柴油发电机供电在盾构工程施工中的应用

闫 峰

（上海城建国际工程有限公司，上海 200032）

0 引言

随着城市的发展，印度主要城市如首都新德里、经济中心孟买、加尔各答和东南部大城市钦奈等交通极端拥堵。为了缓解交通压力，各地政府开始大规模兴建城市地铁。地铁隧道施工中，盾构法得到广泛的应用。而在盾构施工中，电力供应是首先需要解决的问题。供电总容量必须满足用电设备的负荷需要。单台盾构机用电功率在1500～2000kW。同时，盾构机还需要一系列的地面后配套设备支持，功率需求约700kW。针对印度普遍存在的电力基础设施差、电力供应短缺且不稳定等问题，该文研究了柴油发电机组的并车系统，解决了新德里地铁三期CC126项目盾构施工中的电力问题。CC126项目位于新德里西部与哈里亚纳邦交界的NAJAFGARH地区，属于欠发达的城郊地带。隧道单线长度700米，上下行线共1400米。整个区间地质较好，均为粉质砂土。隧道内径5.8米，采用一台土压平衡盾构机进行隧道施工。

1 盾构工程用电需求

1.1 盾构机施工电力需求

盾构机是隧道施工中的大型设备，其电力系统比较复杂，功率大。该项目所采用的盾构机是国产自主品牌，其最大装机容量为1900kVA，由自带1100kVA和800kVA两台干式变压器接地面11kV高压实现供电。内部系统电压等级有400V、220V和110V。刀盘驱动电机系统动力电压为400V，通过1100kVA变压器降压实现，其余电力系统由800kVA变压器降压实现。考虑电力从地面至隧道的长距离输送，为保证电力供电的稳定和减少损耗，采用11kV高压为盾构机提供电力。

后配套系统是为盾构机施工服务的，主要包括管片和渣土垂直运输的行车、隧道砂浆搅拌站、隧道通风风机、以及排污照明等设施，其主要设备用电清单如表1所示。

表1 后配套系统的用电清单

后配套系统用电总容量，则有公式（1）。

式中：为后配套设备装机功率；为平均需求系数，取0.6；为机械设备效率，取0.86；cos为功率因数，取0.85。

根据计算，项目施工现场总用电需求见公式（2）。

式中：为盾构机装机容量。

1.2 面临的主要问题

在项目初期，项目组进行了大量的调研和咨询，当地电力部门给出的结论均无法提供满足项目需求的电力。项目盾构工程面临的具体问题主要有以下几点。1） 项目电力需求量大，用电容量需求约2600kVA。附近所有的电网接入口均无法满足电量要求。2） 盾构施工是24小时工作，要求电力供应稳定可靠不可间断，否则对盾构刀盘前方土体的保压会产生影响，有地面沉降，甚至坍塌的风险。3） 盾构系统的电力需求是11kV高压，要求供电电压稳定，不能存在较大的电压波动，否则可能会造成电气损坏。4） 印度德里地区电力基础设施差。若要申请市政供电，政府职能部门审批手续用时超过1年，可用电缆接口在3公里外，需要铺设长距高压电缆。预计投入超800万人民币，不能满足项目的工期和成本要求。

2 柴油发电机组并车系统的设计

根据盾构机的用电需求、项目现场的实际供电环境以及面临的主要问题，柴油发电机组供电方案成了必然的选择。

由公式（2）计算的盾构工程项目现场总用电容量来设计柴油发电机供电系统。因为发电机的使用容量还应考虑海拔、气压、湿度、温度等环境的影响，须根据环境温度、海拔高度进行修正。由于印度新德里旱季温度高，气温可能超过50℃，雨季潮湿多雨，环境湿度大。因此，需对其进行修正，取修正系数0.95，见公式（3）。

式中：为柴油发电机需考虑的总容量；为施工现场总用电容量。

采用多台柴油发电机并联运行，可以提高供电的连续性和可靠性，发电机并车技术是实现上述功能的关键技术。且实践证明多台低功率柴油机组电源比单机大功率机组更加经济实用。柴油发电机组的长期允许容量应能满足机组安全停机最低限度连续运行的负荷需要。因此，根据上述装机总需电容量计算，采用两台1010kVA柴油发电机和一台725kVA的柴油发电机来进行并车供电。考虑柴油的故障维修和定时保养，另配备一台1010kVA柴油发电机作为切换备用。

在施工场地建立发电站，根据需求设置多台柴油发电机、同步并车控制柜、升压变压器和低压配电柜，以及进线装置、出线装置、计量装置、过流保护、接地保护等。

2.1 柴油发电机

为了便于并车控制，四台柴油发电机选用同一品牌，即印度当地能提供技术服务且性价比较高的卡特彼勒（CATERPILLAR C32）柴油发电机。发电机均为低压发电机，输出电压为415V；且当负载为70%～100%时，发电机燃料消耗率最佳。1010kVA发电机的最大输出电功率为808kW，725kVA发电机的最大输出电功率为580kW。柴发电机的燃油消耗随负载的增加而增加，在50%、75%、100%负载下对应的每小时理论耗油量分别为109.3L、156.8L和207.5L。

2.2 同步并车柜及其功能

当两台及以上发电机组联合在一起向负荷供电时，需要加装发电机同步并车柜，才能达到联合供电的要求。柴油发电机通过同步并车柜，实现自动同步合闸、同步并车、自动平均有功负载、负荷不平衡比例调节等自动控制，使供电系统具有可靠性和连续性，并能根据负载的大小，投入适当台数的小功率机组，以减少大功率机组小负载运行带来的燃油浪费。

项目的四台柴油发电机通过同步柜并车，实现了以下功能。1） 在盾构机运行状态下，两台1010kVA发电机（1#和2#）和1台725kVA（4#）工作，以满足用电要求。2） 在盾构机待机状态下，只需1台1010kVA或1台725kVA发电机工作。盾构机在安装或拆解阶段，1台725kVA发电机能满足施工需求。3） 当正常工作的3台发电机中有一台出现故障或定期维护保养时，3#柴油发电机可以切换启动工作。4） 发电机并车后能根据负载需求自动进行功率分配，实现均衡负荷。5） 自动故障保护。当某台发电机组引擎发生故障时，控制系统会快速自动切断该机组，并发出警报，避免其他机组拖动该故障机组进入电动机状态，加重系统负担。

2.3 变压器

变压器需要根据设备的用电负荷确定最佳容量。选择容量过大会造成不必要的空载消耗。选择容量过小会造成满负荷工作时效率降低，不能获得最佳负荷的效果，长期的过负荷会造成严重的后果。变压器的最高效率出现在满负荷的50%～70%。根据计算和实际情况，选用了额定容量为2000kVA（415V/11kV）的变压器进行升压，然后经高压电缆接至盾构机的高压开关柜。

采用变压器升压的主要原因如下。1） 隧道盾构机用电属于长距离输送电，输送距离一般500～3000m，为了减小压降，保证供电稳定性，采用11kV高压输送。2） 盾构机设备电压等级多样，有690V、400V和220V等，从发电站到盾构机的电路系统需要有升压和降压过程。

3 系统的应用分析

3.1 施工产量与耗电量

盾构机在实际施工过程中有三种模式状态，即推进模式、拼装模式和待机模式，其对应的用电功率如表2所示。

表2 盾构机三种模式下的用电功率

在不同的模式下，施工用电需求不一样。在保证施工效率的情况下，为了节省能源，发电机组会根据不同的用电需求进行切换启停。1） 在盾构机推进模式，两台1010kVA发电机和1台725kVA发电机在75%～85%负载下工作。盾构机推进一环所需时间在70～90min。2） 在盾构机拼装模式，一台1010kVA发电机在70%～85%负载下工作。盾构机每环的拼装时间大概需要50～70min。3） 在盾构机待机期间，主要用电为照明，水泵和电焊作业等低耗电设备。只需要1台725kVA发电机工作，负载大概在50%～70%。4） 单台柴油发电机不能24小时长时间运转，需要休息和维护时间。5） 柴油机处于低负载情况下的工作时间要尽量少。

因此，基于以上几点，柴油发电机根据用电需求进行切换启停能有效提高柴油机发电机利用率，并减少节省柴油消耗量。

在整个区间上下线的实际施工过程中，盾构机每天的施工产量会由于地层变化或其他原因的影响而变化，所对应的盾构机系统和后配套系统的耗电量也不同。分析均衡条件下盾构机平均每天的推进环数和对应的平均每环耗电量，如图1所示。当盾构机未推进时，可以得出如下结论。1） 盾构机待机时，耗电量明显大于理论计算值，说明盾构机内电焊、水泵、注浆等的辅助设备需求率大大提高。当盾构机待机时一台725kVA的发电机无法满足需求，需要使用一台1010kVA发电机为现场供电。2） 盾构机平均每天推进环数少于4环/天时，耗电量与施工产量呈正相关，且平均每环的耗电量明显较大。主要有两方面原因：一是此阶段盾构机推进速度较慢，处于推进模式的时间较长；二是盾构机处于拼装模式或待机模式时，地面的柴油发电机没有进行切换，仍然采用的是推进模式下的三台发电机供电。3） 盾构机推进环数超过4环/天时，耗电量呈减少趋势；且当推进环数达到9环/天时，耗电量与产量处于最佳。

图1 施工产量与平均每环耗电量统计图

3.2 盾构工程柴油消耗分析

盾构机施工一般由三个阶段组成，盾构始发阶段、掘进阶段、接收阶段。根据CC126项目一台盾构机及相关配套设备完成上线501环隧道的施工过程终发电站柴油发电机的耗油量统计数据，则每个阶段柴油消耗情况如下。1） 盾构始发阶段即盾构机掘进准备过程约1个月的工期，主要为电焊作业，总计柴油消耗约为25000L。2） 掘进阶段即盾构机掘进完成永久环产品的过程，工期约为4.5个月，地面后配套设备的耗油量为75～200L/环，平均每环的耗油量为99L，盾构机的耗油量为250～450L/环，平均每环的耗油量为297L。3） 接受阶段即盾构机拆机退场过程，工期大约20天，总计柴油消耗约为12000L。4） 盾构机隧道工程都是按隧道长度进行成本费用的预测和核酸的，即单位里程所需的成本是一个重要的计量对象。根据该项目柴油总消耗量计算，并考虑一定的损耗系数（取1.2），可以得出采用柴油发电机并车供电的单台盾构机隧道，其柴油消耗量约为400L/米。此值可以作为同类项目的成本预算的参考。

3.3 柴油发电机组的工作效率

始发阶段和接收阶段不确定因素较多，施工节奏受现场条件影响大，用电需求不断变化，难以统计分析。柴油发电机组的工作效率主要以盾构机正常掘进阶段进行分析，如表3所示，统计了盾构机处于正常节奏的掘进模式的总耗电量，总耗油量和工作时间。

表3 发电机组的实际工作效率

结合数据可以得出如下结论。1） 2号1010kVA柴油发电机状态最好，柴油转化率3.66kWh/L，较接近于出厂参数。2） 4号725kVA柴油发电机，工作时间非常短。主要原因是其长期处于故障状态，未能及时维修。这也导致其他三台1010kVA柴油发电机工作时间较长。3） 四台柴油发电机的平均耗油量都比较低，对照柴油机出厂参数，柴油机均处于40%以下负载工作。主要原因是盾构机系统和后配套系统处于低耗电状态时没有及时切停大功率发电机和调整运行发电机的数量。

4 结论

柴油发电机供电系统解决了印度地铁施工中电力短缺的问题，系统可靠、电压输出稳定，在施工中取得了良好的效果。为欠发达电力短缺地区城市地铁盾构施工、山区隧道盾构施工等的电力供应提供了工程案例参考。

在柴油发电机系统实际的运行过程中还存在一些问题，如柴油转化率低、发电机低负荷运行时间过长、切换发电机不及时等。在后续实践中可以在以下几个方面进行改进。1） 增设盾构机和发电机系统的通信功能。使发电机系统能根据盾构机的模式，盾构机的功率需求变化，自动切换发电机的运转台数。在项目之初，系统设置了该功能，由于集成度不高和响应速度慢等原因，因此该功能没有成功使用。2） 分析盾构机和后配套系统的电力实际需求，合理配置发电机组，尽量使发电机在处于70%左右负荷状态下运行。3） 据统计，1010kVA柴油发电机每月的维保成本高达3万多人民币。探索柴油发电机合理维保周期和维保内容，降低维保成本也显得意义重大。4） 近些年来，印度政府对环保方面也有了新的要求。因空气污染问题，印度德里地区冬季禁止柴油发电机，这对柴油发电的环保提出了更高的要求。