大型集裝箱船冷藏集裝箱分區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)研究

楊海建，李永鵬

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

隨著世界集裝箱運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，為了適應(yīng)各種不同類型貨物運(yùn)輸?shù)男枰?，出現(xiàn)了許多種類的集裝箱，其中冷藏集裝箱就是專門為運(yùn)送有溫度要求的貨物而特殊設(shè)計(jì)的集裝箱。冷藏集裝箱具有一定隔熱性能，能保持一定低溫要求，適用于各類貨物冷藏貯運(yùn)而進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的集裝箱[1]。冷藏集裝箱貨物對(duì)運(yùn)輸質(zhì)量要求越嚴(yán)格，運(yùn)輸產(chǎn)品的附加值越高。在冷藏貨物的運(yùn)輸全過程中，運(yùn)輸距離最遠(yuǎn)又最難管理的就是航運(yùn)這個(gè)環(huán)節(jié)[2]。為了提高航運(yùn)企業(yè)競爭力，減少貨差貨損，就要不斷提高運(yùn)輸質(zhì)量，這就對(duì)船舶冷藏集裝箱的運(yùn)輸質(zhì)量、設(shè)備配置及管理水平提出了新的挑戰(zhàn)。

為了將冷藏集裝箱內(nèi)的溫度維持在特定的范圍之內(nèi)，絕大多數(shù)的制冷裝置都需要?jiǎng)恿﹄娫矗枰瑑?nèi)電站為其提供電力。而冷藏集裝箱在船舶運(yùn)輸過程中，船內(nèi)電站不僅要給冷藏集裝箱供電，還要給全船其他電氣設(shè)備供電。船上配電線路和環(huán)節(jié)眾多，冷藏集裝箱制冷裝置供電一旦中斷，致使制冷裝置不能正常工作，造成貨損貨差，進(jìn)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。雖然目前大多數(shù)自動(dòng)化程度較高的船舶都配置冷藏集裝箱的工況監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測冷藏集裝箱內(nèi)的溫度，并可通過船員定期巡檢發(fā)現(xiàn)異常，但是如果冷藏集裝箱配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初缺乏必要的冗余度的話，即使發(fā)現(xiàn)斷電故障點(diǎn)，受限于冷藏集裝箱供電電源插座的布置位置、配電回路容量及實(shí)船工作環(huán)境條件等，可能在航運(yùn)過程中不能及時(shí)有效地恢復(fù)冷藏集裝箱的供電，所以在新船配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就要予以重視和考慮，最大限度地保證供電的連續(xù)性，降低因船內(nèi)局部供電中斷導(dǎo)致大量冷藏集裝箱不能正常工作的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述問題，本文結(jié)合國內(nèi)某首制2萬箱級(jí)超大型集裝箱船冷藏集裝箱布置特點(diǎn)，分別對(duì)分區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)理念、配電系統(tǒng)供電方式、電源變壓器配置、饋電屏設(shè)置、饋電屏內(nèi)電源斷路器框架值決定、冷藏集裝箱電源插座供電分電板設(shè)置等方面進(jìn)行研究，詳細(xì)分析整個(gè)分區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和計(jì)算方法，為今后同類型船舶的冷藏集裝箱配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 分區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)

1.1 冷藏集裝箱及電源插座布置

某2萬箱級(jí)集裝箱船冷藏集裝箱的布置位置見圖1。

圖1 冷藏集裝箱的布置位置示意圖

以配置在上甲板的冷藏集裝箱為例，所有冷藏集裝箱分2層布置在上甲板的最底層，冷藏集裝箱供電電源插座安裝在相應(yīng)的上甲板綁扎橋上。根據(jù)冷藏集裝箱的布置，為同一行的每層冷藏集裝箱配置4組電源插座盒，每組電源插座盒內(nèi)含3～6個(gè)專用電源插座。

1.2 冷藏集裝箱電源插座分區(qū)配電理念

4組冷藏集裝箱電源插座盒通常由1臺(tái)高壓電源變壓器及電源配電回路供電。其優(yōu)點(diǎn)是配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡單，但弊端就是如果此高壓電源變壓器或電源配電回路發(fā)生故障，將造成整層或整個(gè)行內(nèi)的冷藏集裝箱全部失電。

根據(jù)上述電源插座配置，如果將同一行的兩層電源插座盒劃分為圖2所示的區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C、區(qū)域D，每區(qū)域由1臺(tái)高壓變壓器及獨(dú)立電源配電回路供電，即使某個(gè)區(qū)域供電回路出現(xiàn)故障，其他區(qū)域仍能正常維持電力供應(yīng)。當(dāng)有電區(qū)域沒有裝載冷藏集裝箱時(shí)，失電區(qū)域的冷藏集裝箱可以通過對(duì)冷藏集裝箱外接延伸電纜的方式，連接到臨近有電區(qū)域的電源插座上，從而增加了冷藏集裝箱配電的冗余度和供電的連續(xù)性，同時(shí)在碼頭裝載冷藏集裝箱及配載時(shí)也更加便利。以此分區(qū)域配電方式作為冷藏集裝箱配電設(shè)計(jì)的理念和原則，進(jìn)行配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的搭建。

圖2 冷藏集裝箱分區(qū)域供電概念圖

2 冷藏集裝箱配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 前后部獨(dú)立供電方式

通常高壓電源變壓器布置在船舶后部的機(jī)艙內(nèi)。該2萬箱級(jí)集裝箱船全船長度達(dá)到400 m，眾多冷藏集裝箱沿船長方向均勻分布在上甲板上，如果布置在船舶前部的冷藏集裝箱也由安裝在機(jī)艙內(nèi)的高壓電源變壓器供電的話，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致冷藏集裝箱電源配電線路過長，帶來較大的電路壓降。為滿足美國船級(jí)社對(duì)線路電壓降不超過6%的要求，不得不增大配電回路電纜的截面積或增加電纜的數(shù)量，電纜用量成本因此上升；同時(shí)遠(yuǎn)距離的電路敷設(shè)會(huì)增加船廠制造現(xiàn)場施工部門電路敷設(shè)的工作量和難度，增加船廠施工的人工成本。

綜合上述因素，如果將冷藏集裝箱沿船長方向分為前、后兩部分，采用前、后部分別獨(dú)立供電的思路：布置在船舶前半部的冷藏集裝箱由就近布置的高壓電源變壓器供電，布置在船舶后半部的冷藏集裝箱仍由安裝在機(jī)艙內(nèi)的高壓電源變壓器供電。該方案就可以有效解決上述問題。

2.2 前后部冷藏集裝箱配電系統(tǒng)主要設(shè)備

2.2.1 冷藏集裝箱電源變壓器

大型集裝箱船內(nèi)的電力系統(tǒng)電壓通常采用交流6 600 V，冷藏集裝箱電源插座為交流440 V，因此設(shè)置專用的冷藏集裝箱供電變壓器。 結(jié)合冷藏集裝箱電源插座的分布情況、變壓器的選型成本及上述分區(qū)配電的理念，前后部各配置了4臺(tái)高壓變壓器，安裝于生活區(qū)下的污水處理間內(nèi)及機(jī)艙內(nèi)，用于給前部冷藏集裝箱供電。

單臺(tái)高壓變壓器容量可參考式(1)計(jì)算：

(1)

式中：PTr為高壓變壓器容量，kVA；PRef為單個(gè)冷藏集裝箱的額定功率，kW；Pf為冷藏集裝箱內(nèi)電氣設(shè)備的功率因數(shù)；Pcs為由此變壓器供電的冷藏集裝箱數(shù)；D為平均差異系數(shù)(通常取值為0.65)；M為裕量系數(shù)(根據(jù)具體項(xiàng)目要求而定)。

2.2.2 冷藏集裝箱饋電屏

以配電系統(tǒng)總的線路電纜最短為原則，設(shè)置4個(gè)饋電屏(RP1、RP2、RS1、RS2)，分布于船舶左右舷的下甲板通道內(nèi)。每個(gè)饋電屏內(nèi)都設(shè)置2段母排，每段母排分別由不同的高壓變壓器供電，從而在電源分配上實(shí)現(xiàn)了配電線路的交叉冗余配置。

臨近高壓電源變壓器布置的RP2、RS2號(hào)饋電屏直接與冷藏集裝箱電源變壓器副邊相連；遠(yuǎn)離變壓器布置的RP1、RS1號(hào)饋電屏由RP2、RS2號(hào)饋電屏中轉(zhuǎn)供電。這樣的設(shè)計(jì)能節(jié)約電源電纜用量及制造現(xiàn)場敷設(shè)施工量，降低總成本。

同時(shí)需要注意的是，安裝在下甲板通道內(nèi)的冷藏集裝箱饋電屏通常設(shè)計(jì)成自立式，而下甲板通道內(nèi)布置有很多管線和主電路。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮饋電屏的現(xiàn)場安裝及維護(hù)空間等，必要時(shí)需要對(duì)饋電屏的尺寸及屏內(nèi)設(shè)備布置進(jìn)行修改。

2.2.3 饋電屏內(nèi)斷路器的設(shè)計(jì)

饋電屏內(nèi)設(shè)置若干個(gè)供電回路，每個(gè)供電回路的斷路器連接1個(gè)冷藏集裝箱電源插座供電分電板，使得每個(gè)斷路器通常會(huì)為30～50個(gè)冷藏集裝箱提供電力。計(jì)算此斷路器的框架值，通常按照所有連接在其上的冷藏集裝箱全部同時(shí)使用的情況來進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算方法使得單個(gè)斷路器的框架值會(huì)選擇得很大，或者需要減少單個(gè)斷路器上所連接的冷藏集裝箱數(shù)量，進(jìn)而配置更多數(shù)量的斷路器。因此，在滿足實(shí)際使用需要的前提下，降低斷路器配置成本是電氣配電設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

根據(jù)目前市場上幾個(gè)主流集裝箱船在多個(gè)典型航線上的實(shí)船統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從冷藏集裝箱實(shí)際使用的角度分析，船上裝載的眾多冷藏集裝箱的使用相互不干涉、相互之間完全獨(dú)立操作，運(yùn)行的數(shù)量是隨機(jī)的或相對(duì)隨機(jī)的，整體近似符合正態(tài)分布規(guī)律。典型標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的函數(shù)公式見式(2)[3]，其對(duì)應(yīng)的分布曲線見圖3。

Φ(z)—陰影面積。

(2)

圖3中的陰影部分面積Φ(z)為橫軸變量x數(shù)值大于z值時(shí)，可能發(fā)生的概率之和?；诖藬?shù)學(xué)模型，結(jié)合冷藏集裝箱在船舶上使用的實(shí)際需要，對(duì)于所有連接到單個(gè)斷路器的冷藏集裝箱，定義單路斷路器能在99.9%以上的場合為所有冷藏集裝箱提供電力，以此作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過查閱正態(tài)分布數(shù)值查詢表[4]，獲取不同概率下z的數(shù)值，得出上述目標(biāo)要求概率對(duì)應(yīng)的z值為3.08，對(duì)應(yīng)的正態(tài)分布的包絡(luò)曲線示意圖見圖4。當(dāng)橫軸變量數(shù)值大于3.08時(shí)，其對(duì)應(yīng)的縱軸數(shù)值小于1%，包絡(luò)曲線與橫軸圍成的陰影部分面積大約99.9%。

圖4 正態(tài)分布的包絡(luò)曲線示意圖[3]

結(jié)合上述分析，對(duì)于決定單路斷路器選型時(shí)所供電的冷藏集裝箱數(shù)量，可以通過式(3)得到：

NA=NTD+zσ

(3)

式中：NA為斷路器實(shí)際所供電的冷藏集裝箱數(shù)量；NT為斷路器連接的所有冷藏集裝箱數(shù)量；z為從正態(tài)分布函數(shù)曲線上得到的數(shù)值，此處為3.08；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，在D=0.65時(shí)，σ與NT的關(guān)系見表1。

表1 σ與NT的對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過上述計(jì)算，最終得到了斷路器提供電力的冷藏集裝箱數(shù)量，據(jù)此經(jīng)過進(jìn)一步簡單的功率計(jì)算就可決定斷路器的選型。

2.2.4 冷藏集裝箱電源插座供電分電板

根據(jù)具體區(qū)域內(nèi)的冷藏集裝箱電源插座數(shù)量及分布，設(shè)置若干個(gè)供電分電板，安裝于船舶左右舷的下甲板通道內(nèi)。每個(gè)分電板內(nèi)同樣配置2段母排，每段母排由1個(gè)高壓電源變壓器及饋電屏內(nèi)的1個(gè)單獨(dú)的斷路器供電。

從供電分電板到冷藏箱電源插座盒間的電源電纜線路，以盡量短為原則，在分電板內(nèi)設(shè)置若干個(gè)供電回路。每個(gè)供電回路的塑殼式斷路器連接1個(gè)冷藏集裝箱電源插座盒，斷路器的框架值設(shè)計(jì)時(shí)按照這個(gè)插座盒所連的所有冷藏集裝箱全部運(yùn)行考慮。同時(shí)斷路器選型時(shí)要充分考慮與上級(jí)饋電屏內(nèi)斷路器的上下級(jí)協(xié)調(diào)保護(hù)。

以19/18行布置的冷藏集裝箱配電回路為例，分電板與冷藏集裝箱插座間的線路圖分別見圖5、圖6。從圖中可以看出，19/18行的冷藏集裝箱分別由兩側(cè)分電板上的4個(gè)母排供電。

圖5 19/18行右舷冷藏集裝箱供電線路圖

圖6 19/18行左舷冷藏集裝箱供電線路圖

通過上述配置可以看出，整個(gè)配電回路從高壓電源變壓器→饋電屏→分電板→冷藏集裝箱插座，實(shí)現(xiàn)了各配電環(huán)節(jié)分區(qū)域、多回路輻射、網(wǎng)絡(luò)交叉供電，提高了整個(gè)供電回路的冗余度和可靠性。雖然配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配電網(wǎng)絡(luò)顯得比較復(fù)雜，但通過合理的搭建配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，綜合分析設(shè)備選型、布置優(yōu)化、現(xiàn)場施工等，較好地實(shí)現(xiàn)了冷藏集裝箱分區(qū)配電的設(shè)計(jì)理念。交船后，該設(shè)計(jì)方案得到了船東的充分肯定。

3 結(jié)論

(1)冷藏集裝箱電源插座分區(qū)配電理念構(gòu)建。將船上同一行的冷藏集裝箱電源插座盒劃分為若干個(gè)相鄰的區(qū)域，確定分區(qū)供電的配置原則。

(2)前后部獨(dú)立供電方式的方案規(guī)劃。結(jié)合船舶實(shí)際長度、冷藏箱的布置要求、電壓降計(jì)算、電纜物量成本及制造現(xiàn)場施工難度等各方面情況，確定采用前、后部分別獨(dú)立供電的總體思路。

(3)對(duì)前后部冷藏集裝箱配電系統(tǒng)主要設(shè)備，按照上述原則、思路和冷藏集裝箱電力需求，進(jìn)行配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的規(guī)格決定，并引入正態(tài)分布數(shù)學(xué)函數(shù)模型來決定饋電屏內(nèi)斷路器的選型。通過設(shè)置若干冷藏集裝箱電源插座供電分電板，實(shí)現(xiàn)多回路輻射、網(wǎng)絡(luò)交叉供電。

(4)通過系列船交船后船東多個(gè)航次的實(shí)船營運(yùn)反饋，證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性及可靠性。