統,以及“神華501”輪上安裝一套船用岸電系統。船用岸電系統在神華中海航運新造的散貨船舶“神華501”輪交船暨命名典禮上順利交付使用。“神華501”輪船載岸電系統驗證成功后,神華集團又在5XX系列陸續安裝了十余套船載岸電系統。

而碼頭高壓岸電系統目前有兩種形式上船,一種是高壓變頻電源系統,即采用將10KV/50HZ或6KV/50HZ電制的岸基電源經過變頻變壓后輸出為6.6KV/60HZ或6KV50HZ電制的高壓變頻電源裝置,把電制轉換后供船舶使用,該高壓變頻電源系統主要針對使用6.6KV/60HZ的國際航線集裝箱船舶;另一種是高壓調壓電源系統,即采用將10KV/50HZ或6KV/50HZ電制的岸基電源經過調壓穩壓后輸出為穩定的6KV50HZ電制的高壓調壓電源裝置,把岸基電源經過調壓穩壓后供船舶使用,該高壓調壓電源系統主要針對國內航線的船舶。

黃驊港200泊位煤炭專用碼頭,靠駁在200泊位的神華5X系列船舶為國內航線的散貨船舶,該型船舶安裝的船載岸電系統使用的主變壓器容量為1250KVA,電制為6KV50HZ。因此,黃驊港200泊位的碼頭高壓岸電系統采用新航電氣有限公司生產的AMP-1500/A06A型,容量為1500KVA高壓調壓電源系統即可滿足設計要求。

黃驊港岸電系統的工作原理分析

高壓調壓電源裝置的原理

通常岸電的市網供電電源為低壓電源通過多根電纜直接上船,其缺點在于對供電電源電壓穩定度要求較高,而且容量必須限制在630KVA以下,同時對輸出電纜長度限制較大,故障率較高,需要斷電連接使用和斷電撤銷。

采用高壓上船能徹底解決容量受限問題,一般容量在3000KVA以下船舶只要1根高壓電纜即可滿足容量需求,本文介紹的高壓調壓電源裝置,就是專門為高壓岸電上船設計的專用電源裝置。該調壓電源裝置能將碼頭岸基電網的電壓穩定在一定范圍內,同時還能對電壓穩定度進行自主調節,并能通過船岸通訊與船舶實現閉環調節。該高壓調壓電源裝置主要由∶高壓進線柜、高壓調壓裝置,高壓調壓變壓器、 正弦濾波器和高壓出線柜及自動控制柜構成。

高壓調壓電源框圖

高壓進線柜∶為高壓調壓電源提供繼電保護,和啟動/停止控制,由綜保裝置、高壓斷路器、消諧裝置等構成。

高壓調壓裝置∶為9檔可調的高壓真空有載調壓開關,控制方式分手動控制和自動控制,手動控制可人為對電網電壓進行換檔調節后輸出穩定的電壓,自動控制受自動控制柜內PLC程序控制,可根據船舶的電壓變化實現閉環調節。

圖1 高壓調壓電源控制原理圖

高壓調壓變壓器∶調壓變壓采用型號為SCB10-1500/6調壓專用變壓器,變比為6000+4-8×0.75%V/6000V,一次側有13組分接繞組,與高壓真空有載調壓開關配合進行分接控制,即可實現檔差45V的調壓功能。

正弦濾波器∶用來濾除電網中諧波分量,輸出完美潔凈的正弦交流電供船舶使用,經過濾波后的諧波分量THDU＜4%。

高壓出線柜∶利用船岸連接的安全回路以及綜保裝置共同為船舶及碼頭高壓接線箱的提供安全保護,由綜保裝置、高壓斷路器、接地開關等構成。

自動控制系統由專用的可編程序控制器和光電轉換模塊實現,可編程序控制器通過多模光纜或無電通訊,將船岸連接信號、保護信號及各類電參數等信號進行分析和運算,以實現信息反饋與閉環控制,對高壓調壓變壓器進行穩壓控制,另外還可以實現與上位 PC 機連接,實現實時監控等系統管理。

通訊系統原理

通訊系統主要通過PLC可編程控制器與光電轉換模塊實現,并通過多模光纜傳輸信號。由船舶電網控制回路進行信號采集,通過船載岸電系統的通訊鏈路將數據反饋至高壓調壓電源裝置的調壓控制系統,由PLC可編程控制器進行分析、處理、控制,從而實現整個高壓調壓電源裝置的閉環反饋控制。本系統設計安裝了帶模擬量運算模塊的PLC 進行數據采集、運算管理通訊,控制更加準確方便,人機操作界面對數據進 行監控和對設備進行控制,使操作更加簡便。

圖2 通訊系統框圖

由通訊系統框圖可看出∶高壓調壓電源為船舶電網提供岸電后,即由船舶電網的船電控制子系統采集船舶及設備的各種電能數據,通過RS485將信息傳輸給船載岸電系統進行分析運算。再由船載岸電系統將處理后的信息數據通過多模光纖反饋給調壓控制系統的光電轉換模塊進行數據交互,然后由調壓控制系統將分類信息再通過RS485和TCP/IP傳送至可編程序控制器通訊模塊,由可編程序控制器進行數據處理、管理監控以及對高壓調壓電源進行閉環控制,達到穩定控制精度的目的。

整體設計方案

岸電系統設計

黃驊港200泊位岸電系統是將停靠黃驊港神華煤炭碼頭200號泊位的散貨船接入港區市電網絡,由岸基電源進行安全、可靠的供電,為船舶提供穩定的6kV50Hz電源,船舶電網可與其進行無縫切換。使用岸電期間船舶關閉自帶發電機,船舶靠港作業期間使用市電維持設備運行。以減少船舶在港期間對港區、市區大氣環境的影響,有效改善區域環境。

黃驊港200泊位岸電系統包括∶高壓調壓電源裝置、高壓接線箱、進出線開關柜、高壓動力電纜及控制線纜等。該系統進線引自港口高壓母線14號變電所用戶斷路器61420開關。高壓調壓電源裝置、進出線開關柜及控制單元整體安裝在20英尺的標準集裝箱內。經過穩壓后的市網電源通過高壓動力電纜引自200泊位前沿2臺碼頭高壓接線箱。高壓接線箱的安全控制回路及船載岸電系統的信息數據通過控制線纜反饋至高壓調壓電源系統的控制單元。本系統在碼頭前沿安裝2臺高壓接線箱可以方便船舶靠港后不受左右舷限制,增加船舶接用岸電的便捷。

船載岸電系統可通過1根帶有高壓連接插頭的高壓電纜插入碼頭高壓接線箱的高壓插座取電上船。同時該高壓電纜內的多模光纖插頭可插入高壓接線箱內的光纖插孔內來實現船岸通訊功能。

黃驊港200泊位高壓調壓電源系統有較高自適應能力,能輸出穩定的6kV50Hz電壓,在沒有船/岸通信的條件下,調壓電源具備自閉環穩壓功能。船/岸安全回路按照國際規范設計,電源操作規程安全、可靠。可以滿足裝有船載岸電系統的神華5XX系列船舶在神華黃驊港200泊位接用岸電,高壓接線箱的插頭形式及通訊方式能滿足神華5XX系列船舶安全使用。

高壓調壓電源設計

調壓電源由岸電專用調壓變壓器單元、分接單元、保護單元、控制單元等組成,可將市電轉化為可調節的船用電,并具有自動調壓功能以及故障報警功能和緊急停止功能。

岸基電源與船電并網,可以實現無縫對接,接入岸電時,岸側電網進行額定輸出,船方調整船上電網跟蹤岸側電網,船方進行并網、負載轉移。離岸斷開岸電時,調整船上發電機組跟蹤岸側電網,進行撤網、負載轉移。

調壓電源可在環境溫度-5℃＜環境溫度＜40℃的情況下能滿負荷長時間工作。對輸入、輸出電源有系統的零序、過壓、欠壓、過流、短路、超溫和變壓器過熱等保護功能及報警裝置,考慮對不同船舶的用電負荷的控制,當輸出負荷容量達到任意設定值時發出預報警(或跳閘)信號,以便控制用電負荷;當輸出電壓、頻率連續超出CCS規范時限5秒時,須自動切斷輸出回路。另外,當船舶電氣發生故障,通過控制信號,可通過船側緊急停止開關直接切斷對應的出線柜斷路器。并且船岸連鎖控制信號為斷開狀態時,出線柜斷路器應不能合閘或在合閘的情況下斷開。

調壓系統的穩壓原理：

穩壓變壓器為有載調壓專用變壓器,采用DY11形式,一次側三角形連接,有13組分接繞組,其中9個繞組與9檔有載調壓開關連接,每檔有45V檔差,以實現6000V±180V的調壓范圍,還可根據需要調整備用分接繞組實現更大的穩壓范圍,最高可實現6000V±270V范圍內可調。變壓器二次側星形連接,為靠港船舶提供穩定的6000V50HZ岸電。

有載調壓開關控制器的輸入端通過15芯控制電纜連接調壓系統的控制單元,以接受控制單元發來的穩壓指令, 端子1-10可以實現對調壓變壓器的自動控制;端子11-14可實現調壓變壓器手動控制。該控制器還能將調壓開關的故障信號和工作狀態信號反饋至控制單元,實現閉環控制。

圖3 高壓插頭/插座連接示意圖

圖4 碼頭高壓接線箱安全回路原理圖

作為優選設計方案,將14號變電所饋電三相高壓經高壓電纜引入高壓調壓電源裝置,經高壓調壓裝置后高壓輸出,再經由船舶電網控制回路進行信號采集, 通過船載岸電系統的通訊鏈路將數據反饋至高壓調壓電源裝置的調壓控制系統,PLC 可編程控制器進行分析、處理、控制,實現整個高壓調壓電源裝置的閉環反饋控制。采用帶模擬量 PLC 進行數據采集、運算管理通訊,控制更加準確方便,外接人機界面對數據進 行監控和對設備進行控制,使操作更加簡便。本套方案還可以采用光電轉換模塊,通過多模光纜與因特網或者其它相鄰或上位設備 連接從而使其他設備能夠和本設備進行遠程控制和監控。

線路設計

1)開關量輸出,提供給相關專業的開關量信號,電源控制系統提供通斷控制,接點為無源觸電,最大承受電流2A,接點為單獨,不與其他系統共用。用于控制開關柜進行分合閘操作,輸出指示信號。

2)開關量輸入∶提供給電源控制系統的開關量信號,為無源接點,接點為單獨,不與其他系統共用。用于采集變壓設備以及開關柜的運行狀態、故障狀態,接受操作信號。

3)通訊數據接口∶使用TCP/IP 協議,通過RS485或網線接口上傳/下載數據。

4)動力電纜接口∶用于傳輸動力電,滿足1.5MVA電源容量。

5)電源接口∶為變壓設備和開關柜內部控制提供電源。

6)信號線接口∶傳輸電壓、電流等采樣信號。

接口做法

1)啟停∶變壓設備提供一對常開觸點接入電源控制系統,通過通斷控制來實現設備的開關。

2)設備運行狀態∶從電柜接觸器或斷路器引出一對常開無源輔助觸點接入電源控制系統。

3)設備故障報警∶從電柜的熱繼電器、門限開關、綜合保護器等引出一對常開無源輔助觸點接入電源控制系統。

4)手自動轉換∶從觸點接入電源控制系統。

5)進入電源控制系統的所有信號線接點必須為無源觸點,否則應采用中間繼電器隔離。

接線箱設計

2臺碼頭高壓接線箱能適用于沿海特殊使用環境,內部分別安裝符合神華5XX系列船舶的350A高壓插座,滿足神華5XX系列船舶左右舷靠泊使用,保證插座、插頭的正常對接。碼頭高壓接線箱主要參數∶額定電壓7.2kV;額定頻率∶50Hz;控制電源∶220V/50Hz;防護等級∶IP56。

接線箱門與電源裝置之間設置電氣聯鎖裝置,確保不會產生帶電操作和誤送高壓的危險,以確保操作安全。

SQ1、SQ2即為接線箱門電氣聯鎖限位開關;船岸急停回路通過高壓插頭HV-S1內的P1、P2插針與船載岸電系統的緊急回路串聯,ES為碼頭接線箱的緊急停止按鈕,P3插針為船岸等電位保護;船岸通訊通過高壓插頭內的OP-P光纖連接器與光電轉換模塊LE進行信號交互,實時將船載系統的數據信息反饋至岸基高壓調壓電源系統。

結論

黃驊港200泊位岸電系統的高壓調壓電源裝置整體安裝在20英尺的集裝箱內,就近放置于黃驊港14號變電所北側2米處,并可方便的進行轉移。集裝箱設置完善的空調系統及除濕設備,確保調壓電源運行環境干燥,確保無凝露現象。進線電源引自14號變電所61420岸電饋電柜。出線電纜通過電纜橋架敷設至200泊位碼頭前沿,在碼頭前沿的4#墩和14號墩平齊位置分別安裝1臺碼頭高壓接線箱;2臺碼頭高壓接線箱共用一屏高壓出線柜,為并聯供電模式,但每次接駁時只能由一臺高壓接線箱向靠港船舶提供岸電。

黃驊港200泊位岸電系統安裝完成后,先后為“神華523”輪、“神華521”輪、“神華501”輪成功接駁岸電20余航次,累計為靠港船舶供電139586kWH。

神華黃驊港務公司）