一、引言

为积极响应国际绿色环保的号召，并严格遵循“碳达峰”和“碳中和”的目标要求，当前航运业对新建船舶的环保性能设定了较为严格的标准^[1]。鉴于减少氮氧化合物和硫氧化合物排放的紧迫性，航运业积极推广并应用各种节能环保技术于船舶之上。其中，轴带发电机、高压岸电系统以及储能系统作为有效降低船舶排放总量的关键手段，已逐渐在船舶上得到广泛应用^[2]。

183000DWT散货船，适货性高，可以装载木材、散装货物、大件货物等。该船环保性能优越，设置有轴带发电机、储能系统，所配备的高压岸电系统已符合DNV入级标准^[3]。在系统设计的全过程中，充分考量了船舶辅助发电机组、轴带发电机、以及高压岸电系统的综合配置，并兼顾了与甲板吊机供电模式的多样性和复杂性，以确保船舶的电力供应系统高效、稳定且适应多样化操作需求^[4]。

二、系统构成

本船的混合电力系统主要由2台AC450V/60Hz/1100kW的柴油发电机组、一台AC450V/60Hz/1370kW的轴带发电机组及一套1100kW高压岸电系统组成。

本船舶装配了轴带发电机系统，相关设计保证船舶航行期间仅利用一台轴带发电机进行供电。该系统巧妙地利用船舶主推进设备轴上剩余的功率，驱动轴带发电机为船舶供应电能，从而实现节能效果，并有效降低航行时的油量损耗。根据精确的电力负荷计算结果，当轴带发电机在航行中输出功率达到1100kW时，已完全满足船舶的电力使用需求。有关本船电力结构的详细信息，请参阅表1所示。

表1 183000DWT散货船电力系统结构

三、轴发系统

本船使用MAN型6G70ME主机及混合式脱硫烟气处理系统。轴带发电机在主机转速为50~65.9rpm时通过轴带变频器向船上配电板输送恒定功率（约1350kW），本系统采用PTO模式，仅配备由主机驱动的轴带发电机，以确保其在工作状态下持续发电^[5]。轴带电机同样由主机驱动，并稳定地运行在发电状态。值得注意的是，轴带电机的输出频率和电压均会随主机的转速变化而相应调整。

图1 轴带发电机结构图

变频柜的核心功能在于将轴带电机产生的能量高效转换为直流电，随后进一步将直流电逆变为恒定电压和频率的三相交流电，以满足配电板的需求。为应对电网突发故障时发电机持续供电可能带来的设备损害风险，本系统中的变频器特别配置了斩波器。该装置通过电阻消耗的方式，能在足够短时间内对有害电能进行有效消除，确保系统的稳定运行。此外，本系统具备向船上用电负载同时提供有功功率和无功功率的能力，无需额外配置无功功率发生器，从而提升了系统的整体效率和可靠性^[6]。

轴带发电系统所展现的输出电压与频率特性，与辅助柴油发电机组所具备的下垂特性相近，这使得轴发系统得以与柴油发电机组进行长期稳定的并行联动。该系统能够接收来自PMS或配电板的升频、降频相关指令，进而实现与柴油发电机组的并联运行、负载合理分配以及解列等关键功能^[7]。如遇交流电网遭遇短路故障，轴带发电系统能够迅速响应，可在短时间实现达额定电流2倍的最大短路电流供给，最长维持时间为2秒，以确保交流配电板能够实现高效且选择性地保护。轴发系统的核心结构详见图1。

四、高压岸电系统

港口船舶岸电技术又称岸上供电、船舶电力替代系统（Alternative Maritime  Power  System，AMP）或岸上连接等，指的是船舶在停靠期间，岸上为其提供发电辅机，由此来促进港口区域大气污染控制^[8]。

在船舶靠岸期间，为确保其正常运作并降低环境污染，船舶将暂时关停全部主辅机，转而采用统一的岸电供电方式。此举旨在通过使用电力，降低废气污染物的排放量，实现更加环保和可持续的船舶运营。

高压岸电系统旨在确保船舶安全靠港后，通过关闭主发电机并接入岸电系统，以满足码头作业所需电力供应。该系统包含高压电缆绞车、高压岸电进出柜以及主配电板低压侧接入设备，同时，港口需配备电缆插座箱和配电站以确保系统的顺利运行。高压岸电系统因其连接电缆数量少、对接工作量小等显著优点，得到了更广泛地应用^[9]。根据安装位置的不同，高压岸电系统可分为岸基和船基两种类型，其中岸基型电缆绞车安装于码头侧，而船基型则安装于船侧。此外，根据安装方式的不同，该系统又可进一步细分为固定式和移动式两种。前者指的是将高压岸电设备直接安装在船舶的高压岸电间内，而后者则是将相关设备集成于集装箱内。本船选取固定式安装方案。

本船的高压岸电系统能够从左右舷接收额定值为AC6600V/60Hz电源供应，经过变压器转换，将其转变成额定值为450V/60Hz的电源，并顺利连接至主配电板（MSB）。该高压岸电系统的额定工作电容约为1250 kVA。在连接高压岸电系统时，需严格遵循IEC80005-1的相关标准。同时，其控制系统、配电系统、试验程序和工作电压均应符合IEC62271-200的标准要求。具体系统配置及连接方式详见图2高压岸电系统示意图。

图2 高压岸电系统示意图

本船舶所配置的高压岸电系统，其接入模式采用双舷（左侧与右侧）布局，两侧均设有电缆绞车及高压进出线柜。借助高压进出线柜的精准连接，电力将顺利输送至变压器进行电压降低处理，直至达到与船舶电站电压相匹配的AC450V/60Hz标准。随后，电力将通过低压侧开关安全接入船舶主配电板。该系统的高压端接入电制为AC6.6 kV/60Hz。关于系统容量设计，依据船舶靠泊装卸货期间的电力负荷计算书，估算系统容量约为1250kVA，以满足船舶在靠泊期间维持正常运行所需的电力需求。在岸电与船舶电站之间的切换过程中，采用了自动/手动短时并网方式，确保切换过程电力供应不间断且无任何冲击，实现平稳的负荷转移。在船岸电并网期间，为确保系统稳定运行，要求船舶发电机运行数量为一。当岸电接入或断开时，船舶岸电自动/手动同步和自动负荷转移控制单元将迅速启动，检测、跟踪岸侧电网的电压、频率、相位差等关键参数，并调整发电机以实现短时自动/手动并网和自动负载转移。当负载实现安全转移的条件下，尽可能缩短短时并网运行时间；若负载转移动作超时，系统将立即停止相关动作并断开岸电连接断路器；若并网失败，系统将自动断开岸电连接断路器，船舶电网将自动切换至船舶主发电机供电模式，并在值班处所发出明显的听觉和视觉报警。此外，为确保船舶在使用岸电期间的电力供应安全稳定，应至少保持一台主发电机（或备用发电机）处于备用状态，如此一用一备，以应对可能出现的岸电电源故障（岸电电源故障时，备用发电机可自启保证主配电板供电）。同时，为确保大功率设备的正常启动，船舶在使用岸电时应暂时关闭压载泵等大功率设备的重载问询功能。

船载岸电系统与码头岸电系统须借助光纤通信手段，确保船岸装置状态、岸电连接开关位置、报警等信息得以有效交换，并构建稳定、可靠的操作流程。在每一步操作前，必须确认前提条件已充分满足，从而确保电子操作的顺利进行。此外，系统还应提供船岸通信“使用/不使用”的选项功能，允许在无船岸通信模式的情境下完成岸电送船的相关操作，以适应岸电设备在通信功能缺失时的应急使用需求。

船载岸电系统应当具备必要的应急切断功能，保证紧急情况下能够迅速断开岸上与船舶之间的岸电的连接。其相关设计应遵循故障安全原则，确保在应急切断时，码头和船舶的值班人员能够及时收到报警信号。此外，该系统应设计为在未经人工复位的情况下，断路器不得再次闭合，以确保系统的安全性与稳定性。

五、轴带发电机系统与高压岸电系统集合设计

根据以往的设计经验，轴带发电机系统与高压岸电系统为两个完全独立的电力系统，虽然同为船舶系统供电，但是轴带发电机的源动能来自船舶主机，也就是只有在船舶航行的时候才能提供动能，驱动轴带发电机供电。而岸电系统是通过连接岸上的供电系统，在船舶靠港的时候为船舶供电。由于这两个供电系统均需要连接到船舶的主配电板，所以通常在船舶主配电板上分别设有轴带发电机控制屏及高压岸电系统连接屏，二者互为独立，各自包含主合闸开关及其他附属设备。考虑到二者均为供电系统，容量相当，且完全不存在同时工作的情况，本船在设计时提出将两个系统的终端结合在一起的方案，即主配电板仅设置轴带发电机控制屏，高压岸电与轴带发电机系统公用一套主合闸开关并入船舶电网。具体单线图见图3内容。

图3 轴带发电机与高压岸电结合方案

在上图中，船舶主电网为450V，连接两台主发电机、轴带发电机系统的隔离变压器以及船舶负载，请注意，本电网并未直接连接高压岸电系统。

轴带发电机系统中，轴带发电机连接轴发变频柜，变频柜连接隔离变压器，变压器连接船舶电网。在变频柜中，首先连接一个互锁开关，然后进入整流系统，和电站管理系统，最后输入连接到隔离变压器，再由隔离变压器连接到船舶电网中。

高压岸电系统中，岸电通过船岸电缆输送至岸电变压器，使岸电电能从6.6kV降至450V，然后连接到轴带发电机系统变频柜中，在变频柜中，岸电系统与轴发系统通过互锁开关进行连接，确保两个系统不能同时使用。经过互锁开关后连接至变频柜中的整流系统，和电站管理系统，最后输入连接到隔离变压器，再由隔离变压器连接到船舶电网中。

从上图中可以看出，船舶轴带发电机系统与船舶高压岸电系统公用了轴发系统的变频柜，隔离变压器，然后连接至船舶电网。本设计有如下优点：

1，主配电板不再分别设置轴带发电机控制屏和高压岸电控制屏，而是将岸电相关设备集成到轴发变频柜中，大大降低了主配电板（MCB）的体积，节约了集控室的空间。

2，传统设计中，轴带发电机与船舶高压岸电为分别独立的系统，本设计将二者集合到一起，减少了设备数量和电缆的使用，有效降低建造成本的同时，能够减轻船舶的总体重量，同时更加便于维护。

3，高压岸电系统接入轴带发电机变频器，可通过轴带发电机系统的变频器来进行频率调整，以确保不同国家，不同港口的各种电制均可使用。

总结

基于轴带发电机、高压岸电系统、在节能减排方面具有非常明显的优势，轴带发电机组可以有效的利用主机的冗余率，使船舶在航行时能尽可能的减少燃油的消耗；高压岸电系统能有效的减少船舶停泊作业时产生的污染排放物，因此大型多用途船、散货船、集装船得到广泛的应用，本文在进行183000DWT散货船设计的过程中，提出将轴带发电机与船舶高压岸电系统进行整合，使二者共用相关的设备和电缆，继而减少建造成本，提供设备运行可靠性，同时降低船舶总重，通过验证，本文所述系统整体架构、装置配备方案以及总体运行模式的有关设计与相关应用，预计将对此类船舶的未来发展产生一定的引领效应。

参考文献

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