基于岸基能源的江漢運河船舶電力供給系統設計

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(武漢理工大學 a.國家水運安全工程技術研究中心；b.能源與動力工程學院；c.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063)

江漢運河自通航以來，50%以上過往船舶的始發港和目的港均在江漢運河附近，并且船舶通航數量及貨運量呈快速增長的趨勢[1]。當前，過往江漢運河的船舶大多采用柴油機為主動力，航行過程中產生大量的廢氣和PM顆粒物[2]，同時還會產生油污水、生活污水以及噪聲，對運河的水質及周邊環境造成了嚴重的影響。

相比采用傳統的柴油機推進系統船舶，岸基能源船舶由于無廢氣排放、機艙設備少，可大大減少船舶帶來的空氣污染、水污染和噪聲污染。在這方面，德國Steffi渡船通過在水面上方架設一根電線，船外殼與水接觸實現電流的回路來為輪渡提供驅動電力[3-4]。這種方式會造成船體電化學腐蝕，降低船舶使用壽命。美國Canby渡輪采用三線制的輸電方式，通過三腳架結構的受電裝置在架空輸電線上滑動摩擦，將接觸線電能傳輸至渡輪[5]。該三腳架結構的受電裝置無法跨越支柱上的接觸網支持裝置，只能在2根岸基支柱之間的架空接觸網段運行，因而不能滿足岸基能源船舶長距離航行的需求。針對以上問題，國內有方案采取在運河上空架設接觸網、在運河船舶上安裝2根集電桿的方式，通過集電桿壓在線網上，使集電頭直接與接觸導線摩擦，進而從接觸網獲取驅動電力[6-7]。該方案在工程化實施的過程中，存在以下不足：①運河船舶的受電裝置采用硬質集電桿設計，當運河船舶航行于水流波動較大的水域時，集電桿的控制機構存在因響應不及時而導致集電頭脫線的問題；②運河船舶船端受電裝置結構復雜，成本較高；③運河船舶啟動時，會出現因負荷突變導致船舶電網電壓波動，易損壞船舶用電設備。

針對上述不足，以一艘江漢運河1 000 t級散貨船為研究對象，構建基于岸基能源的江漢運河船舶電力供給系統配置形式；設計岸基供電系統與受電連接系統，使船舶能夠可靠地接電；設計運河船舶電力系統，為船舶穩定航行提供保障。

1 系統構成

系統主要由岸基供電系統、受電連接系統和船舶電力系統3個部分組成，見圖1。

圖1 系統組成

1)岸基供電系統。主要由發電站、牽引變電所和岸基接觸網組成。其作用為將區域電能傳輸至接觸網供岸基能源船舶使用。

2)受電連接系統。主要由碳輪式集電裝置、柔性輸電線、受電線滑槽支架及快速接口與計費裝置組成。其作用是將岸基接觸網的電傳輸至船舶電能管理系統。

3)船舶電力系統。主要由儲能式供電裝置、電能管理系統及電力負載等組成，其中儲能式供電裝置包括超級電容組和動力電池組，作用是將來自岸基的電能以及船載儲能式供電裝置的電能經過濾波、變壓、整流等處理，為運河船舶提供穩定的電壓和電流，并為船舶用電設備合理分配電能[8]。

2 岸基供電系統設計

2.1 接觸網架設方案設計

岸基供電接觸網的作用是為船舶提供正常航行所需要的電能。該接觸網主要由鋼支柱、腕臂、接觸懸掛等組成[9]，設計方案見圖2。

圖2 接觸網架設方案總體圖

采用鋼支柱承受接觸網的全部負荷并將其傳遞至陸地[10]。腕臂主要由堅固的鋼質圓管制成[11]。

接觸懸掛是安裝于支柱和定位裝置上的線索及其組成的結構的總稱，由承力索、吊弦、吊桿、軌道外殼及接觸導線等組成，見圖3。其作用是將軌道外殼和接觸導線固定于腕臂并懸吊于運河上空。

圖3 接觸懸掛示意

承力索、吊弦與吊桿為主要采用鋼材料制成的連接與承力件，作用是減少軌道外殼和接觸導線的馳度并將其固定于腕臂。其中吊桿采用“爪”形連接件設計，可避免對軌道外殼造成應力集中現象。

軌道式供電裝置由軌道外殼、接觸導線和絕緣材料組成，見圖4。軌道外殼由聚苯醚材料制成，具有強度高、電絕緣性好、密度低的特點。其作用為：①為在其內部鋪設的接觸導線和集電裝置提供支撐；②減少接觸導線的馳度；③采用對稱式鋪設接觸導線設計，使集電裝置在接觸導線上取電時受力均勻；④便于集電裝置的拆卸。2根同極性的裸露接觸導線由純銅材料制成，鋪設于軌道外殼內，作用是供碳輪式集電裝置滑動取電；絕緣材料設置在接觸導線與鋼制外殼之間。軌道式供電裝置配合柔性受電連接裝置使用，使船舶能夠穩定接電。

圖4 軌道式供電裝置組成

2.2 接觸網電壓等級選擇

2.2.1 接觸網負載分析

1)運河運行船舶總數量。由于江漢運河兩端有船閘，運河同時運行的最多船舶數量為江漢運河船閘滿負荷運行時通過船閘的船舶數量。江漢運河的主力船型為1 000 t級散貨船，船舶總長為65 m、寬度為12.8 m。船舶在進入或出運河前，必須先通過運河兩端的千噸級船閘(有效尺度為長180 m、寬23 m)，船舶通過船閘所需時間為50 min(約0.83 h)。由船舶和船閘參數可知，單座千噸級船閘最多可同時容納2艘1 000 t級散貨船。以下按每次開閘進入2艘1 000 t級散貨船計算。

當第一批船從船閘駛出時，第二批船開始進入船閘。船舶在正常航行時的安全船距Z為4～6倍船長，取5倍船長計算、即325 m。則第二批船通過船閘時，第一批船與第二批船之間的最小距離Smin為

Smin=Vt-2L-Z

(1)

式中：V為船舶航速，km/h；L為船舶總長，m。

將表1中數據代入式(1)求得S為9 505 m，遠大于安全船距的要求。所以，在運河船閘持續運行的情況下，長度為67 km的運河中最多同時存在7批14艘1 000 t級散貨船。

2)運河船舶平均用電量。1 000 t級散貨船在江漢運河上的通常航行速度為12 km/h左右，該航速下對應的主機功率約為額定功率的60%、發電機的功率約為10 kW。單艘運河船舶航速為12 km/h時，所需總功率為318.7 kW。

因此，接觸網的總負載即接觸網為14艘運河船舶提供的總功率。

P=318.7 kW/艘×14艘=4 461.8 kW。

2.2.2 接觸網電壓等級選擇

根據國家標準(GB50061-2010)《66 kV及以下架空電力線路設計規范》的規定，線路電壓為3 kV以下、3～10 kV、35～66 kV的配電線路與通航河流的基本要求為：接觸線至常年最高通航水位最小垂直安全距離均為6 m，距離最高航行水位時的船舶上層建筑的最小垂直安全距離分別為1.0、1.5和2.0 m。江漢運河橋梁的通航凈高為8.5 m，通航凈高大于接觸線安全距離6 m的要求。空載的運河船舶在穿過橋區時，凈空高度為6.6 m，其上層建筑至高處與接觸線的垂直距離約為1.9 m，滿足規程3～10 kV安全距離為1.5 m的要求。單向交流輸電線的功率P與電壓U、電流I的關系為

P=UIcosφ

(2)

式中：cosφ為功率因數，高壓供電線纜的功率因數取0.9。

由式(2)可求得與不同電壓對應的電流值，見表1。

表1 接觸網電壓與電流信息

由表1可知，線路的電壓值越高，電流越小。當接觸網電壓為6 kV時，電流為826 A，而根據國家鐵路局發布的行業標準(TB/T 2809—2005)《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》規定，當前銅及銅銀合金接觸線的最大載流量為800 A，故電壓等級為6 kV不滿足條件。當接觸網電壓為7～10 kV時，電流為496～708 A。由于接觸導線的功率損失與電流的二次方呈正比關系，為了減少功率損失，電流選擇較小值。該選擇還有利于減小線纜的橫截面積和降低初期的投資成本。由于接觸網提供的總功率不變，當電流選擇較小值時，電壓應選擇較大值。綜上所述，接觸網電壓選擇10 kV，電流為496 A。

3 受電連接系統設計

受電連接系統由4個部分組成，見圖5。

圖5 受電連接系統

3.1 新型碳輪式集電裝置

新型碳輪式集電裝置的作用為將接觸網上的電能傳導至柔性輸電線船舶。該裝置主要由碳輪、碳輪軸承、中間軸、導線桿、以及拆卸導桿組成。該裝置與軌道式供電裝置裝配見圖6，組成見圖7。

圖6 集電裝置與軌道式供電裝置裝配示意

圖7 新型碳輪式集電裝置示意

其中碳輪的作用為將接觸線網的電流傳至柔性輸電線，同時承受柔性輸電線等的重力。該裝置具體工作過程為：岸基接觸網上的火線與零線分別與碳輪接觸，將電能通過碳輪傳導至碳輪軸承，再由碳輪軸承和中間軸將電能傳輸至導線桿內的柔性輸電線。

3.2 柔性輸電線

新型碳輪式集電裝置和船舶之間采用柔性輸電線設計，作用是將碳輪式集電裝置傳來的電能傳輸至船舶。相比之前的岸基能源船舶設計方案中的硬質集電桿[10]，柔性輸電線的優點是受水位、水流波動影響較小。此外，船舶與接觸網采用柔性連接可降低接觸線網對船舶的反作用力，從而減小船舶航行阻力，降低船舶能耗。

3.3 受電線滑槽支架

受電線滑槽支架主要由支架、滑塊及承力掛鉤組成，見圖8。其中支架設置于船舶頂層，可豎直方向調節高度，以適應航道水位的變化。支架上部開設滑軌，滑軌上配有2個滑塊，每個滑塊上部配有承力掛鉤，2個承力掛鉤分別承載零線和火線的部分重力，以減少柔性線對軌道外殼的受力。2個滑塊之間用一根桿子連接，以使2根輸電線橫向保持一定距離。滑塊沿滑軌在船舶橫向水平移動，以適應船舶相對接觸網在船舶橫向的偏移。該裝置的作用主要有：①降低水位變化對柔性線及碳輪式集電裝置的影響；②降低船舶偏移過大對柔性線及碳輪式集電裝置的影響；③減小柔性輸電線對接觸網的作用力。

圖8 受電線滑槽支架組成

3.4 快速接口與計費裝置

快速接口與計費裝置的作用：①將受電連接系統的柔性輸電線傳來的電能接入船舶；②實現船舶使用接觸網供電量的度量與計費；③實現運河船舶快速地連接與斷開。該裝置主要由專用插頭與插卡式智能電表組成，其中智能電表由船體的卡槽固定，電表輸出端采用了類似于航空接口的專用插頭，其作用是便于該裝置與船舶快速連接和脫開，見圖9。具體工作過程為：電能通過柔性線進入電表輸入端，然后通過電表輸出端至船舶配電箱。

圖9 快速接口與計費裝置組成示意

如果岸基能源船舶通過不同的電費計費區域，即跨區域航行時，可在計費裝置上加設北斗定位模塊，能夠對船舶進行精準定位及監控。將北斗定位模塊與智能電表結合能夠精準地實現在不同計費航區的實時電量計費和繳費。

3.5 集電裝置的拆卸裝置

當船舶出現故障或集電裝置出現故障時，為了不影響航線上其他船舶的正常航行，需要將集電裝置與接觸網脫離。針對新型碳輪式集電裝置設計一種拆卸桿。該拆卸桿頂部開設有六角螺栓孔，與拆卸導桿處的六角螺桿配合使用，見圖10。

圖10 拆卸桿與集電裝置配合

當船舶或者接觸網故障時，通過使用拆卸桿將碳輪式集電裝置拆下，船舶依靠儲能式供電裝置繼續航行。此外，在拆卸桿頭部增加了“漏斗”型引導設計，便于工作人員安全及快速地進行拆卸操作。

4 供電及電能管理設計

4.1 儲能式供電裝置

儲能式供電裝置由超級電容組和動力電池組構成。超級電容是通過極化電解質來儲能的一種電化學元件，具有超強的大電流放電能力和快速的充放電性能。岸基能源船舶在啟動時需要較大的電流，如果直接從岸基電網供電，會出現因負荷突變導致電網電壓波動。如果采用超級電容供電，不僅可以提供啟動所需要的大電流，而且還可以減緩船舶啟動時負荷突變對電網的影響，增強船舶的制動性能。而當接觸網故障時，則需采用動力電池組為岸基能源船舶提供動力來源。

4.2 電能管理系統

電能管理系統是一個綜合性的運河船舶管理系統，具有管理、監測、控制與保護等功能[15]。其作用為：①對來自接觸網、船載儲能式供電裝置的電能進行穩壓等處理后，將處理過的電能分配至船舶用電設備；②對電能按照照明用電、動力用電、空調用電及其他用電等分別計量，為船東的電能審計及節能提供依據；③合理調配負荷，實現優化運行和有效節約電能。