带RCP入级符号的集装箱船配电系统设计

2019-01-12陈俊杰周祎隆

船舶与海洋工程 2018年6期

陈俊杰，夏骏，周祎隆

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

近些年来，随着大型和超大型集装箱船的国际市场逐渐饱和，小型集装箱船开始受到越来越多船东的关注。随着冷链运输需求量逐渐增大，小型集装箱船上的冷藏集装箱（以下简称“冷箱”）数量逐渐增多，对冷箱可靠性的要求越来越高。目前已有船东在集装箱船的入级符号中增加 RCP（Refrigerated Container Stowage Positions）入级符号，以提高市场竞争力。RCP入级符号的增加对船舶电气设计的影响较大。本文基于某2700TEU集装箱船项目，重点介绍RCP入级符号的设计要求和该项目所采用的设计方案。

1 RCP入级符号的意义和表示形式

在德国劳氏船级社（Germanischer Lloyd，GL）规范[1]中关于RCP入级符号的章节中，对冷箱和为冷箱服务的风机等设备的供电、监测及报警提出了更高的要求，即增加RCP入级符号的意义在于提高船上特定位置处冷箱的可靠性。入级符号以RCP xxx/xx的形式表示，其中：斜线前的数字表示带RCP入级符号的冷箱总数；斜线后的数字表示装载生鲜货物的冷箱占冷箱总数的百分比，其余为深冻货物。

该2700TEU集装箱船中冷箱数量为600个。由于该船电站容量的限制，结合船东要求，带RCP入级符号的冷箱总数只有500个，即入级符号为RCP 500/50。

2 两类集装箱船配电设计比较

2.1 配电设计概貌

以某4800TEU常规集装箱船为例，该船配置4台发电机（2台2200kW，2台1420kW）；配有600个冷箱，分别由14个冷箱电力分电箱供电（1～7号分电箱由主配电板1号AC440V馈电屏直接供电；8～14号分电箱由主配电板2号AC440V馈电屏直接供电）。该船电力一次系统单线图见图1。

图1 4800TEU集装箱船电力一次系统单线图

2700TEU集装箱船带有入级符号RCP500/50，配置4台发电机（单台1880kW）。该船电力一次系统单线图见图2。

2.2 发电机容量选取[2]

在电站设计方面，由于冷箱功率消耗的差异，带有RCP入级符号的集装箱船与常规船型在发电机的选取上有所不同。

上述4800TEU集装箱船作为常规带冷箱的集装箱船，在正常航行时平均每个冷箱的功率消耗通常通过与船东协商来确定。该船共有600个冷箱，单个冷箱的功率为6.18kW；配置4台发电机（2台2200kW，2台1420kW），在正常航行时运行2台2200kW的发电机和1台1420kW的发电机。冷箱总功率为3708kW，其他船用设备的功率为1384.5kW，发电机负荷率为87.5%。

对于该27000TEU集装箱船，对带有RCP入级符号的冷箱的供电有强制的最低功率要求。GL规范要求，不同数量的冷箱和生鲜/深冻货物的占比对应不同的功率要求。图3为40ft（1ft=0.3048m）冷藏集装箱电站及分配电系统的功率需求。由图3可知，单个冷箱的功率消耗为7.85kW。该船若需装载500个以上的冷箱（最多600个），与船东约定，单个冷箱的功率为6kW，该工况所需电站容量是小于RCP入级符号对应的容量的，因此在设计时应考虑功率较大者。冷箱的总功率为 3925kW，其他船用设备的功率为1291kW。选用4台额定功率为1880kW的发电机，在正常航行时运行3台，发电机的负荷率为92.49%。

图2 2700TEU集装箱船电力一次系统单线图

图3 40ft冷藏集装箱电站及分配电系统的功率需求

由图3可知，功率值是随着冷箱数量的增加阶跃式增加的，当冷箱数量取501个时，单个功率即可以7.5kW计算，总功率为3757.5kW。

因此，在计算电力负荷时使用RCP 501/50所得功率值反而比使用RCP 500/50降低了167.5kW。由此，电站容量配置方案可做进一步优化（见表1）。

此外，在进港工况和出港工况下2种船型均无备用发电机。对于带RCP入级符号的集装箱船，切除部分带RCP入级符号的冷箱的做法是不允许的，其电站容量应满足所有带RCP入级符号的冷箱在网时的总用电负荷；对于不带RCP入级符号的集装箱船，切除部分冷箱来满足电力负荷是允许的（见表2）。

2.3 变压器的选取

对于常规集装箱船，冷箱电力分电箱由主配电板直接供电，电力分电箱给冷箱插座提供电力。

对于带RCP入级符号的集装箱船，规范要求冷箱插座的供电需与船用电源电隔离[3]。对于采用中压系统（如 6.6kV）的大型集装箱船而言，一般会设置降压变压器，兼做隔离变压器[4]。然而，对于小型集装箱船而言，主电站系统的电压等级为AC440V，若没有特殊要求，通常不设置专门的隔离变压器。因此，对于带RCP入级符号的采用有低压系统的小型集装箱船，需配置冷箱专用的隔离变压器和配电板。该类型船的单线图如图2所示。

表1 正常航行工况下3种方案的电力负荷对比

表2 进港和出港工况下2种方案的设计差异

该船共配置4台AC450V/AC450V的隔离变压器，其中：1号冷箱隔离变压器为1～4号冷箱电力分电箱共158个冷箱供电；2号冷箱隔离变压器为5～8号冷箱电力分电箱共164个冷箱供电；3号冷箱隔离变压器为9～10号冷箱电力分电箱共76个冷箱供电；4号冷箱隔离变压器为11～13号冷箱电力分电箱共102个冷箱供电。根据船检机构对图3的解释，隔离变压器的容量应根据“分配电系统”线计算，即单个冷箱的功率应以9.875kW计算。隔离变压器容量计算结果见表3。

表3 隔离变压器容量计算结果

最大的2台隔离变压器的容量分别为2300kV.A和2200kV.A，而单台发电机的容量为1880kW，已相当于一整台发电机的容量。为避免隔离变压器开关合闸时电站崩溃，为隔离变压器配置励磁变压器[5]，在开关合闸之前进行预充磁，以减小合闸时的冲击电流（如图2中的1ET和2ET所示）；同时，在操作说明书中注明需至少有2台发电机在网时才合闸。稍小的2台隔离变压器的容量为1600kV.A和1100kV.A，采用直接合闸的方式，但也至少有2台发电机在网时才可合闸。

2.4 冷箱供电集中控制

GL规范要求船舶在失电之后能在一个“集中控制位置”[6]逐步恢复对冷箱的供电。

该船的集中控制位置设置在货舱区域的一个设备间内，设备间内布置有隔离变压器和冷箱配电板，冷箱配电板上设置有变压器遥控合闸按钮，从而满足失电之后在设备间逐步恢复对冷箱供电的要求。

出于便利性考虑，通常会将机舱集控室作为集中控制位置。该船之所以选择其他位置作为集中控制位置，主要是因为：

1) 机舱和集控室空间有限，机舱无法布置4台大容量隔离变压器，集控室无法布置4块冷箱配电板；

2) 4台大容量变压器的散热量超过机舱风机的散热能力。

因此，在与其他专业人员和船厂多次沟通之后，最终将隔离变压器和冷箱配电板布置到了货舱区域。

上述布置有一定的局限性。货舱区域的设备间并非专门的控制室，通常不会有人值班。当有故障发生、需调整冷箱运行工况或检修冷箱分电箱的开关时，只能到位于货舱区域的设备间去操作，不方便对冷箱供电的集中控制。因此，建议在设计带有RCP入级符号的集装箱船时，考虑在机舱预留足够的隔离变压器布置区域，并在集控室预留冷箱配电板的布置空间，与主配电板做成一体，将机舱集控室设为冷箱供电的“集中控制位置”，从而实现在集控室更便利、更可靠地对冷箱供配电进行控制。