Επιλογή Μετασχηματιστή Παροχής Ρεύματος από την Ακτή: Καθορισμός Προμήθειας Συστήματος «Cold Ironing» για Θέσεις Πρόσδεσης 6,6 kV και 11 kV

 

 

Η πρόσκληση υποβολής προσφορών περιείχε είκοσι σελίδες για τα πολιτικά έργα και μία γραμμή για το ηλεκτρικό τμήμα: προμήθεια και εγκατάσταση ακτοπλοϊκής ηλεκτροδότησης 6,6 kV. Ρωτήσαμε τον ηλεκτρολόγο μηχανικό του λιμένα σε ποια συχνότητα λειτουργούσε ο επισκέπτης στόλος. Ακολούθησε μια παύση, και στη συνέχεια ήρθε η απάντηση: «ό,τι είναι το συνηθισμένο». Αυτή η μία αναπάντητη ερώτηση καθορίζει την τάξη του μετασχηματιστή Παροχής Ακτής , εάν η θέση ελλιμενισμού χρειάζεται καθόλου στατικό μετατροπέα συχνότητας και εάν ένα πλοίο κρουαζιέρας μπορεί πραγματικά να συνδεθεί όταν φτάνει.

Η «ψυχρή ελλιμενισμός» (cold ironing) έχει μετατοπιστεί από ένα αντικείμενο πιλοτικού έργου σε προϋπόθεση άδειας σε ολοένα και περισσότερους λιμένες, και το ηλεκτρικό πακέτο είναι συνήθως το τμήμα που συντάσσεται τελευταίο και ελέγχεται λιγότερο. Αυτός ο οδηγός καλύπτει τι πρέπει να αντέξει ένα μετασχηματιστή Παροχής Ακτής σε μια θέση ελλιμενισμού, ποιες τιμές πρέπει να περιλαμβάνονται στην προδιαγραφή και τις λεπτομέρειες σχετικά με αρμονικές ταλαντώσεις και διάβρωση που καθορίζουν εάν η μονάδα θα εξακολουθεί να λειτουργεί μετά από δεκαπέντε χρόνια έκθεσης στον αλμυρό αέρα.

Το φορτίο της ψυχρής ελλιμενισμού δεν είναι ένα φορτίο κτιρίου

Ένα πλοίο στον υπόστεγο απενεργοποιεί τους βοηθητικούς κινητήρες του και λαμβάνει όλη την ηλεκτρική ενέργεια από την ξηρά: φορτίο ξενοδοχείου, ψυγεία (reefers), αντλίες, γερανούς σε πλοία με αυτόματη εκφόρτωση, και σε κρουαζιερόπλοια ολόκληρο το φορτίο κλιματισμού (HVAC) και της κουζίνας. Η κορυφαία ζήτηση είναι υψηλή και εμφανίζεται απότομα. Ένας μεγάλος υπόστεγος κρουαζιερόπλοιων σχεδιάζεται συνήθως για 7,2 MVA σε 6,6 kV, δηλαδή περίπου 630 A ρεύματος δευτερεύοντος κυκλώματος, ενώ ένας υπόστεγος δοχείων με ψυγεία (reefer racks) κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 1,5 και 3 MVA.

Η λειτουργία είναι επίσης επαναλαμβανόμενη με τρόπο που δεν συναντά ποτέ ένας μετασχηματιστής διανομής. Κάθε σύνδεση πλοίου ενεργοποιεί τον μετασχηματιστή του υπόστεγου και στη συνέχεια τον δικό του μετασχηματιστή, οπότε το ρεύμα επαφής (inrush) εμφανίζεται πολλές φορές την ημέρα, μερικές φορές με καλώδιο μήκους 200 έως 400 m μεταξύ του πίνακα υπόστεγου και του πλοίου. Προσθέστε θερμοκρασία περιβάλλοντος 45 °C σε λιμάνι του Κόλπου, σχετική υγρασία 90 % και σχεδιαστική διάρκεια ζωής 20 έως 30 ετών, και το θερμικό περιθώριο που φαινόταν επαρκές στο φύλλο προδιαγραφών αρχίζει να φαίνεται περιορισμένο.

 

Τάση, συχνότητα και η απόφαση για τον μετατροπέα

Η υψηλής τάσης σύνδεση από την ξηρά είναι τυποποιημένη στο IEC/IEEE 80005-1 , και η τροποποίηση του 2021 αυτού του προτύπου υπάρχει κυρίως επειδή η περιστροφή των φάσεων στη διεπαφή πλοίου-λιμένα προκάλεσε προβλήματα κατά τη λειτουργία. Η πρακτική συμπέρασμα για έναν αγοραστή μετασχηματιστών είναι πιο περιορισμένο: η θέση ελλιμενισμού πρέπει να παρέχει την τάση και τη συχνότητα που αναμένει το πλοίο, και ο μετασχηματιστής αποτελεί μόνο ένα μέρος αυτής της αλυσίδας.

Τρεις διαμορφώσεις καλύπτουν τις περισσότερες προκηρύξεις, και απαιτούν τρεις διαφορετικές προδιαγραφές μετασχηματιστών.

 

Διαμόρφωση θέσης ελλιμενισμού	Λειτουργία μετασχηματιστή	Τι αλλάζει στις προδιαγραφές
δίκτυο 60 Hz, στόλος 60 Hz	Μόνο μείωση τάσης, π.χ. από 33 kV σε 6,6 kV	Πλησιέστερη σε μια κανονική μονάδα διανομής: τυπική εμπέδηση, ψύξη ONAN ή ONAF, βαφή C5-M για το θαλάσσιο περιβάλλον
δίκτυο 50 Hz, στόλος 60 Hz	Τροφοδοτεί έναν στατικό μετατροπέα συχνότητας, ή είναι συνδεδεμένος στην έξοδο του μετατροπέα	Ρεύμα πλούσιο σε αρμονικές, συνεχές ρεύμα (DC) στην έξοδο του μετατροπέα, υψηλότερες απώλειες λόγω επαγώμενων ρευμάτων και απωλειών από διασπορά, βοηθητικά συστήματα ανεμιστήρων και αντλιών στην πλευρά του μετατροπέα
δίκτυο 50 Hz, στόλος 50 Hz (πλοία επιβατών, RoRo)	Μόνο μείωση τάσης, π.χ. από 11 kV σε 6,6 kV	Ο λόγος τάσεων και το εύρος ρυθμιζόμενων ακροδεκτών είναι εξοπλισμένοι για τον πραγματικό στόλο, όχι για μελλοντικό

 

Όπου οι συχνότητες ταιριάζουν, ένα μετασχηματιστή Παροχής Ακτής είναι ένα συμβατικό μετασχηματιστικό ή ισχύος μετασχηματιστικό με μη συνήθη προδιαγραφή αντοχής στη διάβρωση. Όπου δεν ταιριάζουν, ο μετασχηματιστής βρίσκεται κατά μήκος της ροής μετά τον μετατροπέα και κληρονομεί το μορφότυπο του κύματός του. Αυτή η δεύτερη περίπτωση είναι εκείνη όπου βρίσκεται η μεγαλύτερη μηχανική κινδύνου, και όπου μια τυπική αξιολόγηση απωλειών γίνεται σιωπηλά λανθασμένη.

 

Όπου οι αρμονικές επηρεάζουν τον μετασχηματιστή

Οι εμπρόσθιες διατάξεις ανόρθωσης των πλοίων αποτελούν την πηγή. Μία διάταξη έξι παλμών παράγει χαρακτηριστικές αρμονικές τάξεων 5 και 7· μία διάταξη δώδεκα παλμών μετατοπίζει τις κυρίαρχες τάξεις στις 11 και 13. Αυτά τα ρεύματα διέρχονται από τον μετασχηματιστή, και οι απώλειες λόγω επαγόμενων ρευμάτων στα τυλίγματα αυξάνονται προσεγγιστικά με το τετράγωνο της τάξης της αρμονικής, οπότε οι αρμονικές τάξεων 11 και 13 προκαλούν πολύ μεγαλύτερη θέρμανση ανά αμπέρ από την θεμελιώδη.

Δύο αριθμοί πρέπει να περιλαμβάνονται στην προδιαγραφή. Ο πρώτος είναι μία επιτρεπόμενη τιμή απωλειών λόγω αρμονικών, η οποία εκφράζεται είτε ως συντελεστής K είτε ως καθορισμένο φάσμα αρμονικών που η μονάδα πρέπει να αντέχει στο ονομαστικό ρεύμα χωρίς να υπερβεί την ανώτατη επιτρεπόμενη αύξηση της θερμοκρασίας. Ο δεύτερος είναι το όριο παραμόρφωσης της τάσης στο σημείο κοινής σύνδεσης, όπου Τα όρια αρμονικών του IEEE 519 καθορίζουν 5 % συνολική παραμόρφωση λόγω αρμονικών για συστήματα μεταξύ 1 kV και 69 kV. Ένας ακροδέκτης 6,6 kV βρίσκεται ακριβώς εντός αυτής της περιοχής.

Αυτό είναι το σημείο που παραλείπεται συχνά στις περισσότερες προδιαγραφές για λιμάνια. Η αύξηση της εμπέδησης του μετασχηματιστή για τον έλεγχο του ρεύματος βραχυκυκλώματος αυξάνει επίσης την παραμόρφωση της τάσης για το ίδιο αρμονικό ρεύμα, διότι μεγαλύτερο μέρος της παραμόρφωσης εμφανίζεται στα άκρα του ίδιου του μετασχηματιστή. Η εμπέδηση, ο αριθμός παλμών του μετατροπέα και ο σχεδιασμός του φίλτρου πρέπει να επιλέγονται από κοινού. Όταν λαμβάνουμε αίτημα για θέση ελλιμενισμού με εμπέδηση 8 %, δωδεκάπλευρο μετατροπέα και χωρίς φίλτρο, επισημαίνουμε αυτόν τον συνδυασμό πριν από την υποβολή προσφοράς.

 

Αλάτι, Υγρασία και Περιβάλλον Θέσης Ελλιμενισμού

Μια θέση ελλιμενισμού είναι ένα παράκτιο σημείο με εξαιρετικά επιθετικό ατμοσφαιρικό περιβάλλον: αλατική ομίχλη, υγρασία από την παλίρροια, καυσαέρια ντίζελ και καθαρισμός με σωλήνα κοντά στο κτίριο του όρμου. Για εξωτερικές εγκαταστάσεις στην αποβάθρα, το σύστημα βαφής πρέπει να προδιαγράφεται σύμφωνα με το επίπεδο C5-M του προτύπου ISO 12944, με ανοξείδωτο χάλυβα 316 για τα εκτεθειμένα πείρια στερέωσης και με βάση δεξαμενής που δεν θα διαβρωθεί στα σημεία αγκύρωσης. Οι βάσεις πλαισίων με θερμή εμβάπτιση σε γαλβάνισμα είναι συνηθισμένες, και ζητούμε το πάχος της επίστρωσης σε μικρόμετρα, όχι με το όνομα του χρώματος.

Η περίβλεψη και η ψύξη εξαρτώνται από την τοποθέτηση. Οι μονάδες με εμβύθιση σε λάδι κατάλληλα για εγκατάσταση σε εξωτερική βάση δίπλα στην θέση ελλιμενισμού· οι ξηρού τύπου μονάδες με ρητίνη κατάλληλα για εγκατάσταση στο εσωτερικό του κτιρίου τερματικού, όπου η φορτίο πυρκαγιάς και η διαδρομή καλωδίων ευνοούν μια μονάδα χωρίς υγρό. Σε και τις δύο περιπτώσεις, να καθοριστεί ελάχιστη προστασία IP54, θερμαντικά στοιχεία αντισυμπύκνωσης στην χαμηλής τάσης θήκη και κλάση αύξησης θερμοκρασίας που να ισχύει για την πραγματική θερμοκρασία του περιβάλλοντος στον τόπο εγκατάστασης, και όχι για την προεπιλεγμένη τιμή 40 °C του καταλόγου.

Ένα σημείο που αναφέρουμε νωρίς, επειδή είναι ακριβό να διορθωθεί αργότερα: η αποτυχία ανεμιστήρα. Μια μονάδα ONAF που έχει καταταχθεί για πλήρες φορτίο θέσης ελλιμενισμού με λειτουργούντες ανεμιστήρες θα χάσει 25 έως 30% της ισχύος της όταν ένας κινητήρας ανεμιστήρα σφηνώσει τον Αύγουστο. Είτε να καθοριστεί σύστημα συναγερμού ομάδας ανεμιστήρων που να συνδέεται με το σύστημα παρακολούθησης του λιμένα, είτε να επιλεγεί η ισχύς ONAN για το πραγματικό συνεχές φορτίο και να θεωρηθεί η στάδιο εξαναγκασμένης ψύξης ως επιπλέον ισχύς για το αιχμηρό φορτίο του ξενοδοχείου.

 

 

 

Τι να Τοποθετηθεί στο Μετασχηματιστή Παροχής Ακτής Προδιαγραφή

Ο παρακάτω πίνακας αποτελεί το ελάχιστο σύνολο δεδομένων που απαιτείται προτού μπορέσει να υπολογιστεί ορθώς η τιμή προσφοράς για έναν αγκυροβόλο. Οι ελλείπουσες πληροφορίες αντιμετωπίζονται ως υποθέσεις, ενώ οι υποθέσεις οδηγούν σε εντολές αλλαγής. Όπου μια πληροφορία εμφανίζεται επίσης στο πρότυπο IEC/IEEE 80005-1, να αναφέρεται η αντίστοιχη παράγραφος του προτύπου δίπλα από αυτήν, ώστε ο προμηθευτής και ο επιθεωρητής του λιμένα να αναφέρονται στην ίδια απαίτηση.

 

Παράμετρος	Τυπική απαίτηση αγκυροβόλου	Γιατί είναι σημαντικό
Ονομαστική ισχύς	7,2 MVA ανά αγκυροβόλο κρουαζιέρας· 1,5 έως 3 MVA ανά αγκυροβόλο δοχείων	Καθορίζει ολόκληρο το θερμικό σχέδιο και το μέγεθος του καλωδίου από το κουτί αγκυροβόλου
Αναλογία Τάσης	πρωτεύον 33 kV ή 11 kV προς δευτερεύον 6,6 kV ή 11 kV	Πρέπει να συμφωνεί με τον πίνακα διανομής του πλοίου, όχι με το δίκτυο του λιμένα
Συχνότητα	60 Hz για στόλο 60 Hz, 50 Hz για στόλο 50 Hz· μετατροπέας όπου υπάρχει διαφορά	Καθορίζει εάν θα χρησιμοποιηθεί μετατροπέας και ποιο θα είναι το φάσμα αρμονικών του στο σχέδιο
Αντίσταση	6 έως 8% τυπικά, συντονισμένο με το επίπεδο βραχυκυκλώματος	Πολύ χαμηλό και ο πίνακας διανομής του πλοίου δέχεται υπερβολικό ρεύμα βραχυκυκλώματος· πολύ υψηλό και αυξάνεται η παραμόρφωση της τάσης
Καθήκοντα λόγω αρμονικών	Δηλωθέν φάσμα ή συντελεστής K, 5% THDv στο σημείο σύνδεσης πελάτη (PCC)	Αποτρέπει τις ζώνες υπερθέρμανσης στα τυλίγματα, οι οποίες δεν ανιχνεύονται από κανονικές δοκιμές απωλειών
Ψύξη	ONAN με στάδιο ONAF, συναγερμός ανεμιστήρα προς το SCADA του λιμένα	Διατηρεί την θέση ελλιμενισμού σε λειτουργία ακόμα και όταν αποτύχει ένας ανεμιστήρας
Διάβρωση	Βαφή C5-M σύμφωνα με το πρότυπο ISO 12944, προσαρτήσεις από ανοξείδωτο χάλυβα 316, βαθμός προστασίας IP54	Δεκαπέντε χρόνια έκθεση σε αλμυρό αέρα αποτελούν την πραγματική δοκιμή αποδοχής
ΔΟΚΙΜΑΣΕΙΣ	Τυπικές δοκιμές, δοκιμή αύξησης θερμοκρασίας, μέτρηση μερικών εκκενώσεων (PD) για μονωτικά τυλίγματα από ρητίνη	Παρέχει στον λιμένα ένα πρότυπο αναφοράς για σύγκριση με το επόμενο διαγωνισμό

 

 

Πώς ο Ryan αντιμετωπίζει μια έρευνα για θέση ελλιμενισμού

Κατασκευάζουμε μονάδες με υγρό μονωτικό και μονάδες με τυλίγματα από ρητίνη σε εργοστάσιο εμβαδού 120.000 m², εξοπλισμένο με πάνω από 180 σύνολα παραγωγικού και δοκιμαστικού εξοπλισμού, με 37 κατατεθείσες ανακοινώσεις ευρεσιτεχνίας, ενώ από το 2023 λειτουργούμε ως εταίρος κοινής επιχείρησης της Eaton. Αυτό έχει λιγότερη σημασία από τη μηχανική συζήτηση, αλλά σημαίνει ότι μια έρευνα για θέση ελλιμενισμού φτάνει σε ανθρώπους που έχουν ήδη συζητήσει για την εμπέδηση.

Για ένα μεικτό στόλο, η χρήσιμη επιλογή είναι μια διπλή δευτερεύουσα τάση με επιλογή συνδέσμων εκτός κυκλώματος, ώστε ένας μόνο σχεδιασμός να καλύπτει πλοία 6,6 kV και 11 kV χωρίς την ανάγκη ενός δεύτερου ανταλλακτικού μονάδας επιτόπου. Οι σύνδεσμοι επιλογής τάσης εκτός κυκλώματος είναι επίσης ο φθηνότερος τρόπος για να καλυφθεί μια τάση δικτύου που αποκλίνει από την τεχνική σχεδίαση. Κάθε μονάδα εγκαταλείπει το εργοστάσιο με τις καθιερωμένες δοκιμές καταγεγραμμένες ως μετρηθέντα μεγέθη, με δοκιμή αύξησης της θερμοκρασίας υπό ονομαστικό ρεύμα και με φωτογραφία της πινακίδας εντοπισμού που λαμβάνεται πριν από τη συσκευασία, διότι η πινακίδα εντοπισμού είναι το πρώτο πράγμα που διαβάζει ένας επιθεωρητής λιμένα κατά την άφιξη.

Η διεπαφή υψηλής τάσης για τη σύνδεση στην ακτή είναι το σημείο όπου διεξάγονται οι περισσότερες συζητήσεις, και συνήθως λαμβάνουν χώρα μεταξύ τριών μερών που δεν συναντώνται ποτέ: του ηλεκτρολόγου συμβούλου του λιμένα, του τεχνικού διευθυντή του πλοίου και του προμηθευτή μετασχηματιστών. Ζητούμε νωρίς το μονογραμμικό διάγραμμα του πλοίου. Ένας μετατροπέας δώδεκα παλμών εντός του πλοίου αλλάζει το φορτίο αρμονικών στην τύλιξή μας, και ένα πλοίο με πίνακα διανομής 6,6 kV και γεννήτρια 60 Hz δεν μπορεί να εξυπηρετηθεί από θέση ελλιμενισμού 50 Hz χωρίς μετατροπέα, ανεξάρτητα από το πόσο εντυπωσιακή φαίνεται η ονομαστική ισχύς του μετασχηματιστή στο χαρτί.

Εάν συντάσσετε τώρα την προδιαγραφή θέσης ελλιμενισμού, στείλτε μας τη σύνθεση του στόλου, την τάση και τη συχνότητα του δικτύου, καθώς και το επίπεδο βραχυκυκλώματος στο κουτί της θέσης ελλιμενισμού. Αυτές οι τρεις πληροφορίες καθορίζουν περισσότερα για την μετασχηματιστή Παροχής Ακτής από οποιαδήποτε άλλη σελίδα της πρόσκλησης, και συνήθως είναι οι τρεις που φτάνουν τελευταίες. Οι μηχανικοί μας θα επιστρέψουν με γραπτή μορφή μια ονομαστική ισχύ, μια σύσταση για την εμπέδηση και μια επιτρεπόμενη στάθμη αρμονικών, ώστε το ηλεκτρικό πακέτο να μπορεί να ελεγχθεί πριν από την εκτέλεση των πολιτικών έργων.

Για τον συγγραφέα αυτό το άρθρο ετοιμάστηκε από τη μηχανική ομάδα της Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), ενός κατασκευαστή μετασχηματιστών που ιδρύθηκε το 2007 και είναι εταιρικός συνεργάτης της Eaton από το 2023. Η ομάδα σχεδιάζει μετασχηματιστές εμβυθισμένους σε λάδι, με ρητίνη και επί τόπου εγκατεστημένους για έργα λιμένων, κέντρων δεδομένων, ηλεκτρικών δικτύων και βιομηχανικά έργα, και υποστηρίζει τους πελάτες μέσω ελέγχου των προδιαγραφών πριν από την υποβολή προσφορών. Για ερωτήσεις σχετικά με θέσεις ελλιμενισμού, επικοινωνήστε στο [email protected].