“中海天王星”轮AMP系统施工设计与实现

刘 峰, 贺 鑫, 张欢仁

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

“中海天王星”轮AMP系统施工设计与实现

刘 峰, 贺 鑫, 张欢仁

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

船舶岸电技术可降低船舶副机运行时排放的废气对港口造成的污染，许多发达国家都在码头建立中压岸电系统，提供在港期间的船舶用电。伴随码头中压岸电(Alternative Marive Power,AMP)系统技术的日渐成熟，会有越来越多的船舶着手安装中压岸电系统设备。通过介绍14 100 TEU集装箱船“中海天王星”轮安装AMP系统的施工方案，为类似项目的施工设计研究提供参考。

中压岸电； 强度计算； 冷缩终端； 耐压测试

0 引 言

近几年，美国和欧洲等发达国家都已建立码头中压岸电系统，要求船舶在靠港期间停止使用船舶副机发电，通过连接码头岸电来满足在港期间的用电需求，这样可减少船舶副机的运行时间，有效降低硫化物、氮氧化物及温室气体的排放量，减少噪声污染。上海船舶运输科学研究所积极参与船舶节能减排研究，自主研发的中压岸电(Alternative Marive Power, AMP)系统已得到船级社认可。在中远海运集团有限公司的支持下，该AMP系统已在14 100 TEU集装箱船“中海天王星”轮上得到成功示范应用。这里以“中海天王星”轮为例，对该船安装AMP系统的施工方案进行分析。

1 AMP系统简述

AMP系统是指船舶在靠泊期间不再使用船舶发电机供电,而是采用港口电网提供的6.6 kV/60 Hz岸电供电，使用船上安装的岸电缆车，通过2根载流量为350 A的柔性电缆连接岸电[1]，将岸电传输到船上。

AMP系统一般由中压岸电缆车、岸电连接配电屏和岸电接入屏组成,岸电控制系统通常集成在接入屏内。由于该项目是将AMP系统安装在现有船舶上，因此受原船配电系统空间的影响，岸电系统控制单元采用独立的岸电控制屏来实现(见图1)。

2 施工方案设计

AMP系统安装的目标船舶是中远海运集团有限公司2012年投资建造的14 100 TEU集装箱船“中海天王星”轮，该船入级DNV-GL。由于是改装设计，因此AMP系统施工方案的主体设计思路是保持原船的系统及布置不变，利用原船建造时预留的AMP系统设备安装空间，尽量减少改装工作量。反复对新增加的AMP系统设备的布置及电缆的走向进行实船调研。此外，根据船舶所有人和规范的要求及船厂施工条件，并结合AMP系统设备的特性，制订合理的施工方案。在船上确认设备安装区域后，根据预定的方案对设备之间的电缆连接通道进行实地勘测，并结合实船的布置优化电缆路径。

2.1AMP系统设备布置

由于是在现有船舶上增加AMP系统设备，因此新设备的安装及电缆敷设所需的空间尺寸必须严格把控，根据实船情况，并通过与船舶所有人、船厂及验船师一起进行实地勘察，最终落实设备定位和电缆敷设路径，确定最优方案，确保施工方案的可行性和施工误差的可控性。具体设备布置示意见图2，施工方案要点如下。

2.1.1 中压岸电缆车在A-DECK(E/R SPACE)甲板左舷/右舷露天区域的安装

缆车防护屋有中压通道和操作通道2条通道，通道内部无连接，均直接通向甲板区域。若采取中压岸电缆车横向布置在甲板左/右区域，会导致中压通道的侧门距舱壁太近，不满足规范对安全通道的最小宽度600 mm的要求[2]。经与船检部门、船舶所有人和船厂协调，对原防护屋进行改装，在侧壁上增加一部直梯，以满足规范对通道的要求。 岸电缆车布置及安装图见图3。

2.1.2 岸电连接配电板在A-DECK(E/R SPACE)甲板左舷AMP PANEL ROOM中的安装

船舶在A-DECK甲板左舷和右舷各预留一间AMP PANEL ROOM，设备均为下进线，右舷的AMP PAENL ROOM下方为油漆间。考虑到油漆间为危险区域，设备的安装和电缆的敷设均较难处理，因此将岸电连接配电板布置在左舷的AMP PANEL ROOM内。在进行设备定位时，充分考虑设备操作方便、小车操作空间充足、泄压通道设置合理和电缆接线方便等因素。

岸电连接配电板布置在左舷面临的问题是电缆敷设非常困难。由于下方为应急发电机室，原室内电缆的走线已经较多，容易产生电缆交错和转弯难的问题。该船主电缆采用错位转弯进线的方案，并对电缆敷设进行三维放样，可成功解决上述难题。

在选择穿舱件时，由于岸电连接配电板底部设有零序互感器，需考虑主干电缆的布置，解决电缆穿过零序互感器的问题。岸电连接配电板布置及安装图见图4。

2.1.3 岸电控制屏在2TH-DECK的H/V MSB ROOM 内的安装

岸电控制屏主要对AMP系统设备进行集中控制。为方便AMP操作时观察和控制电缆的连接，特将岸电控制屏安装在中压配电板的AMP接入屏附近。岸电控制屏的布置及安装图见图5。

2.1.4 对原船中压配电板的岸电接入屏的改造

岸电接入屏的改造只有在中压配电板停止通电后才能进行。由于船舶停港期间所需岸电容量较大，船厂供电困难，岸电接入屏的改造面临工期短、空间小和技术人员工作难等问题。在改造前必须对整个改造期间的施工次序进行合理的计划，并对接入屏的高/低压电缆通道进行贯通，只有如此，才能对屏内实施有效改造。此外，高压电缆通道还需考虑零序互感器的安装和穿线方便等问题。 岸电接入屏的改造图见图6。

2.2中压缆车区域船体结构强度分析

2.2.1 结构受力分析

图2中，在A甲板左舷和右舷分别安装中压岸电缆车，中压岸电缆车由缆车和缆车防护屋组成，单个绞车的质量为3.3 t，缆车和缆车防护屋总质量以6 t计算。根据总布置情况，船体结构左、右对称，现对左舷进行强度计算。

依据《钢质海船入级规范》中有关集装箱的受力与系固设备的计算[3]，作用在缆车和缆车防护屋上的受力分析见图7。

(1) 作用在缆车和缆车防护屋上的横向力Fy为

Fy=Gat+Q

(1)

式(1)中：G为集装箱的总质量,tf；at为横向加速度，m/s2；Q=qA,kN;q为风压;A为受风面积。

2) 作用在缆车和缆车防护屋上的纵向力Fx为

Fx=Ga1

(2)

式(2)中：G为集装箱的总质量，tf；al为纵向加速度，m/s2。

3) 作用在缆车和缆车防护屋上的垂向力Fz为

Fz=9.81G·cosφm+Gav

(3)

式(3)中：G为集装箱的总质量，tf；φm为最大横摇角，rad；av为垂向加速度，m/s2。

2.2.2 有限元分析报告

缆车和缆车防护屋下面的船体基座见图8，缆车防护屋与船体基座最外围1圈焊接，缆车基座与图8中的船体基座由16个M20的螺丝连接，有限元模型采用毫米建模(见图9)。

载荷由缆车和缆车防护屋自身质量及船舶运动各方向的加速度计算得出。自身质量通过total load加载(约为588 600 kg),船舶加速度通过重心MPC点加载，X方向加速度为6.85 m/s2,Y方向的加速度为1.5 m/s2,Z方向的加速度为5.19 m/s2。计算结果见表1。

经计算，岸电缆车和缆车防护屋下结构强度已满足要求。

2.2.3 螺栓受力分析

六角螺栓的规格为M20，螺栓组共有4组，每组有4个，等级为4.8，材料为45号钢，屈服强度为320 N/mm2，螺栓公称应力截面积为245 mm2，岸电缆车质量为3.3 t。

根据《钢质海船入级规范》可计算出:螺栓组所受最大应力为22.8 kN;单个螺栓拉应力σ=23.27 N/mm2;单个螺栓的剪切应力τ=0.82 N/mm2;单个螺栓的等效应力σVM=23.31 N/mm2；单个螺栓的安全系数n=13.7>2,受力完全满足要求。

应力许用应力/(N/mm2)实际应力/(N/mm2)正应力23511．5剪应力1226．63

2.3 电缆敷设

规范要求中压电缆转弯半径为12倍的电缆外径，电缆敷设空间需求大，而该船由于空间极小，电缆敷设十分困难，施工难度较大。因此，采取合理的施工方案和施工工艺来优化电缆走向及敷设，同时可减少船舶施工的工作量。

该船的低压电缆主要利用原船的低压通道敷设到相应的设备上，而中压电缆通道则需重新设计。在改造过程中，中压电缆分左舷缆车至岸电连接配电屏、右舷缆车至岸电连接配电屏和岸电连接配电屏至AMP接入屏等3段敷设, 设备均为下接线,电缆走向示意见图13，AMP系统电气图见图14。

2.3.1 左舷缆车至岸电连接配电屏

由左舷缆车中压接线箱向下引至UPPER DECK ,经DECK STORE到应急发电机室,然后上引到A甲板AMP间岸电连接配电板(左舷岸电接入屏)。

2.3.2 右舷缆车至岸电连接配电屏

由右舷缆车中压接线箱向下引至UPPER DECK ,经DECK STORE、油漆间(穿管敷设)、储藏室、右风机室、机舱、左风机室到应急发电机室,然后上引到A甲板AMP间岸电连接配电板(右舷岸电接入屏)。

2.3.3 岸电连接配电屏到AMP接入屏

由AMP间岸电连接配电板的岸电供电屏向下引至UPPER DECK ,经左风机室和设备间到 3TH-DECK的发电机平台,然后沿机舱开孔附近的原电缆托架(原电缆托架加层)直接敷设至AMP接入屏下，再向上引至AMP接入屏中压接线处。

2.4施工工艺

AMP系统的各项施工工艺应满足规范要求、船厂施工质量标准和船舶电缆敷设工艺等，基本工艺要求如下。

2.4.1 设备安装基本工艺

根据设备底座图，预先在车间制作缆车防护屋的底座。依据设备定位图对底座进行定位固定，对设备进行定位时首先考虑安装后是否方便操作、拆卸和检修。此外，与舯线平行或垂直引入电缆的穿舱件用填料封闭；缆车防护屋内、岸电连接配电板和岸电控制屏的前后应铺设防滑和耐油的绝缘垫。

2.4.2 电缆敷设基本工艺

电缆的走线应尽可能地平直且易于检修，电缆的敷设不应破坏舱壁或甲板原有的防护性能及强度。油漆间电缆穿管系数(电缆外径截面积的总和与管子的内截面积之比)<0.4，低压电缆的最小弯曲半径大于等于电缆外径的6倍。

中压电缆与低压电缆分隔开敷设,且中压电缆单独敷设。中压系统的电缆应至少与低压电缆相距50 mm敷设，中压电缆的最小弯曲半径应大于等于电缆外径的12倍。中压电气设备的金属外壳均应用铜质软导线可靠接地。中压电缆引入电气设备后，采用船检部门认可的中压电缆冷缩终端工艺(见图15)。

2.4.3 设备和电缆的接地工艺

电气设备可用专用多股黄绿导线接地，接地导线应尽可能短，并直接连接到船体固定结构或与船体相焊接的基座上。金属护套电缆可把电缆从金属护套中抽出，然后把金属护套编成辫子状，压上铜接头固定在接地柱上，在辫子根部用胶带扎紧。成束电缆进入同一设备时，把几根电缆金属护套编成一根接地辫子来接地。

2.4.4 中压接线工艺

冷缩终端工艺是利用冷缩管的收缩性，使冷缩管与电缆完全紧贴，同时用自黏带密封端口，使其具有良好的绝缘和防水防潮效果。在中压电力系统中，冷缩终端以其施工维护方便和供电可靠性高等特点得到广泛应用。冷缩终端制作是一项技术性较强的工作，需由专业人员严格按照工艺流程、工艺标准和设备标准要求来完成。该船上的AMP系统中压电缆接头采用的是3M公司的交联聚乙烯绝缘电力电缆适用的冷缩终端接头工艺，其基本步骤如下。

(1) 中压电缆预处理。将电缆校直、擦净和端头锯齐。清除护套表面的污垢后，用专用砂纸打磨护套口下方50 mm处，将其清洁干净，按图示尺寸剥除外护套，留25 mm钢铠，在钢铠护套处保留10 mm的内护套，其余剥除(根据现场实际情况确定，其尺寸应≥320 mm)。

(2) 安装接地线。打磨钢铠后，用恒力弹簧将第1根接地编织线(较短的一根)固定在钢铠上，并用专用胶带包覆恒力弹簧和衬垫层。待第1根接地线处理完成后，在其相背位置的三芯铜屏蔽带的根部缠绕第2根接地线(较长的一根)，使其与三相铜屏蔽带均相互接触；同时，将其向下引出，用恒力弹簧将第2根接地线固定，并用半重叠绕包专用胶带将恒力弹簧全部包住。

(3) 安装三叉手套。首先用胶带将钢铠、恒力弹簧和内护套全部包住；然后将接地线平直放在护套口下方绕包的专用胶带上，将接地线夹在中间，形成防水口；最后套入三叉手套至电缆的根部，分别收缩三叉手套，用专用胶带将接地线沿电缆表面固定。

(4) 安装冷缩直管。套入冷缩直管使其收缩，与三叉手指搭接至少15 mm，测量电缆顶部至冷缩管管口的距离，环切除多余的冷缩直管，确认两者间的距离满足冷缩终端管的安装要求。

(5) 终端安装准备。从电缆半导电层断口往下量75 mm，用专用胶带作冷缩终端的收缩基准标志；在铜屏蔽带断口处缠绕专用带，防止损伤终端本体。

(6) 安装接线端子。压接安装接线端子，清洁接线端子，磨去锐角和毛刺；在主绝缘端部做出倒角，使半导电层与绝缘层平滑过渡；打磨及清洁电缆主绝缘。在外半导电端口涂上硅脂，可起到润滑、排除间隙和减少局部放电等作用。

(7) 安装冷缩终端。套入冷缩式终端，定位在专用带的收缩基准处并收缩到位；在接线端子上缠绕专用绝缘胶带，使其外径与主绝缘外径接近。

2.5中压电缆耐压测试

电力电缆绝缘性能关系到电网的用电安全，通过电气预防性试验及时发现电缆故障是保证电力电缆安全运行的重要措施。为检验和保证中压电缆的施工质量及冷缩终端工艺，需在通电前对电缆进行耐压试验。中压电缆的耐压试验一般分为直流电压耐压试验和交流电压耐压试验。根据试验条件，该项目采用直流耐压试验，测试电压应≥4.2Uo(Uo为电缆额定电压)，试验电压保持时间≥15 min。试验完毕后，导体应接地一段时间，以清除聚集的电荷。

3 结 语

AMP系统已成功安装在14 100 TEU集装箱船“中海天王星”轮上。虽然面临改造工期短、施工难度大、电缆敷设难和调试条件欠缺等问题，但依托合理的施工方案、周密的工作计划和科学的施工工艺，在确保施工安全的前提下，在有限的时间内保质保量地完成了AMP系统安装工程。AMP系统的成功安装充分证实了施工方案的合理性和重要性，同时充分展现了AMP系统的研发技术水平、施工方案的合理性及现场配合的综合能力。在上海洋山港成功对AMP系统进行了船岸供电试验，为“中海天王星”轮在港期间连续供电16 h，节省燃料约3.3 t，减少CO2排放约10 t，同时降低了硫化物、氮氧化物及噪声等污染，岸电资费也低于燃油费用[4]。AMP系统的使用可取得显著的节能减排效果和经济效益，对提高超大型集装箱船关键设备的国产化配套有着积极的意义。

[1] 袁亮,杨捷,顾璞,等. AMP系统在集装箱船上的应用研究[J].船舶与海洋工程,2013(3):46-49.

[2] DNV-GL.DNV GL Rules for Classification[S].2017.

[3] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：中国船级社，2015.

[4] 林结庆,宋景霞. 港口船用岸电经济效益及投资模式[J].水运工程,2016(10):50-53.

ResearchandImplementationofAMPConstructionDesignonCSCLURANUS

LIUFeng,HEXin,ZHANGHuanren

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

shore power system to supply the power of ship during in port, as higher and higher to the sailing low carbon requirement, many developed countries have set up medium voltage The Alternative Marive Power(AMP) system can reduce exhaust emission in port. Along install with the terminal construction of medium voltage shore power system, there will be more and more ships to install AMP system. Introduce the construction design of the AMP system on CSCL Uranus, and hope to provide a reference for the construction design of similar projects in the future.

AMP; strength calculation; cold-shrink cable terminal; high-voltage insulation test

U653.95

A

2017-06-23

工信部“中压大容量交流岸电系统国产化研制”项目(国研658C-6172)

刘 峰(1983—)，男，湖北荆州人，工程师，主要从事船舶电气工程及研究。

1674-5949(2017)03-0021-08