CC BY
98УДК 621.3:629.5
А.Н. Рак
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 83000 e-mail: Alexander.Rak@mail.ru
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОРСКИХ СУДОВ ОТ БЕРЕГОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
В статье рассматриваются особенности электроснабжения морских судов от береговой сети для соблюдения требований правил безопасности и обеспечения экологических норм в соответствии с международными конвенциями. Статья будет полезна не только судовым электромеханикам, но и работникам, занимающимся технической эксплуатацией флота.
Ключевые слова: морское судно, электроснабжение, береговая сеть, парниковые газы, береговая инфраструктура, кабель, индукция.
^N. Rak
Donetsk National Technical University, Donetsk, 83000 e-mail: Alexander.Rak@mail.ru
SPECIFIC FEATURES OF POWER SUPPLY OF MARINE SHIPS FROM COASTAL SOURCES OF ELECTRIC ENERGY
The article discusses specific features of the power supply of marine motor vessels from the coastal network, to comply with the requirements of safety rules and ensure environmental standards in accordance with international conventions. The article will be useful not only to ship electrical engineers, but also to workers involved in the technical operation of the fleet.
Key words: motor vessel, power supply, coastal network, greenhouse gases, onshore infrastructure, cable, induction.
Вступившее в 2005 г. приложение VI к Международной конвенции по предотвращению загрязнения атмосферы (МАРПОЛ) [1], принятое Международной морской организацией (ИМО) в 1997 г., обязывает судовладельцев или операторов принять меры к сокращению вредных выбросов в атмосферу от морских транспортных судов. К выбросам были отнесены окислы серы и азота, а также летучие органические соединения и озоноразрушающие вещества (фреоны). Из всего перечня нормирование выбросов устанавливалось только для окислов серы и азота. Дальнейшие шаги ИМО, предпринятые в данном направлении, требуют выполнения комплекса мер, направленных на повышение энергоэффективности судов [2], которое напрямую связано с количеством используемого топлива и выбросами углекислого газа (СО2), формально не относящегося к загрязнителям, но являющегося парниковым газом (ПГ), а контроль за его выбросами подпадает под требования Рамочной конвенции ООН об изменении климата [3]. В дальнейшем, по-видимому, ИМО введет ограничения на выбросы сажи и летучих органических веществ (летучих паров нефти и нефтепродуктов).
К сожалению, в политике многих государств Евросоюза в настоящее время все чаще проблемы охраны окружающей среды используются в конкурентной борьбе с другими странами: происходит навязывание не только новых стандартов по выбросам, но и европейского оборудования для очистки выхлопных газов. Это делается не столько в целях защиты экологии, сколько для обеспечения европейским производителям рынка сбыта их экологического оборудования. В Европе сформировался крупнейший в мире рынок продукции экопрома - комплекс отраслей
с соответствующим технологическим и производственным потенциалом, обеспечивающим значительную часть (около 1 трлн долл.) мирового оборота очистного и другого экологического оборудования. Введение новых стандартов даст дополнительный толчок его развитию, но и увеличит себестоимость перевозок судами.
Правительства многих стран, портовые власти и владельцы морских судов путем поиска и изучения возможных технических решений, направленных на сокращение выбросов судов во время портовых операций, пришли к единому мнению - необходимо питание от береговой сети. Экологические характеристики электричества, вырабатываемого электростанциями на берегу, по сравнению с дизельными генераторами судов, работающими на котельном топливе, являются одним из основных преимуществ данной технологии. При таком подходе органы экологической инспекции могут находить ответы на конкретные местные проблемы, например загрязнение, а также снижение шума и вибрации вблизи портов. На рис.1 показано снижение эмиссии газов при питании судна от береговой сети.
-90% "95%
-54% СО2 -97% МОх взвешенные -86% СО -55% N20 летУчие частицы тоединетш
Рис. 1. Снижение эмиссии газов при питании судна от береговой сети
Таким образом, целью данной работы является ознакомление электромехаников морских судов с особенностями электроснабжения от береговой сети.
Электроснабжение в порту (рис. 2), как правило, ничем не отличается от электроснабжения небольшого предприятия.
Рис. 2. Общий вид электроснабжения судна от береговой электроэнергетической системы: 1 - генератор; 2 - высоковольтный выключатель; 3 - трансформатор; 4 - преобразователь частоты (50/60Гц), позволяющий соединять две или более сети переменного тока среднего напряжения с различными напряжениями, фазовыми углами и частотами; 5 - соединительный кабель
Для обеспечения большей привлекательности предоставления данной услуги характер и расположение мест подключения электроэнергии должны быть приведены к единому стандарту. Работа над ним стартовала в начале 2005 г. В число основных участников этой работы вошли разработчики технологических решений, правительственные органы, владельцы судов (в частности, круизных судов, танкеров и контейнеровозов), классификационные общества и др. МЭК
(Международный электротехнический комитет), ISO (международная организация по стандартизации) и IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике (США)) объединили свои усилия для создания стандарта, который четко и однозначно обеспечит унификацию соединения.
Такой стандарт коснется спецификаций, монтажа и тестирования береговых систем подач электроэнергии, станций и систем для обеспечения электромагнитной совместимости: береговая распределительная система; присоединение между берегом и судном; трансформаторы/реакторы; полупроводниковые и вращающиеся преобразователи; судовые системы распределения; управление, наблюдение, блокировка и системы управления энергией.
Прежде чем осуществлять передачу электрической энергии, необходимо подать заявку и определиться с ее количеством. Форма заявки приводится в работе [4]. Ориентировочная мощность, потребляемая различными типами судов от береговой сети, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Ориентировочная мощность, потребляемая судами различных типов от береговой сети
Во всем мире сейчас применяются уже зарекомендовавшие себя технологии для передачи электроэнергии. При этом особое внимание уделяется такому техническому вопросу, как безопасное управление кабельными системами. Для каждой береговой точки подключения портом или терминалом должен быть предоставлен выделенный трансформатор, служащий для двух целей: во-первых, он обеспечивает требуемую гальваническую развязку (неметаллическое прямое соединение между береговой сетью и системой судна) таким образом, чтобы замыкание на землю сети судна не представляло опасности для береговой сети и наоборот; во-вторых, трансформатор уменьшает напряжение с оптимизированного для распределения уровня (например, 20 кВт) до одного или двух уровней напряжения, принятых в качестве стандарта для соединения между берегом и судном: 11 или 6,6 кВ в зависимости от судна. Многие из современных судов с оборудованием для подключения к береговой сети были переоснащены, а не изначально построены с таким оборудованием.
Каждая береговая точка подключения к сети требует распределительное устройство среднего напряжения с автоматическим переключателем заземления. В сущности, распределительное устройство (РУ) прерывает подачу энергии, а переключатель гарантирует, что в кабелях между берегом и судном во время обслуживания и подсоединения не остается никакой энергии. Поскольку самый высокий риск, связанный с таким подключением к сети, - это травмы персонала, работающего с кабелями и системами, то наличие такого РУ является критически важным.
Статический преобразователь частот (ПЧ) необходим для большинства береговых точек. Большинство судов работает на частоте 60 Гц, тогда как частота местных сетей во многих странах мира составляет 50 Гц. При этом с их помощью обеспечивается экономичное решение подсоединения любого судна к сети с любой частотой. Кроме того, ПЧ улучшают общее качество электроэнергии береговой сети с помощью повышения коэффициента мощности и стабилизации напряжения и частоты. При отсутствии в береговой инфраструктуре ПЧ можно воспользоваться судовым (рис. 4).
Наконец, портовая инфраструктура для подачи электроэнергии с берега на судно должна включать систему автоматизации и связи, которая позволяет обслуживающему персоналу
координировать подсоединение кабелей и синхронизировать электрическую нагрузку судна с подачей питания с берега. Это стало возможным с помощью двух выносных терминалов (RTU), один из которых находится на борту судна, а второй - на берегу. Терминалы оснащены Ethernet-связью через оптоволоконный кабель.
Береговой ист°чник Оборудование на
питания стороне генератора Сетевой преобразователь
QO
-I
I
Фильтр
А-СЕН-
тш
Фильтр —QO"4^—
—GD-
Валогенератор
Вспомогательные нагрузки, включая однофазные потребители
г х
Ь©
кэ
Рис. 4. Стандартизованные конфигурации для применения берегового источника питания и валогенератора
Передача электроэнергии может осуществляться двумя способами: традиционным с кабельным подключением (рис. 5) и беспроводной индукционной зарядкой (рис. 6). В районах с нестабильным электроснабжением в порту также можно использовать береговую аккумуляторную батарею для зарядки судовых аккумуляторов.
Для большинства транспортных судов и судов для перевозки трейлеров кабель устанавливается на судне и спускается через бобину или барабан к причалу, где его подсоединяют к сети. Для электроснабжения круизных судов кабель всегда находится на берегу с небольшим встроенным гидравлическим рукавом для направления. Когда система управления кабельной системой расположена на берегу, электрическое подсоединение на судне осуществляется с помощью панели соединительной арматуры для приема энергии с берега. В большинстве случаев такая панель должна располагаться вблизи корпуса судна и в пределах удобной досягаемости для тяжелых кабелей на берегу.
Рис. 5. Традиционное кабельное подключение Рис. 6. Технология с беспроводной индукционной зарядкой
Береговая соединительная панель должна содержать: автоматический выключатель, релейную защиту, присоединительное устройство (штепсель и кабель заземления), интерфейс управления с интегрированной судовой системой автоматизации или системой управления энергией, устройства контроля и учета переданной на борт судна электроэнергии.
Кроме того, при осуществлении электроснабжения судов от береговой сети необходимо применять и унифицированные решения для присоединения соединительных кабелей к береговой сети (рис. 7).
Следует отметить, что поскольку потребности в электроэнергии и мощность судов сильно отличаются, то соблюдение единого стандарта оказалось невыполнимо. В результате были разработаны четыре отдельных, но взаимосвязанных стандарта для трейлерных судов, контейнеровозов, круизных лайнеров и танкеров. Еще существуют два основных стандартных напряжения для подсоединения питания - 11 кВ и 6,6 кВ [5].
а б
Рис. 7. Штекерные соединения для присоединения силовой нагрузки и питания цепей управления, автоматики и связи, выполненные в соответствии со стандартами 1ЕС/К0/1ЕЕЕ 80005 и МЭК 62613-2: а - вилка (1 - для подключения силового кабеля; 2 - для подключения цепей автоматики и связи); б - розетка для подключения силового кабеля
Кроме проблем сугубо технического характера, такой подход поможет решить не только экологические проблемы, но и проблемы эксплуатационные. На рис. 8 приведены экономические показатели применения питания судов от береговой сети.
Цэ, € й/кВт . ч 30.0
25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0
Экономия при питании судна от береговой электроэнергетической системы
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
Цт, Ш $/т
Рис. 8. Зависимость экономии при питании судна от береговой электроэнергетической системы
Подводя итог, можно сделать следующие выводы:
1. Портовые власти должны создавать или регулировать свою инфраструктуру для обеспечения питания от береговой сети большинства типов судов с целью увеличения грузооборота при строгом соблюдении экологических норм и норм безопасности.
2. Введение единого стандарта повлечет за собой увеличение инвестиционных затрат не только с портовых властей, а и со стороны судовладельцев, но при этом экономия денежных средств при питании судов от береговой сети позволит экономить до 5 €с/кВтч.
Литература
1. МАРПОЛ. Книга III, пересмотренное Приложение VI к МАРПОЛ «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов», Издание ЗАО «ЦНИИМФ». - 2012. [Электронный ресурс]. - URL: http://docs.cntd.ru/document/499014496 (дата обращения: 30.03.2020).
2. Guidelines on survey and certification of the energy efficiency design index (eedi), as amended (resolution mepc.254 (67), as amended by resolution mepc.261 (68)) [Электронный ресурс]. - URL: https://wwwold.prs.pl/files/parent225/p103p_en.pdf (дата обращения: 20.07.2020).
3. Киотский протокол к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата. Принят 11.12.1997. - Киото, Япония: ООН, 1998. Reference - see page 95.
4. РД 31.21.81-79. Инструкция по электроснабжению судов от береговых сетей. Разработана ЦНИИМФ. - Л.: 1979. - 10 с.
5. Shore connection power supply system for ships: SIHARBOR [Электронный ресурс]. - URL: siemens.com/siharbor (дата обращения: 30.06.2020).
