集裝箱船加裝冷藏箱電氣設計研究

柴俊鍇，肖德浩，黃燁

（上海江南長興造船有限責任公司，上海 201913）

冷藏集裝箱船在物資水上運輸中發揮著重要的作用，常規的集裝箱船經過適當的改造，亦可搭載冷藏箱。但改造方案并非簡單地增加設備接線點和連接回路，更為關鍵的因素為正確評價改裝對船用電力系統的綜合影響。原因在于船舶的既有電氣設備和設施具有負載上限，不可超負荷運行，否則有可能引起安全事故。研究相關指標的校驗、計算方法可促進此類工程實踐的發展和應用。

1 集裝箱船電力負荷現狀評估

集裝箱船的電力來源包括兩類，當其停靠碼頭時由岸電系統提供電能，航行期間則由船用柴油機或燃氣輪機帶動發電機，從而為各類電氣設備供電。集裝箱船的發電機輸出功率具有上限，然而帶有冷藏功能的標準集裝箱（TEU）存在一定的能耗，例如，常見的30t 載荷冷藏集裝箱的制冷功率大多為10kW。當需要加裝的冷藏集裝箱較多時，會顯著增加船舶的電力負荷，甚至超過發電機的負載能力。因此在具體實施之前，必須對集裝箱船現有的電力負載能力、電力負荷水平、電力負荷分布等進行調查。

1.1 新增負荷的來源

冷藏集裝箱的工作原理與冰柜類似，其核心元器件為壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥以及其他附件，工作電流多為380V 或440V 的三相電，電源缺相、電壓不足將會導致其無法正常運行，當冷藏集裝箱進入制冷模式后，冷凝器需要向船舶空間內散熱[1]。因此，新增電力負荷主要包括兩部分，其一是集裝箱壓縮機制冷所需的電量，其二是船舶貨倉空間內通風量增加所需的電量。

1.2 負荷計算方法及算例分析

某型集裝箱船的裝載能力為1800TEU，采用6600V中壓電力系統，由發電機、中壓配電板、低壓配電板、主變壓器、AMP 中壓岸電系統組成。發電機經主變壓器的轉換，向低壓負載端提供440V 低壓。改造需求為向1、2、3 號貨艙增加200 個冷藏TEU，單個TEU 的制冷10kW 進行計算。那么新增加電力負荷的計算公式為：

式中，將冷藏TEU的額定功率和數量分別記為P、N，其運行時的功率因數記為E，所有冷藏TEU 同時運行所需的總功率記為Pc，冷藏TEU 運行所需的有效功率記為Pn，L 為所有冷藏TEU 同時運行的系數[2]。將功率因數取值設定為80%，則200 個TEU 的新增發電功率約為2500kW。根據調查，該型集裝箱船原本配備6臺發電機，航行時正常運行的發電機數量為4 臺，另外2臺作為備用，冷藏TEU新增負荷需求如表1所示。另外，貨艙內的供風機也需要增加一定的電力負荷，200 個新增冷藏集裝箱分布在3 個不同的貨艙內，分別為2 號、3 號和5 號，所需電力負荷如表2 所示。

表1 冷藏TEU 新增電力負荷

表2 貨艙供風機新增電力負荷

2 加裝冷藏箱電氣系統設計

2.1 供電方式選型

常用的供電布局方式包括兩種技術路線，其一為環式接線，具體又可細分為內環和外環，其二為輻射式接線。環式接線的特點為配電板通過兩條線路向分電箱供電，冷藏集裝箱從分電箱獲取電源，這種供電方式的優點為電源可靠性較高，因為配電板和分電箱之間形成了雙路供電模式，如果某一回路出現故障，可迅速切換至另一回路，從而保證供電。在輻射式接線中，冷藏集裝箱直接與配電板接通，形成單一回路，其電源的可靠性相對較低。環式接線雖然存在較強的技術優勢，但冗余設計導致其需要更多的供電線路和電氣元件，成本也相對更高[3]。鑒于此，在供電方式選型中應兼顧可靠性與成本控制，如果船舶運送的常規物資價值較高，應采用環式接線。相反的，如果船舶對供電可靠性要求較低，或者更加關注改造成本，可選用輻射式接線。結合實際需求，該船舶在加裝冷藏集裝箱時采用輻射式接線。

2.2 配套電氣設備容量計算

2.2.1 變壓器新增容量計算

冷藏集裝箱的增加可影響發電機、變壓器、通風機械等各種配套電氣設備，變壓器容量是系統校核的關鍵。在此之前應該計算出冷藏集裝箱和風機的新增功率之和。船舶進入航行期之后，冷藏TEU 的最低制冷功率為額定制冷功率的60%，風機采用了變頻技術，最低運行功率按照額定功率的75%進行計算，于是可求得新增負荷功率的最小值，計算方法為2500×60%+（140.62+191.78+115.05）=1947.45kW。新增負荷后變壓器容量的計算方法如下。

式中，S1為變壓器需要新增的容量，將變壓器的建議新增容量記為S2，冷藏TEU 的功率之和記為Pn，η1和η2表示變壓器負荷占比，η1的取值為0.8，η2 的取值為0.85。

2.2.2 繼電保護系統的校核

繼電保護是船舶電氣系統的重要組成部分，主要由一次電氣設備、二次電氣設備和元件、保護回路等組成。冷藏TEU 改變了發電機、變壓器等設備，其對繼電保護回路的觸發和保護動作執行也可能產生一定的影響。在電氣系統設計中必須重新校驗、整定保護電流等參數。現有保護回路的電纜截面積為固定值，需校驗相應的電流關系。將電纜的截流量記為Ic，負載電氣設備的額定電流記為In,斷路器的整定電流記為Is。繼電保護校核的內容為檢驗Is＞In、Ic＞In、Ic＞Is三種關系是否成立[4]。

斷路器是重要的繼電保護設備，當系統出現異常時，斷路器可快速切斷故障電流，達到保護一次設備的目標。通常情況下，系統短路時電流強度瞬間增大，一旦達到觸發條件，斷路器自動接通，執行保護操作。斷路器在改造后的系統中能否發揮保護作用，可按照以下方法進行校核。

式中，將計算得到的對稱短路電流和峰值短路電流分別記為Iac、Ip，觸發斷路器接通的短路電流記為Icm,斷路器的短路分斷電流閾值記為Ics。

2.2.3 電力電纜負載能力校核

電纜具有設計載流限值，其本身也存在一定的電阻值，按照焦耳定律，假設電纜的阻值為R，流經電纜的電流強度記為I，則經過時間T 所產生的焦耳熱為Q=I2·R·T。集裝箱船原本的設計方案能夠滿足電力線纜的安全運行，但加裝冷藏TEU 之后，負載變大，流經線路的電流有所增加，單位時間內可生成更多的焦耳熱，有可能導致電力線纜過熱，甚至燒毀[5]。因而需要校驗流經船舶電力電纜的電流是否超過安全閾值，相應的校核計算方法如下。

2.2.3.1 計算電纜的最大負載電流強度

冷藏TEU 采用三相電源，于是可計算交流電的等效最大電流，計算方法為：

式中，將冷藏TEU 的功率因數記為cosФ，Pn 為相應的額定功率，U 為設備運行時的交流電壓。

2.2.3.2 修正系數

電纜的敷設方式、敷設環境對其散熱效果可產生顯著的影響，出于綜合布線的需求，通常將電纜敷設在穿線管或者橋架中，既能起到保護作用，又能達到整齊劃一的效果。但這種布設方式制約了電纜的散熱效果。如果電纜布設在船體的外部空間或者具有熱源的空間，有可能存在較高的環境溫度，同樣干擾其散熱。基于以上原因，在特定環境中需設置修正系數，從而提高電纜負載電流的計算精確性。例如，當電纜成束敷設時，修正系數ɑ 可取為0.85。因而式（7）的計算表達式中應乘以系數ɑ，此時計算所得的最大電流值有所下降。環境溫度對電纜修正系數的影響可參考表3，相關數據來自某電纜生產廠家。

表3 環境溫度與修正系數的關系

2.2.3.3 電壓修正

從公式（7）可知，電壓U 也是影響In 計算結果的重要參數，大型集裝箱船的電纜長度較大，在電力傳輸過程中，線路上存在一定的壓降，且降幅與電纜長度呈正相關。修正電壓值能夠提高電纜最大負載電流的計算精度，使其更加符合客觀實際。

式中，將單相兩線制回路的電壓降記為ΔU1,三相交流回路下的線路壓降記為ΔU2,電纜的長度可記為L,R、S、U 分別為電導率、截面積以及設備的額定工作電壓。

2.3 輔助功能設計

2.3.1 集裝箱冷藏監測功能

冷藏TEU 用于存儲需要低溫保存的物資，如進口的肉類產品、水果、藥品等。冷藏TEU 一旦出現故障，有可能導致物資變質，造成較大的經濟損失。因而在船舶加裝冷藏集裝箱時，應同步設計相應的數字化監控系統，功能包括三個方面，其一是遠程控制冷藏TEU 開啟或者關閉制冷功能，其二是實時監控在運行的冷藏集裝箱的溫度，其三為輔助識別、定位冷藏集裝箱故障。為保證可靠性，可采用電力載波技術采集和傳輸冷藏TEU 的各種運行信號，在其內部設置耐低溫的傳感器，用于采集溫度、濕度、電壓、電流等參數，再借助通信線纜，將信號回傳至系統后臺。管理人員可在操作界面上實時掌握每一個冷藏TEU 的運行狀態，當設備出現故障時，系統可自動顯示故障所在的貨艙編號、集裝箱編號。系統與傳感器間的通信接口可采用RS485。

2.3.2 風機控制參數設計

大量冷藏集裝箱的同步運行會在貨艙內產生較多的熱量，風機的數量、功率、運行控制方式等應滿足通風散熱的需求，且風機應具備長期穩定的通風能力。在電氣系統設計中需精確計算出貨艙容積、冷藏集裝箱的散熱量、其他熱源的散熱量、風機的通風量、貨艙在特定時段內的換氣次數。該項目經過縝密的計算，求出了三個目標貨艙的新增風機數量。2 號貨艙新增風機11個，3 號貨艙為15 個，5 號貨艙為9 個，單個風機的輸出功率均為15kW。另外，每個冷藏箱的冷卻空氣量以4.800m3/h 進行計算。

3 結語

綜合以上研究內容，在既有集裝箱船上加裝冷藏箱時，可根據集裝箱的數量和制冷時的輸出功率確定總能耗，同時計算出貨艙通風散熱所需的電能。以此為基礎，考察船舶的發電能力、電纜負載能力、繼電保護觸發條件、保護動作執行等是否受到影響，如果校驗后發現存在問題，則必須對現有電氣系統進行升級，使其完全符合加裝冷藏箱的電力需求，如增加通風機數量、擴大變壓器容量等。