高压调压电源岸电装置在黄骅港200#泊位的应用

◎ 刘鹏

高压调压电源岸电装置在黄骅港200#泊位的应用

◎ 刘鹏

本文主要介绍高压调压电源装置在神华黄骅港务有限责任公司200泊位的应用实例,同介绍了调压装置的调压原理和整体设计方案。方案中涉及到由港区6kV/50Hz供电经岸电调压装置维持稳定在6kV50Hz的船舶可用电源,并通过一台高压出线柜馈电至200#泊位码头前沿的2处高压接线箱内。靠港船舶由岸基电源供电时,停止所有发电机组,船舶接用岸电时,给船舶供给优质可靠电网电源。本套岸电高压调压装置设计容量为1.5MVA。

中国岸电的发展

我国是世界上最大的水运国家,由于船舶使用柴油自行发电,所以会排出大量硫化污染物,对大气环境造成严重影响。船舶接用岸电技术是指船舶靠港期间,停止使用辅机发电,改用陆基电源供电。以减少船舶辅机发电来实现减排,减少大气污染和噪声污染。

该项技术起源于瑞典,发展在欧美,赶超在中国,由于国际航行船舶的电制同我国电制不同,和为保证船舶导航设备工作的连续性,船舶接用岸电时不允许断电,以及对港口的安全生产不能产生影响等,凸显出该技术的复杂。

2010年初,针对国内岸电市场的需求分析,由江苏连云港港口集团联合交通运输部水运科学研究院、中国船级社和河北远洋公司根据交通运输部的要求研发了中国岸电,同年,首套岸电设备由江苏新航电气有限公司研发成功,分别安装在运营“中国连云港-韩国平泽港”客货班轮航线上的“中韩之星”轮和连云港港口59号泊位,并于当年10月正式接驳成功,目前靠港船舶接用岸电正在世界范围内被广泛接受。

黄骅港200泊位的岸电研究

研究背景

神华黄骅港成立于1998年3月,是中国神华能源股份有限公司的控股子公司,负责神华黄骅港的开发、建设和经营,主要承担神华煤炭下水转运任务,经营煤炭、杂货和油品等接卸业务。神华黄骅港已建成的生产性泊位共计20个,其中煤炭装船泊位17个,散杂货泊位2个,液体化工品泊位1个,设计年通过能力1.816亿吨。当前,黄骅港正按照国家、省、市的决策和部署,加快完善文明环保的现代化综合性港口,为陆桥沿线地区打造一条经济、低碳、绿色、便捷的出海大通道。

为了达到和完成低碳经济的要求,交通运输部大力推进港口岸电系统的建设,为了普及和推广岸电的使用,对于目前积极建设岸电系统的单位,制定了一系列较大力度的节能奖励和补贴制度,以鼓励和支持各大港口的节能减排工作的实施。

近年来,生态文明建设已成为国家战略,推动靠港船舶使用岸电也成为港口环保的重要举措。这将为船舶靠港使用岸电技术形成更有利的政策倒逼环境。另外,我国规模以上港口吞吐量的不断攀升带来了船舶靠港产生的巨大排放。介于以上情况,黄骅港将加快靠港船舶船用岸电项目建设,年底将再落成5套岸电系统,将覆盖三四期码头9个泊位。届时黄骅港使用岸电接驳靠港船舶的节能减排效应是显著的。

可行性研究

在连云港“中韩之星”接驳59泊位岸电成功后,黄骅港两度前往参观后,神华集团总部决定在神华黄骅港的200泊位安装一套码头高压岸电系统,以及“神华501”轮上安装一套船用岸电系统。船用岸电系统在神华中海航运新造的散货船舶“神华501”轮交船暨命名典礼上顺利交付使用。“神华501”轮船载岸电系统验证成功后,神华集团又在5XX系列陆续安装了十余套船载岸电系统。

而码头高压岸电系统目前有两种形式上船,一种是高压变频电源系统,即采用将10KV/50HZ或6KV/50HZ电制的岸基电源经过变频变压后输出为6.6KV/60HZ或6KV50HZ电制的高压变频电源装置,把电制转换后供船舶使用,该高压变频电源系统主要针对使用6.6KV/60HZ的国际航线集装箱船舶;另一种是高压调压电源系统,即采用将10KV/50HZ或6KV/50HZ电制的岸基电源经过调压稳压后输出为稳定的6KV50HZ电制的高压调压电源装置,把岸基电源经过调压稳压后供船舶使用,该高压调压电源系统主要针对国内航线的船舶。

黄骅港200泊位煤炭专用码头,靠驳在200泊位的神华5X系列船舶为国内航线的散货船舶,该型船舶安装的船载岸电系统使用的主变压器容量为1250KVA,电制为6KV50HZ。因此,黄骅港200泊位的码头高压岸电系统采用新航电气有限公司生产的AMP-1500/A06A型,容量为1500KVA高压调压电源系统即可满足设计要求。

黄骅港岸电系统的工作原理分析

高压调压电源装置的原理

通常岸电的市网供电电源为低压电源通过多根电缆直接上船,其缺点在于对供电电源电压稳定度要求较高,而且容量必须限制在630KVA以下,同时对输出电缆长度限制较大,故障率较高,需要断电连接使用和断电撤销。

采用高压上船能彻底解决容量受限问题,一般容量在3000KVA以下船舶只要1根高压电缆即可满足容量需求,本文介绍的高压调压电源装置,就是专门为高压岸电上船设计的专用电源装置。该调压电源装置能将码头岸基电网的电压稳定在一定范围内,同时还能对电压稳定度进行自主调节,并能通过船岸通讯与船舶实现闭环调节。该高压调压电源装置主要由∶高压进线柜、高压调压装置,高压调压变压器、 正弦滤波器和高压出线柜及自动控制柜构成。

高压调压电源框图

高压进线柜∶为高压调压电源提供继电保护,和启动/停止控制,由综保装置、高压断路器、消谐装置等构成。

高压调压装置∶为9档可调的高压真空有载调压开关,控制方式分手动控制和自动控制,手动控制可人为对电网电压进行换档调节后输出稳定的电压,自动控制受自动控制柜内PLC程序控制,可根据船舶的电压变化实现闭环调节。

图1 高压调压电源控制原理图

高压调压变压器∶调压变压采用型号为SCB10-1500/6调压专用变压器,变比为6000+4-8×0.75%V/6000V,一次侧有13组分接绕组,与高压真空有载调压开关配合进行分接控制,即可实现档差45V的调压功能。

正弦滤波器∶用来滤除电网中谐波分量,输出完美洁净的正弦交流电供船舶使用,经过滤波后的谐波分量THDU＜4%。

高压出线柜∶利用船岸连接的安全回路以及综保装置共同为船舶及码头高压接线箱的提供安全保护,由综保装置、高压断路器、接地开关等构成。

自动控制系统由专用的可编程序控制器和光电转换模块实现,可编程序控制器通过多模光缆或无电通讯,将船岸连接信号、保护信号及各类电参数等信号进行分析和运算,以实现信息反馈与闭环控制,对高压调压变压器进行稳压控制,另外还可以实现与上位 PC 机连接,实现实时监控等系统管理。

通讯系统原理

通讯系统主要通过PLC可编程控制器与光电转换模块实现,并通过多模光缆传输信号。由船舶电网控制回路进行信号采集,通过船载岸电系统的通讯链路将数据反馈至高压调压电源装置的调压控制系统,由PLC可编程控制器进行分析、处理、控制,从而实现整个高压调压电源装置的闭环反馈控制。本系统设计安装了带模拟量运算模块的PLC 进行数据采集、运算管理通讯,控制更加准确方便,人机操作界面对数据进 行监控和对设备进行控制,使操作更加简便。

图2 通讯系统框图

由通讯系统框图可看出∶高压调压电源为船舶电网提供岸电后,即由船舶电网的船电控制子系统采集船舶及设备的各种电能数据,通过RS485将信息传输给船载岸电系统进行分析运算。再由船载岸电系统将处理后的信息数据通过多模光纤反馈给调压控制系统的光电转换模块进行数据交互,然后由调压控制系统将分类信息再通过RS485和TCP/IP传送至可编程序控制器通讯模块,由可编程序控制器进行数据处理、管理监控以及对高压调压电源进行闭环控制,达到稳定控制精度的目的。

整体设计方案

岸电系统设计

黄骅港200泊位岸电系统是将停靠黄骅港神华煤炭码头200号泊位的散货船接入港区市电网络,由岸基电源进行安全、可靠的供电,为船舶提供稳定的6kV50Hz电源,船舶电网可与其进行无缝切换。使用岸电期间船舶关闭自带发电机,船舶靠港作业期间使用市电维持设备运行。以减少船舶在港期间对港区、市区大气环境的影响,有效改善区域环境。

黄骅港200泊位岸电系统包括∶高压调压电源装置、高压接线箱、进出线开关柜、高压动力电缆及控制线缆等。该系统进线引自港口高压母线14号变电所用户断路器61420开关。高压调压电源装置、进出线开关柜及控制单元整体安装在20英尺的标准集装箱内。经过稳压后的市网电源通过高压动力电缆引自200泊位前沿2台码头高压接线箱。高压接线箱的安全控制回路及船载岸电系统的信息数据通过控制线缆反馈至高压调压电源系统的控制单元。本系统在码头前沿安装2台高压接线箱可以方便船舶靠港后不受左右舷限制,增加船舶接用岸电的便捷。

船载岸电系统可通过1根带有高压连接插头的高压电缆插入码头高压接线箱的高压插座取电上船。同时该高压电缆内的多模光纤插头可插入高压接线箱内的光纤插孔内来实现船岸通讯功能。

黄骅港200泊位高压调压电源系统有较高自适应能力,能输出稳定的6kV50Hz电压,在没有船/岸通信的条件下,调压电源具备自闭环稳压功能。船/岸安全回路按照国际规范设计,电源操作规程安全、可靠。可以满足装有船载岸电系统的神华5XX系列船舶在神华黄骅港200泊位接用岸电,高压接线箱的插头形式及通讯方式能满足神华5XX系列船舶安全使用。

高压调压电源设计

调压电源由岸电专用调压变压器单元、分接单元、保护单元、控制单元等组成,可将市电转化为可调节的船用电,并具有自动调压功能以及故障报警功能和紧急停止功能。

岸基电源与船电并网,可以实现无缝对接,接入岸电时,岸侧电网进行额定输出,船方调整船上电网跟踪岸侧电网,船方进行并网、负载转移。离岸断开岸电时,调整船上发电机组跟踪岸侧电网,进行撤网、负载转移。

调压电源可在环境温度-5℃＜环境温度＜40℃的情况下能满负荷长时间工作。对输入、输出电源有系统的零序、过压、欠压、过流、短路、超温和变压器过热等保护功能及报警装置,考虑对不同船舶的用电负荷的控制,当输出负荷容量达到任意设定值时发出预报警(或跳闸)信号,以便控制用电负荷;当输出电压、频率连续超出CCS规范时限5秒时,须自动切断输出回路。另外,当船舶电气发生故障,通过控制信号,可通过船侧紧急停止开关直接切断对应的出线柜断路器。并且船岸连锁控制信号为断开状态时,出线柜断路器应不能合闸或在合闸的情况下断开。

调压系统的稳压原理：

稳压变压器为有载调压专用变压器,采用DY11形式,一次侧三角形连接,有13组分接绕组,其中9个绕组与9档有载调压开关连接,每档有45V档差,以实现6000V±180V的调压范围,还可根据需要调整备用分接绕组实现更大的稳压范围,最高可实现6000V±270V范围内可调。变压器二次侧星形连接,为靠港船舶提供稳定的6000V50HZ岸电。

有载调压开关控制器的输入端通过15芯控制电缆连接调压系统的控制单元,以接受控制单元发来的稳压指令, 端子1-10可以实现对调压变压器的自动控制;端子11-14可实现调压变压器手动控制。该控制器还能将调压开关的故障信号和工作状态信号反馈至控制单元,实现闭环控制。

图3 高压插头/插座连接示意图

图4 码头高压接线箱安全回路原理图

作为优选设计方案,将14号变电所馈电三相高压经高压电缆引入高压调压电源装置,经高压调压装置后高压输出,再经由船舶电网控制回路进行信号采集, 通过船载岸电系统的通讯链路将数据反馈至高压调压电源装置的调压控制系统,PLC 可编程控制器进行分析、处理、控制,实现整个高压调压电源装置的闭环反馈控制。采用带模拟量 PLC 进行数据采集、运算管理通讯,控制更加准确方便,外接人机界面对数据进 行监控和对设备进行控制,使操作更加简便。本套方案还可以采用光电转换模块,通过多模光缆与因特网或者其它相邻或上位设备 连接从而使其他设备能够和本设备进行远程控制和监控。

线路设计

1)开关量输出,提供给相关专业的开关量信号,电源控制系统提供通断控制,接点为无源触电,最大承受电流2A,接点为单独,不与其他系统共用。用于控制开关柜进行分合闸操作,输出指示信号。

2)开关量输入∶提供给电源控制系统的开关量信号,为无源接点,接点为单独,不与其他系统共用。用于采集变压设备以及开关柜的运行状态、故障状态,接受操作信号。

3)通讯数据接口∶使用TCP/IP 协议,通过RS485或网线接口上传/下载数据。

4)动力电缆接口∶用于传输动力电,满足1.5MVA电源容量。

5)电源接口∶为变压设备和开关柜内部控制提供电源。

6)信号线接口∶传输电压、电流等采样信号。

接口做法

1)启停∶变压设备提供一对常开触点接入电源控制系统,通过通断控制来实现设备的开关。

2)设备运行状态∶从电柜接触器或断路器引出一对常开无源辅助触点接入电源控制系统。

3)设备故障报警∶从电柜的热继电器、门限开关、综合保护器等引出一对常开无源辅助触点接入电源控制系统。

4)手自动转换∶从触点接入电源控制系统。

5)进入电源控制系统的所有信号线接点必须为无源触点,否则应采用中间继电器隔离。

接线箱设计

2台码头高压接线箱能适用于沿海特殊使用环境,内部分别安装符合神华5XX系列船舶的350A高压插座,满足神华5XX系列船舶左右舷靠泊使用,保证插座、插头的正常对接。码头高压接线箱主要参数∶额定电压7.2kV;额定频率∶50Hz;控制电源∶220V/50Hz;防护等级∶IP56。

接线箱门与电源装置之间设置电气联锁装置,确保不会产生带电操作和误送高压的危险,以确保操作安全。

SQ1、SQ2即为接线箱门电气联锁限位开关;船岸急停回路通过高压插头HV-S1内的P1、P2插针与船载岸电系统的紧急回路串联,ES为码头接线箱的紧急停止按钮,P3插针为船岸等电位保护;船岸通讯通过高压插头内的OP-P光纤连接器与光电转换模块LE进行信号交互,实时将船载系统的数据信息反馈至岸基高压调压电源系统。

结论

黄骅港200泊位岸电系统的高压调压电源装置整体安装在20英尺的集装箱内,就近放置于黄骅港14号变电所北侧2米处,并可方便的进行转移。集装箱设置完善的空调系统及除湿设备,确保调压电源运行环境干燥,确保无凝露现象。进线电源引自14号变电所61420岸电馈电柜。出线电缆通过电缆桥架敷设至200泊位码头前沿,在码头前沿的4#墩和14号墩平齐位置分别安装1台码头高压接线箱;2台码头高压接线箱共用一屏高压出线柜,为并联供电模式,但每次接驳时只能由一台高压接线箱向靠港船舶提供岸电。

黄骅港200泊位岸电系统安装完成后,先后为“神华523”轮、“神华521”轮、“神华501”轮成功接驳岸电20余航次,累计为靠港船舶供电139586kWH。

神华黄骅港务公司）