豪華郵輪碼頭高壓岸電連接系統及應用

董良志

(凱伏特(上海)動力技術有限公司，上海 201108)

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豪華郵輪碼頭高壓岸電連接系統及應用

董良志

(凱伏特(上海)動力技術有限公司，上海 201108)

針對豪華郵輪岸電系統非常復雜，且安全性、可靠性要求較高的特點，設計一套滿足豪華郵輪碼頭的高壓岸電連接系統。分析國內郵輪碼頭和國際規范要求，通過研究碼頭平面布置圖，根據碼頭潮汐水文條件和豪華郵輪接電要求，結合岸電連接裝置的組成及特點，探討高壓岸電連接系統在豪華郵輪碼頭的應用。該系統適用于國內10萬噸級以及20萬噸級郵輪碼頭岸電連接系統的設計和建造。

豪華郵輪；郵輪碼頭；高壓配電；岸電；連接系統

0 引言

岸電供電技術是指船舶靠港期間，關閉船上的柴油發電機，由碼頭的變頻電源通過電纜對船上的負載供電。研究岸電技術對節能、減排和建設綠色港口有著積極的意義，是解決靠岸船舶對港口區域大氣環境污染問題的重要舉措。

岸電技術的要求起始于美國西海岸地區。據相關研究發現，70%的癌癥患者是由于燃油排放的廢氣引起的。在美國西海岸如洛杉磯、長灘等港口城市癌癥患病率高于其他區域，且船舶靠港期間使用柴油發電機會產生振動和噪音，對附近居民的健康也會造成一定的影響，所以該區域居民發起了環境保護運動，強烈要求停靠港口船舶使用岸電。在美國洛杉磯及長灘等區域，經過各種減排措施的實施，區域環境及居民健康狀況均得到了較大的改善。鑒于該案例的成功實施，其他國家也在逐步推廣岸電技術的配套及應用。

我國政府高度重視環境污染的問題，制訂了相關的法規和政策用于指導環境污染的治理。我國于1988年制訂了《中華人民共和國大氣污染防治法》并不斷修訂。國家交通運輸部為推進綠色航運發展和船舶節能減排，減少船舶在我國重點區域的大氣污染物排放，在2015年制定了《珠三角、長三角、環渤海水域船舶排放控制區域實施方案》。

高壓岸電電纜連接系統用于豪華郵輪與碼頭電源之間電力和信號的傳輸，操作便利性以及安全可靠性對岸電連接系統非常重要。豪華郵輪碼頭岸電連接系統的投入應用，可減少碼頭有害物質的排放，降低船舶的振動和噪音，提升豪華郵輪碼頭的國際競爭力。

文獻[1]對國內變頻電源技術進行了研究，分析了變頻電源的組成、技術難點、發展趨勢等。豪華郵輪高壓岸電連接系統在國內設計、建造經驗較少，目前僅有上海吳淞口郵輪碼頭和深圳太子灣郵輪碼頭配置了該套系統，所以目前可借鑒的經驗也非常少。本文從規范、碼頭和郵輪要求出發、根據岸電連接系統的組成及特點、碼頭實際應用等方面討論了豪華郵輪高壓岸電連接系統。

1 豪華郵輪岸電系統的組成

與常規貨船類似，豪華郵輪岸電系統主要由3部分組成：碼頭側高壓變頻電源、碼頭側高壓插座箱及移動式電纜管理系統、船側高壓插座箱及配電板。其中，變頻電源、碼頭插座箱、移動式岸電小車主要由碼頭提供，安裝在碼頭區域；船側插座箱及配電板由郵輪提供，安裝在船上。郵輪岸電系統組成如圖1所示。圖中，左側為碼頭高壓變頻電源，一般安裝在碼頭的房間內或者采用安裝在定制的集裝箱內；中間部分為岸電連接系統，包括1臺岸電小車及1臺插座箱；右側為船側岸電接入插座箱及配電板。變頻電源與電纜連接系統之間的接口是碼頭插座箱，電纜連接系統與郵輪側的接口為船側接線箱，以上2處接口都是通過插頭、插座的形式快速插拔的。3部分之間根據IEC 800005-1以及船級社規范要求實現電力和通信的傳輸，岸與船之間可實現不斷電負載切換。

2 豪華郵輪對于連接系統的要求

2.1 岸電電源主要參數

豪華郵輪岸電系統的容量主要是根據停靠郵輪的類型來確定的，如上海吳淞口郵輪碼頭可停靠的郵輪有：鉆石公主號、瑪麗女王2號、歌詩達維多利亞號、歌詩達皇家加勒比、歌詩達海洋航行者號。為了滿足大多數豪華郵輪的靠泊需求，岸電系統電壓、容量、頻率選定為AC11 kV、16 MVA、60 Hz和AC6.6 kV、16 MVA、60 Hz。

港口岸電基礎設施需要根據豪華郵輪的岸電需求進行改造。首先，碼頭供電所需要為豪華郵輪變頻電源配備16 MVA的電網容量；其次，碼頭變頻電源需要保證輸入電壓為AC10 kV、50 Hz,輸出電壓為AC11 kV、AC6.6 kV、60 Hz；第三，碼頭需要為變頻電源準備布置場地。

國際航行船舶電網電壓和頻率為AC6 600 V、60 Hz或AC440 V、60 Hz，而我國陸上電壓和頻率通常為AC10 000 V、50 Hz或AC380 V、50 Hz，如果直接將50 Hz的電源接入船舶設備，會使設備的整體效率下降30%。經過交—直—交變換的逆變電源稱為變頻電源，變頻電源的主要功用是將現有交流電網電源變換成用戶所需頻率。陸基電源經過變頻電源系統變頻，可以輸送給碼頭插座箱所需的標準供電電源。變頻電源要保證電源輸出的波形穩定和純凈，提供最優良的供電環境。

在實際應用中，一個完整的變頻電源裝置主要由輸入進線開關柜、變頻器柜(包括整流和逆變單元)、輸出隔離變壓器柜、正弦波濾波器和輸出開關柜等5部分組成。如果輸入端為高壓電源，則輸入端需增加高壓開關柜和變壓器。除變頻器外，其他部件都采用無源器件，具有極高的可靠性和穩定性。

變頻電源在設計、使用時需要注意諧波抑制和逆功率控制。

2.1.1 諧波抑制

由于采用變頻器作為變頻電源的核心部件，不可避免地會產生諧波。作為標準電源的使用，這些諧波會影響到電源的質量，進而直接影響使用設備的穩定和壽命。因此，必須采用適當的措施抑制諧波。具體措施如下：

(1)輸入側接入EMI濾波器。EMI濾波器主要用于控制和保證輸入變頻器的電網電能質量，將電源功率毫無損耗地傳輸到設備上，大幅衰減經電源傳入的EMI信號，保護設備免受其害；同時，又能有效地控制設備本身產生的EMI信號，防止其進入電網，污染電磁環境，危害其他設備。

(2)輸入側接入交流限流電抗器。選用通用電抗器，可抑制從電源到變頻器或變頻器內部產生的對電源側的高頻擾動。它同時也可以改善變頻器的輸入電流波形。

(3)變頻電源設計為12脈沖整流，可消除11次以下的輸入諧波電流。具體可選用12脈沖的變頻器，配套6脈沖轉換為12脈沖的變壓器，實現12脈沖整流變頻電源的功能。

(4)變頻電源輸出端使用無源正弦濾波器，可以改善變頻器輸出波形，與輸出電抗器、DV/DT濾波器相比較，正弦波濾波器末端有一級電容濾波電路，使變頻器輸出波形接近正弦波。

(5)在正弦濾波器還不能達到很理想效果的情況下，需要分析諧波來源、負載情況、周邊用電的環境以及各次諧波的比例和含量，分開濾波。

2.1.2 逆功率的控制

船舶發電機同碼頭變頻電源并聯運行期間，船側有功功率輸送到碼頭側，逆功率就會產生。逆功率會導致變頻電源輸出開關跳閘保護，中斷變頻電源的輸送。目前變頻電源廠家主要是通過四象限方案、電阻吸收方案和程序設定防止逆功率的產生這3種方式解決逆功率問題的。

2.2 郵輪岸電接入點位置

郵輪岸電接入點的位置位于船舶左舷偏后部，距離船舶吃水線較近。岸電接入點配置1扇水密門，郵輪航行期間水密門處于關閉狀態，郵輪停靠碼頭后打開水密門，接入岸電插頭及電纜。郵輪岸電接入點位置如圖2所示。利用岸電連接裝置及其吊臂把電纜和插頭送至船側岸電接入點附近，船員把插頭連接至船艙內的岸電接線箱上。

2.3 岸電連接系統的設計要求

高壓岸電電纜連接系統用于豪華郵輪與碼頭電源之間電力和信號的傳輸，操作便利性以及安全可靠性是岸電連接系統2個非常重要的特性，以上2點設計保證了船岸之間的快速連接及碼頭清潔能源的持續供應。根據IEC 80005-1的要求，豪華郵輪岸電系統需要包含4根動力電纜：1根中性電纜，1根通信電纜，2根控制電纜。郵輪岸電系統單線圖如圖3所示，其中“1”為碼頭高壓變頻電源系統，“2”為船岸之間快速連接插頭，“3”為船岸高壓插座，“4”為安全連鎖回路(集成于高壓插頭、插座內)，“5”為高壓岸電連接系統，“6”為豪華郵輪岸電接入系統，“7”為船側安全連鎖，“8”為控制及監測通訊，“10”為通訊及控制線纜。

豪華郵輪岸電連接系統與集裝箱岸電連接系統相比，兩者主要有以下不同之處：

(1)操作方式不同。集裝箱船由船上電纜卷盤放電纜至碼頭；而豪華郵輪岸電連接裝置布置在碼頭上，由岸電裝置上的吊機將電纜送至豪華郵輪上的岸電插座箱處。

(2)豪華郵輪岸電連接系統比集裝箱船復雜。集裝箱船岸電連接系統用2根3芯×185 mm2復合電纜與碼頭連接即可完成電力和信號的傳輸；而豪華郵輪岸電連接系統用4根3芯×240 mm2的復合電纜，2根控制電纜，1根通信電纜進行船岸連接。

(3)電壓等級及系統容量不同。集裝箱船的電壓等級為6.6 kV，而豪華郵輪的電壓等級為6.6 kV或11 kV。集裝箱船的岸電容量一般為7 MVA，而豪華郵輪的容量為16 MVA或20 MVA。

(4)系統供應主體不同。集裝箱船岸電連接系統主要由航運公司提供，豪華郵輪岸電連接系統由郵輪碼頭提供。

3 岸電連接系統需滿足碼頭的條件

設計一套岸電連接系統需滿足碼頭的現場條件，包括需要考慮安裝、施工、操作、維護、碼頭水文條件等因素。

3.1 碼頭插座箱的布置

碼頭插座箱的布置需根據碼頭的實際條件以及停靠郵輪的大小、方向進行設計。以吳淞口郵輪碼頭2號泊位為例，在碼頭全長354 m范圍內，碼頭側配有4個地井。碼頭插座箱的布置圖如圖4所示。地井用來安裝碼頭側高壓岸電插座箱。碼頭插座箱布置及數量是由豪華郵輪船側插座箱的位置及碼頭基建設施要求等因素確定的。吳淞口郵輪碼頭最終選定2號、4號地井安裝碼頭側插座箱。

如果碼頭沒有配置地井，碼頭側插座箱安裝在地面上，需要確認插座箱與船舶纜繩沒有干涉。

3.2 碼頭長度方向上的工作范圍

在郵輪碼頭現場勘測時需確定岸電連接裝置的工作范圍。該工作范圍是指以插座箱為中心，前后可覆蓋的距離，常規情況下該距離為35 m。這一點在設計初期需要確定下來，因為該距離一旦確定將無法更改。

3.3 滿足碼頭的潮汐及水文條件

設計碼頭岸電連接系統時需要了解碼頭的潮汐、水文條件。由于豪華郵輪主要以游客為主，載客與否對船舶的吃水影響不大，重要的是碼頭的潮汐，應確保連接電纜的長度以及張力在標準值范圍內。

某碼頭水平高度為3.5 m，而潮汐極限高水位為2.69 m。雖然該碼頭配有地井，但是在極限水位情況下，地井內可能會進水，所以碼頭側插座箱不可以安裝在地井內。

3.4 考慮實際操作中可能會遇到的問題

設計岸電連接系統時還要考慮在操作過程中可能會遇到的問題。在碼頭進行勘察時，需要確定岸電連接裝置的行走路徑、停放位置、距離碼頭邊緣的距離以及在行走過程中是否會與碼頭廊橋有干涉。

4 郵輪岸電連接系統應用研究

4.1 岸電連接系統在豪華郵輪碼頭的應用

根據郵輪及碼頭對連接系統的要求，設計出一套滿足郵輪碼頭的岸電連接系統。由于該套系統安裝在1臺小車上，所以也可稱之為岸電小車。圖5為岸電小車在某豪華郵輪碼頭的實際應用。該套岸電小車主要由充電式行進小車、旋臂吊、碼頭側電纜卷筒、船側電纜卷筒、控制站、無線遙控器、碼頭插座箱及地井蓋等組成。

(1)充電式行進小車：為滿足綠色環保及操作便利的要求，小車的動力源為蓄電池，可使用電池驅動電機實現小車的前進、后退和轉向。

(2)旋臂吊：旋臂吊安裝在小車上，其用途是將電纜及插頭移動到船側岸電接入點。吊臂的旋轉和伸縮均由液壓馬達進行控制，在旋臂頂端安裝有電纜導向架，使得電纜在移動和連接過程中始終符合電纜彎曲半徑的要求。

(3)碼頭側電纜卷筒：用于存儲小車上岸側電纜，其長度決定了小車從插座箱可移動的水平距離。

(4)船側電纜卷筒：用于存儲小車懸臂吊到船上插座箱之間的連接電纜。

(5)控制站：控制站位于小車上，用于控制岸電小車本身的移動和集成在系統中的各個卷筒和旋臂吊的動作。

(6)無線遙控器：用于遙控小車的前進、后退、轉向；控制吊臂的旋轉、伸縮、俯仰操作。

(7)碼頭插座箱及地井蓋：碼頭插座箱布置在地井內，包含4個高壓動力插座、1個中性線插座，以及動力及控制線插座。

岸電電纜管理系統與船側以及碼頭側插座箱是通過高壓快速插頭連接的，保證了連接的便利性和快速性。岸電小車上所使用的電纜均為柔性電纜，使電纜能夠在卷盤上卷繞。

根據IEC 80005-1的要求，船岸之間需要帶電負載轉移，該操作是在郵輪集中控制室內完成的。當岸電電源輸送至配電板進線屏后，通過配電板內的PMS(電站管理系統)對相位、電壓、頻率等進行比較，自動實現短時同步供電及負載轉移。

4.2 岸電連接系統需滿足的特性

4.2.1 操作便利

(1)正常情況下，岸電小車存放在碼頭旁邊的專門房間里。使用時，首先將小車遙控行駛至碼頭插座箱附近，把碼頭側卷筒內電纜連接至碼頭插座箱。其次，繼續遙控小車行駛至郵輪側插座箱附近，遙控旋臂吊，連接船側儲纜卷筒內的電纜至船側插座箱。最后，小車采用無線控制器進行遙控，吊臂等其他部件的控制也集成在該無線控制器上，無線控制器上設有應急停止按鈕。小車行進和吊臂的操作等只需1人通過無線遙控即可完成。

(2)碼頭配置2個高壓插座箱。岸電小車碼頭側卷筒電纜長度為35 m，沿碼頭水平方向可覆蓋70 m左右的距離。

以上設計和布置在很大程度上方便了郵輪的停靠以及岸電的連接。

4.2.2 安全可靠

(1)小車岸側儲纜卷筒采用變頻驅動，可確保卷筒收放電纜速度時刻跟隨小車行駛速度，避免放纜過程中造成電纜在地面上的拖拽。由于變頻驅動的軟連接特性，在電纜收放受到意外阻力的情況下，電纜也不會因受力過大導致電纜損壞。

(2)小車行進至合適地點后采用4個液壓腿支撐固定，以保證小車能夠穩定停靠在指定位置，且懸臂吊工作時小車繼續可以極大地保持平衡狀態。

(3)在小車前部設有1套機械掛鉤部件，以保證電池驅動底盤在異常情況下還能夠通過碼頭的牽引車對小車進行拖行來實現小車的移動。

5 結語

目前高壓岸電連接系統已應用在很多豪華郵輪碼頭，如德國漢堡港、美國洛杉磯港、意大利里窩那港、加拿大莫特利而港。近年來，我國交通運輸部出臺了一系列政策，用于鼓勵、補貼港口建設高壓岸電系統。國內已經確定建設高壓岸電系統的豪華郵輪碼頭有上海吳淞口豪華郵輪碼頭以及深圳太子灣豪華郵輪碼頭。

高壓岸電連接技術在豪華郵輪碼頭的研究、使用與推廣，不但是港口建設的發展方向，而且對于保護港區、市區的環境，建設清潔、宜人的港口城市，具有十分重要的意義。

[1] 袁慶林，黃細霞，張海龍.港口船舶岸電供電技術的研究與應用[J].上海造船，2010(2)：35-37.

2017-01-06

董良志(1984—)，男，工程師，工程碩士在讀,主要從事船舶及碼頭岸電系統方面的研究。

U665.12

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