郵輪高壓岸電電源系統發展及工程化應用研究

孔令兵

(中船第九設計研究院工程有限公司,上海 200090)

0 引言

近幾年國內大型郵輪旅游市場發展迅猛,平均年增長率約為40%。 2015 年首次達到高峰,超過了100 萬人次。 全球郵輪市場將由歐美向亞洲轉移,未來10～15 年中國將發展成為全球最大的郵輪市場之一。 預計在年內我國市場將超過英國,成為全球第二大郵輪旅游市場,最快在2030 年就有可能成為全球最大郵輪市場。

1 郵輪高壓岸電電源系統技術發展背景

郵輪產業高速發展的同時也帶來了一定的負面影響,最突出的問題就是郵輪靠泊時污染排放嚴重。 郵輪靠港時使用燃油發電機,郵輪用燃油發電機工作時會產生各類大量有害污染物,破壞港區周圍的生態環境。 調查數據顯示船舶排放占全球排放的比例為:CO2約為2%;氮氧化物NOx 約為10%～15%;硫氧化物SOx 約為4%～6%。

進入新世紀以來,“節能減排”已成為社會高質量發展的重要環節。 國家出臺了一系列政策,以宏觀調控為主,全面加快建設資源節約型和環境友好型社會。 郵輪行業順應社會發展的潮流,必須積極改進郵輪的生產模式、運行模式,在郵輪行業各個環節上發掘節能潛力,采用岸電電源供電就是重要的技術手段之一。

郵輪高壓岸電電源系統通常指郵輪在船塢生產調試或在港口靠泊時船用發電機停止工作,僅利用陸域市政電網電源維持郵輪用電需求。 高壓岸電電源技術先進,其中最大的優點是可以把船用發電機的各類有害物排放降低至零,有效降低對空氣的污染,改善靠泊區域的環境質量,并在很大程度上降低郵輪靠泊時的運行成本。 同時港口運行方也能收取相應的服務費,是件一舉三贏的優質技術。

2 郵輪高壓岸電電源系統國內外發展現狀

從全球岸電系統技術的發展來看,歐美發達國家走在世界的前列。 世界上第一套低壓(400V)及高壓(6.6kV)岸電系統均出現在歐洲國家。 但新世紀以來,國內主要港口城市在船用岸電領域奮起直追,在逐步縮小與歐美發達國家的技術水平差距。國內幾大港口城市例如上海、深圳、寧波、廈門等均建設了各種規模的岸電系統工程。

表1 所示為國內外已經投入使用的岸電項目基本信息。 以美國的洛杉磯港、長灘港、朱諾港、西雅圖港等為例,提供的岸電電壓有440V、6.6kV 和11kV 不等,供電頻率都是60Hz。 歐洲各國例如瑞典的斯德哥爾摩港、芬蘭的奧魯港、比利時的安特衛普港、德國的呂貝克港等提供的岸電電壓為400/440V、6.6kV 和10kV 不等,而供電頻率以50Hz 為主。 國內以上海和深圳為例,提供的岸電電壓也包含440V、6.6kV,借助岸電電源裝置中采用的變頻技術,可提供50Hz 和60Hz 頻率的岸電,為國內外各類主要類型的船舶提供靠泊服務。

國內外主要代表性港口岸電設施發展現狀 表1

近年,我國迎來了岸電發展的良好機遇,各級政府相繼出臺了各項利好政策。 例如交通運輸部印發了2015～2020 版的《船舶與港口污染防治專項行動實施方案》;上海以及江蘇、深圳等沿海省市也陸續實施了各自的港口岸電電源設施財政補貼等一系列措施。

我國岸電技術發展的良好機遇還體現在以下兩個方面:(1)岸電標準逐步統一。 隨著已陸續發行的高壓港口岸電系統設施相關IEC、IEEE 標準,我國也在逐步發行國內在高壓、低壓港口岸電電源系統的建設規范和系統技術標準,如《碼頭岸電設施建設技術規范》《高壓船岸連接系統-HVSC》《碼頭船舶岸電設施工程技術標準》《港口岸基供電變頻變壓電源裝置技術要求》《高壓岸電試驗方法》《碼頭岸電設施檢測技術規范》、《靠港船舶岸電系統技術條件 第1 部分:高壓供電》《鋼制海船入級規范》、《電磁兼容性(EMC)》及《綠色港口等級評價標準》等。 其中《綠色港口等級評價標準》還把靠泊船舶使用岸電技術歸入了綠色港口評價內容,成為評比五星級綠色港口的優先條件。 (2)產品技術日趨完備。 國內相關廠家陸續發布了大容量高壓和低壓岸電變頻電源等產品,以滿足各類場所碼頭和船舶岸電電源使用需求。

3 郵輪高壓岸電電源系統組成及關鍵技術

郵輪由于其自身的特殊性,為其供電的岸電電源系統也有其自身的技術特點,系統構成復雜。

郵輪碼頭設計規范對大型郵輪岸電電源系統有以下要求:(1)岸電供電電壓為AC6.6kV 或者11kV;(2)供電容量16MVA(推薦容量20MVA);(3)船側與岸側等電位的建立和檢測;(4)要求電纜管理系統布置在岸側。

圖1 所示是郵輪高壓岸電電源系統組成的示意圖,可以看到郵輪岸電系統主要由3 部分組成:(1)碼頭側高壓變頻電源;(2)碼頭側高壓插座箱及移動式電纜管理系統;(3)船側高壓插座箱及配電屏。

圖1 郵輪高壓岸電電源整體系統組成示意圖

圖2 所示是一組高壓變頻電源,主要由7 部分組成:(1)進線開關柜;(2)輸入整流變壓器;(3)變頻器;(4)輸出側升壓變壓器;(5)輸出側配電裝置;(6)移動式電纜管理系統;(7)船舶側電纜。

圖2 郵輪變頻電源示意圖及照片

高壓岸電連接系統由移動式電纜絞車、岸電插座箱、連接電纜組成,其中移動式電纜絞車分別連接插座箱和郵輪受電接口。 電纜絞車放置于碼頭前沿,設置在有遮護的場所,可放置在廊橋下或搭建簡易棚,放置空間約為(長×寬×高)10m×4.5m×4.5m。 移動式電纜絞車的線纜供電距離、伸縮臂上下和前后的移動范圍、充電方式、行走范圍等需要滿足岸船連接的需求。 圖3 所示是移動式電纜小車的參考照片,可以看到對應的電纜小車、岸電插座箱以及連接電纜。

圖3 移動式電纜小車結構示意圖

根據IEC 80005-1 的要求,郵輪岸電插座箱需要包含4 根動力電纜、2 根控制電纜、1 根通信電纜、1 根中性電纜。

圖4 所示是電纜小車在郵輪泊位長度方向的工作范圍,根據電纜小車滾筒具體參數,電纜小車大致的工作范圍如圖中標注所示。

圖4 電纜小車在郵輪泊位長度方向的工作范圍示意圖

通常岸電并網控制方式采用船側控制。 負載轉移的操控方式為由船側進行控制。 接入岸電時船上PMS 系統調整岸側電源跟蹤船上電網進行并網負載轉移;船舶離岸需要斷開岸電時,船上的PMS 系統跟蹤陸域側電網調整船上電網進行并網負載轉移。

岸基供電系統應能接受船舶電制等信息,由岸基供電系統判斷所在泊位船型、容量、電壓制式,選擇輸出相應的電源電制、頻率、容量,滿足船舶用電需求,避免船舶接入電網與船用電網的制式不一致。 在岸電使用過程中,當船上用電故障造成的岸電斷電,船舶側需提供相關輸出信息到陸域供電系統。 岸電系統的信息管理系統可以采集、記錄船方提交的相關故障信息。

4 外高橋船廠新建郵輪高壓岸電電源系統工程應用方案

圖5 所示外高橋造船廠為生產郵輪而擴建的2號船塢,船塢區域接長360m,寬76m。 本工程高壓岸電方案按照供電容量8 000kVA 設計,輸入雙路電壓10kV 電源進線,額定輸出電壓11 kV(60Hz)、0.69/0.44kV(60Hz)。 采取2 路10kV 進線(4MW+4MW 岸電電源模式),兩套岸電電源可同時進行輸出,其中11kV 裝機容量按照8 000kVA 設計。 另外船塢兩側均設置11 kV (60Hz)、 0.69/0.44kV(60Hz)岸電接頭箱,其中0.69/0.44kV 電源由降壓變壓器提供。 船塢兩側均設置11/0.69/0.44kV(60Hz)降壓變壓器一臺,容量均為2 000kVA,降壓變壓器采用雙抽頭(分別為0.69kV 與0.44kV),按照單點2 000kVA 設計,兩種電壓不同時使用。 船側左舷對應3-1#變電站,船側右舷對應3-5#變電站。 變電站與變電站之間用高壓傳輸;二期預留船側左舷對應3-3#變電站,船側右舷對應3-7#變電站。 高壓電源11 kV 從郵輪兩側(中部)上船,低壓0.69kV 或0.44kV 從郵輪兩側(中部)上船,高壓11kV 輸出總容量為8 000kVA。

圖5 上海外高橋造船廠2#船塢高壓岸電電源系統布置圖

岸電電源裝置采用室內固定式安裝結構,配置岸電設備專用配電房,站內房間尺寸約為16m×12.5m。 岸電電源系統可進行本地監控管理,符合節能、環保、安全等要求,具備較高的過載能力及規范的安全保護系統。 整套岸電系統具備相應的監控、保護和通信等功能。

圖6 是高壓岸電電源的系統示意圖。 變頻電源采用高(10kV)-低(1kV)-高(11kV)技術路線、三電平技術。 系統額定容量8 000kVA,共配置兩套供方標準岸電電源裝置,單套電源標稱容量4 000kVA,兩組并聯實現額定容量8 000kVA 的使用要求。 每路岸電專用變頻電源采用10kV 輸入,經位于“3 號變電站”旁的新建岸基供電電源配電站內的24 脈沖整流變壓器降壓(690V)-整流-多電平逆變-隔離變壓器升壓(至11kV)。 每路岸電專用變頻電源由2 套整流柜、2 套逆變柜及相對應的濾波、控制、分斷回路等器件構成。 每組岸電專用變頻電源配置1 組儲能-吸收電容器及1 組放電保護控制回路,保證系統正常工作。 每路輸出變壓器實現變頻電源與負荷的阻抗匹配,該變壓器副邊采用Y 接,中性點按IEC 80005-1 的要求連接中性點電阻(柜體:JD1,JD2),符合船-岸供電系統要求的供電制式。

每組隔離升壓變壓器(代號1B2,2B2)將逆變電源1kV 升壓至11kV,并引入11 kV 進線柜(柜號:1BM1,2BM1),并配置可靠的進線保護機制。 經由11kV 母排分別引入饋電柜(柜號:1BM2 對應自“3-1 號配變電站”,柜號:2BM2 對應自“3-5 號變電站”)。 在11kV 母線上設置2 臺母聯柜(1BM3,2BM3), 當一路電源斷電時,將母聯柜合閘,從而保障供電(實現交叉供電)。

圖6 郵輪高壓岸電電源系統示意圖

5 結束語

在以智能化為靈魂的“新基建”帶動高質量發展的美好愿景下,國內正在開啟產業升級的巨變進程。 在此大背景下針對郵輪岸電運營模式,從以下兩個方面稍作展望。

(1)大數據分析方面,通過實時積累不同船型以及不同港口間岸電使用數據,深入挖掘岸電電源數據價值,從而為政府、港口、船舶、服務商、投資等多方提供不同需求的數據分析服務。

(2)岸側智能電網方面,依托陸域側電網的運維管理平臺,通過在各類岸電設備增設的控制和監測模塊,從而可以根據郵輪側用電需求情況,提供靈活的供電模式。 同時還可以進一步參與陸域側電力需求預測,為電網調度提供輔助數據支撐。