柴俊锴，肖德浩，黄烨

（上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913）

冷藏集装箱船在物资水上运输中发挥着重要的作用，常规的集装箱船经过适当的改造，亦可搭载冷藏箱。但改造方案并非简单地增加设备接线点和连接回路，更为关键的因素为正确评价改装对船用电力系统的综合影响。原因在于船舶的既有电气设备和设施具有负载上限，不可超负荷运行，否则有可能引起安全事故。研究相关指标的校验、计算方法可促进此类工程实践的发展和应用。

1 集装箱船电力负荷现状评估

集装箱船的电力来源包括两类，当其停靠码头时由岸电系统提供电能，航行期间则由船用柴油机或燃气轮机带动发电机，从而为各类电气设备供电。集装箱船的发电机输出功率具有上限，然而带有冷藏功能的标准集装箱（TEU）存在一定的能耗，例如，常见的30t 载荷冷藏集装箱的制冷功率大多为10kW。当需要加装的冷藏集装箱较多时，会显著增加船舶的电力负荷，甚至超过发电机的负载能力。因此在具体实施之前，必须对集装箱船现有的电力负载能力、电力负荷水平、电力负荷分布等进行调查。

1.1 新增负荷的来源

冷藏集装箱的工作原理与冰柜类似，其核心元器件为压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀以及其他附件，工作电流多为380V 或440V 的三相电，电源缺相、电压不足将会导致其无法正常运行，当冷藏集装箱进入制冷模式后，冷凝器需要向船舶空间内散热[1]。因此，新增电力负荷主要包括两部分，其一是集装箱压缩机制冷所需的电量，其二是船舶货仓空间内通风量增加所需的电量。

1.2 负荷计算方法及算例分析

某型集装箱船的装载能力为1800TEU，采用6600V中压电力系统，由发电机、中压配电板、低压配电板、主变压器、AMP 中压岸电系统组成。发电机经主变压器的转换，向低压负载端提供440V 低压。改造需求为向1、2、3 号货舱增加200 个冷藏TEU，单个TEU 的制冷10kW 进行计算。那么新增加电力负荷的计算公式为：

式中，将冷藏TEU的额定功率和数量分别记为P、N，其运行时的功率因数记为E，所有冷藏TEU 同时运行所需的总功率记为Pc，冷藏TEU 运行所需的有效功率记为Pn，L 为所有冷藏TEU 同时运行的系数[2]。将功率因数取值设定为80%，则200 个TEU 的新增发电功率约为2500kW。根据调查，该型集装箱船原本配备6台发电机，航行时正常运行的发电机数量为4 台，另外2台作为备用，冷藏TEU新增负荷需求如表1所示。另外，货舱内的供风机也需要增加一定的电力负荷，200 个新增冷藏集装箱分布在3 个不同的货舱内，分别为2 号、3 号和5 号，所需电力负荷如表2 所示。

表1 冷藏TEU 新增电力负荷

表2 货舱供风机新增电力负荷

2 加装冷藏箱电气系统设计

2.1 供电方式选型

常用的供电布局方式包括两种技术路线，其一为环式接线，具体又可细分为内环和外环，其二为辐射式接线。环式接线的特点为配电板通过两条线路向分电箱供电，冷藏集装箱从分电箱获取电源，这种供电方式的优点为电源可靠性较高，因为配电板和分电箱之间形成了双路供电模式，如果某一回路出现故障，可迅速切换至另一回路，从而保证供电。在辐射式接线中，冷藏集装箱直接与配电板接通，形成单一回路，其电源的可靠性相对较低。环式接线虽然存在较强的技术优势，但冗余设计导致其需要更多的供电线路和电气元件，成本也相对更高[3]。鉴于此，在供电方式选型中应兼顾可靠性与成本控制，如果船舶运送的常规物资价值较高，应采用环式接线。相反的，如果船舶对供电可靠性要求较低，或者更加关注改造成本，可选用辐射式接线。结合实际需求，该船舶在加装冷藏集装箱时采用辐射式接线。

2.2 配套电气设备容量计算

2.2.1 变压器新增容量计算

冷藏集装箱的增加可影响发电机、变压器、通风机械等各种配套电气设备，变压器容量是系统校核的关键。在此之前应该计算出冷藏集装箱和风机的新增功率之和。船舶进入航行期之后，冷藏TEU 的最低制冷功率为额定制冷功率的60%，风机采用了变频技术，最低运行功率按照额定功率的75%进行计算，于是可求得新增负荷功率的最小值，计算方法为2500×60%+（140.62+191.78+115.05）=1947.45kW。新增负荷后变压器容量的计算方法如下。

式中，S1为变压器需要新增的容量，将变压器的建议新增容量记为S2，冷藏TEU 的功率之和记为Pn，η1和η2表示变压器负荷占比，η1的取值为0.8，η2 的取值为0.85。

2.2.2 继电保护系统的校核

继电保护是船舶电气系统的重要组成部分，主要由一次电气设备、二次电气设备和元件、保护回路等组成。冷藏TEU 改变了发电机、变压器等设备，其对继电保护回路的触发和保护动作执行也可能产生一定的影响。在电气系统设计中必须重新校验、整定保护电流等参数。现有保护回路的电缆截面积为固定值，需校验相应的电流关系。将电缆的截流量记为Ic，负载电气设备的额定电流记为In,断路器的整定电流记为Is。继电保护校核的内容为检验Is＞In、Ic＞In、Ic＞Is三种关系是否成立[4]。

断路器是重要的继电保护设备，当系统出现异常时，断路器可快速切断故障电流，达到保护一次设备的目标。通常情况下，系统短路时电流强度瞬间增大，一旦达到触发条件，断路器自动接通，执行保护操作。断路器在改造后的系统中能否发挥保护作用，可按照以下方法进行校核。

式中，将计算得到的对称短路电流和峰值短路电流分别记为Iac、Ip，触发断路器接通的短路电流记为Icm,断路器的短路分断电流阈值记为Ics。

2.2.3 电力电缆负载能力校核

电缆具有设计载流限值，其本身也存在一定的电阻值，按照焦耳定律，假设电缆的阻值为R，流经电缆的电流强度记为I，则经过时间T 所产生的焦耳热为Q=I2·R·T。集装箱船原本的设计方案能够满足电力线缆的安全运行，但加装冷藏TEU 之后，负载变大，流经线路的电流有所增加，单位时间内可生成更多的焦耳热，有可能导致电力线缆过热，甚至烧毁[5]。因而需要校验流经船舶电力电缆的电流是否超过安全阈值，相应的校核计算方法如下。

2.2.3.1 计算电缆的最大负载电流强度

冷藏TEU 采用三相电源，于是可计算交流电的等效最大电流，计算方法为：

式中，将冷藏TEU 的功率因数记为cosФ，Pn 为相应的额定功率，U 为设备运行时的交流电压。

2.2.3.2 修正系数

电缆的敷设方式、敷设环境对其散热效果可产生显著的影响，出于综合布线的需求，通常将电缆敷设在穿线管或者桥架中，既能起到保护作用，又能达到整齐划一的效果。但这种布设方式制约了电缆的散热效果。如果电缆布设在船体的外部空间或者具有热源的空间，有可能存在较高的环境温度，同样干扰其散热。基于以上原因，在特定环境中需设置修正系数，从而提高电缆负载电流的计算精确性。例如，当电缆成束敷设时，修正系数ɑ 可取为0.85。因而式（7）的计算表达式中应乘以系数ɑ，此时计算所得的最大电流值有所下降。环境温度对电缆修正系数的影响可参考表3，相关数据来自某电缆生产厂家。

表3 环境温度与修正系数的关系

2.2.3.3 电压修正

从公式（7）可知，电压U 也是影响In 计算结果的重要参数，大型集装箱船的电缆长度较大，在电力传输过程中，线路上存在一定的压降，且降幅与电缆长度呈正相关。修正电压值能够提高电缆最大负载电流的计算精度，使其更加符合客观实际。

式中，将单相两线制回路的电压降记为ΔU1,三相交流回路下的线路压降记为ΔU2,电缆的长度可记为L,R、S、U 分别为电导率、截面积以及设备的额定工作电压。

2.3 辅助功能设计

2.3.1 集装箱冷藏监测功能

冷藏TEU 用于存储需要低温保存的物资，如进口的肉类产品、水果、药品等。冷藏TEU 一旦出现故障，有可能导致物资变质，造成较大的经济损失。因而在船舶加装冷藏集装箱时，应同步设计相应的数字化监控系统，功能包括三个方面，其一是远程控制冷藏TEU 开启或者关闭制冷功能，其二是实时监控在运行的冷藏集装箱的温度，其三为辅助识别、定位冷藏集装箱故障。为保证可靠性，可采用电力载波技术采集和传输冷藏TEU 的各种运行信号，在其内部设置耐低温的传感器，用于采集温度、湿度、电压、电流等参数，再借助通信线缆，将信号回传至系统后台。管理人员可在操作界面上实时掌握每一个冷藏TEU 的运行状态，当设备出现故障时，系统可自动显示故障所在的货舱编号、集装箱编号。系统与传感器间的通信接口可采用RS485。

2.3.2 风机控制参数设计

大量冷藏集装箱的同步运行会在货舱内产生较多的热量，风机的数量、功率、运行控制方式等应满足通风散热的需求，且风机应具备长期稳定的通风能力。在电气系统设计中需精确计算出货舱容积、冷藏集装箱的散热量、其他热源的散热量、风机的通风量、货舱在特定时段内的换气次数。该项目经过缜密的计算，求出了三个目标货舱的新增风机数量。2 号货舱新增风机11个，3 号货舱为15 个，5 号货舱为9 个，单个风机的输出功率均为15kW。另外，每个冷藏箱的冷却空气量以4.800m3/h 进行计算。

3 结语

综合以上研究内容，在既有集装箱船上加装冷藏箱时，可根据集装箱的数量和制冷时的输出功率确定总能耗，同时计算出货舱通风散热所需的电能。以此为基础，考察船舶的发电能力、电缆负载能力、继电保护触发条件、保护动作执行等是否受到影响，如果校验后发现存在问题，则必须对现有电气系统进行升级，使其完全符合加装冷藏箱的电力需求，如增加通风机数量、扩大变压器容量等。