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user: 4. 石化码头船舶岸电技术分析 4.1. 石化码头岸电的静电防护 石化码头在进行岸电接用时，不同种类材料的设备在相互接触、摩擦的过程中，有可能产生静电。当静电累计到一定程度时会引发放电，强度到达一定程度就会产生火花，由此点燃挥发、泄漏的可燃气体混合物，造成火灾、爆炸事故的发生。因此，石化码头的岸电设施必须进行静电防护，以保证安全。 在码头岸电设施中存在大量尖锐的导体，如岸电接电箱金属箱体的四个角，设备上的铁钉，电缆卷车上的金属突出物等等，因此岸电设施会产生电晕放电这种类型的静电放电。一般情况下，由于电晕放电的放电能量小，从而危险性不是很大，但也不能忽视电晕放电的危害。因为放电形式与能量的分类和界限并不绝对，在一定条件下，电晕放电有可能转变为另一种类型的静电放电，从而出现较高的危险性。 码头岸电设施有可能发生刷形放电。例如，岸电电缆橡胶外套、插座绝缘外壳等属于非导体，电缆搬运及升降装置或工具等材质多为钢材，属于导体，因此当电缆管理装置搬运电缆或电缆管理装置上带有足量电荷时就有可能发生刷形放电。 岸电设施使用过程中也存在发生火花放电的可能性。例如，由于岸电电缆的绝缘外套是高分子材料，因此当穿着绝缘鞋的工人搬动电缆的时候，该情况就是一个孤立导体，当人体和电缆因为接触和感应而带上静电但又未及时泄漏掉时，就有可能对接地导体产生火花放电。 由以上分析可知，岸电设施存在电晕放电、刷形放电、火花放电等多种形式的静电放电，因此，为防止静电引起的各种危险灾害，石化码头在使用岸电时，应该从控制静电荷的产生、积累，以及使产生的静电荷迅速消除或泄漏这两方面着手，实现静电防护。一方面可以通过减少摩擦和接触次数、降低摩擦压力和速度、选用一些能减少静电产生的材料等方式，使其在使用过程中尽可能少的产生静电荷；另一方面可以采用消除岸电设施上所带的静电，或将产生的静电及时地向大地泄漏等方法来迅速泄漏掉产生的静电荷，使带电量减少，从而实现静电防护。 静电接地是增加静电泄漏的主要方式之一，也是各种防静电规范标准中最常用、最基本的防止静电危害的措施。静电接地是指物体通过导电材料、防静电材料等与大地在电气上进行可靠连接，确保静电导体与大地的静电电位接近或相同 [ 3 ]。 因此，对于岸电接电箱、电缆卷车等容易产生静电荷的岸电设备，可通过对其进行静电接地进行静电防护，即在岸电设施设备上设立静电接地连接点，将该点通过接地线与地底深埋的接地体可靠连接，从而使岸电设备上的静电电荷通过接地极、接地线以及接地体向大地泄漏。其系统组成图如下图4所示。 图4. 静电系统组成 岸电设备上的测量点与大地之间的总电阻即为静电泄漏电阻R m 。R m 是评价静电接地良好程度的标准，也是判断岸电设备表面的静电电荷能否顺畅泄漏的主要依据。当已知需要接地岸电设备的自身电阻R n 时，就可求出静电接地电阻R s ，即： R s = R m − R n (1) 其中，静电接地电阻 R s 主要由四部分组成：被接地设备与静电接地极之间的接触电阻 R a ，接地线的电阻 R b ，大地接地体自身电阻 R c ，以及接地体与大地之间的流散电阻 R d ，具体表示如下： R s = R a + R b + R c + R d (2) 为了满足石化码头所允许存在的最高静电电位U和最大静电起电电流I要求，静电接地电阻 R s 应满 足： 。设计时，应合理的选择接地极、接地线和接地体，以确保静电接地 电阻 的大小满足要求。 接地体与大地之间的流散电阻 主要取决于当地土壤电阻率，我国各地土壤电阻率随温度、湿度的变化范围大约为一到三个数量级，因此土壤电阻率的影响也是静电接地设计中需要考虑的重要因素之一。 4.2. 石化码头岸电电源的并网切换控制 油船在靠泊码头进行装卸作业时，可能会遇到火灾、爆炸或有毒气体泄漏等紧急情况，此时需要船舶迅速做出响应，驶离泊位。我国《油船油码头安全作业规程》(GB 18434)中的8.4.2.1条明确规定，“油船停靠油码头期间，油船锅炉、主机、舵机和其他操纵所需设备都应保持可使油船迅速离泊状态”。 在紧急情况下，为保证油船主机能够在最短时间内启动，负责油船主机运行的支持系统必须处于不间断运行状态，因此如果使用岸电向油船供电时，在非岸电原因造成的紧急情况下，岸电设施与油船之间需采用不断电切换的方式，在岸电电源与船舶发电机组并网后，将岸电撤出船舶供电系统，改由船舶发电机组向全船供电，以保证主机的支持系统能够连续运转，达到主机备车的目的。 由于岸电电源与柴油发电机两者之间的特性并不一样，为了使由电力电子器件变换而得到的岸电电源最终能够无扰动地和船舶发电机组进行并网，需要对岸电电源的逆变器进行控制，最终实现电源的不断电无缝切换。根据控制机理和控制目的的不同，并网逆变器的控制方式可分为恒压恒频控制、恒功率控制、下垂控制以及虚拟同步发电机控制等控制方法。其中，虚拟同步发电机控制技术是一种新型的逆变器控制算法。它是基于同步发电机在电力系统中对系统电压、频率及有功无功的调节作用，通过分析同步发电机的基本原理，用数学建模的方式从外特性上模拟或者部分模拟同步发电机的频率和电压特性 [ 4 ]。 为了使得岸电电源能够模拟出传统柴油发电机的相关特性，这里选择同步发电机的二阶机电暂态模型进行数学建模，并引入发电机机械运动方程中的转动惯量。 (3) 式中， J 为转动惯量； 为机械转速； M T 为机械转矩； M e 为电磁转矩； 为励磁电动势； U ˙ 为电枢端电压； 为电枢电流； 为电枢电阻； X s 为同步电抗。 将发电机极对数取为1，此时有 ω = Ω ，则上式可变换为： { J dω d t = J d ( ω − ω N ) d t = M T − M e = P T − P e ω ω = dθ d t (4) 式中， ω 为电角速度； ω N 为同步电角速度； P T 为机械功率： P e 为电磁功率； θ 为发电机的电角度。 结合上述式3和式4，对船上的柴油发电机组进行建模，采集柴油发电机组的电压、电流与频率。 即可建立出对应虚拟同步发电机的等效数学模型，在该模型中，机械功率 P T 、电磁功率 、电枢电流 I ˙ 以及励磁电动势 E ˙ 0 分别作为模型的输入量，电枢端电压 U ˙ 作为模型的输出量。系统的电路原理图如下图5所示。 图5. 岸电系统并网控制原理图 如图5所示，整个岸电并网控制系统以最终并网点的实际电压为控制对象，其控制过程为：首先，对并网点输出侧进行电压与电流采样，从而得到并网输出侧的实际电压幅值 、实际系统输出频率f以及系统无功功率Q。将f送入功频控制器模块，经计算最终得到船上柴油发电机所需机械功率 P T ；将Q和 U m 送入励磁控制器，经过计算得到励磁电动势的幅值 E 0 ；同时，对逆变器的输出电流i进行测量，从而得到岸电输出侧的实际有功功率 P e 。然后将测量计算得到的 P T 、 E 0 以及 送入建立的同步发电机模型，得到指令电压u，即发电机的电枢端电压。最后将指令电压u送入SVPWM控制算法模块，最终得到六路脉冲信号驱动逆变器桥路。 根据建立的虚拟同步发电机数学模型，通过以上一系列的闭环系统控制，并在控制环路中引入功率控制器和励磁控制器，从而稳定输出并网电压，使岸电电源的输出电压和频率满足并网要求，最终实现岸电电源与船上柴油发电机的无间断切换。 当紧急情况下，岸电也发生故障或紧急情况是由岸电引发时，全船将会处于断电状态，尽管船舶的发电机组会在短时间内重新启动，并由船舶的功率管理系统分级向船舶进行恢复供电，但在岸电发生故障断电到船舶发电机组恢复供电期间仍会存在一个空白期，并由此造成主机支持系统的断电与停运。在这种情况下，船舶主机和其它相关设备能否在发电机组紧急启动恢复供电后快速正常运转，达到主机备车条件，仍存在一定的疑问与风险。 另外，发生紧急情况时，油船会被要求立即停止装卸作业，排空管道，准备离泊。因此，船舶会采取相应的快速脱离措施，例如缆绳会采用快速脱缆钩，或通过人工砍断缆绳，输油臂会采用快速脱开技术等。当前船舶靠港接用岸电时，岸电电缆和接插件从船舶侧或码头侧安全、快速脱离的技术方案尚不明确。是否能够采用先断电，再砍断电缆或船舶离泊时直接拉断电缆的方式，以及采用这些办法是否会对船舶和码头已经处于的应急状态造成进一步影响，甚至由此引发破坏性事件发生，还有待于进一步论证。 4.3. 石化码头岸电设施的布置与选择 停靠于石化码头的船舶靠泊作业时，随着潮位、水位以及船舶装卸货物情况的变化，船舶干舷与码头面之间的高度会发生很大变化。因此石化码头应用岸电时，应根据码头实际情况，考虑船岸电缆的上船方式，以保证岸电应用过程中的安全。目前船岸电缆上船方式主要有以下2种方案： 一种方案是由船方配置电缆管理系统，如电缆卷盘、电缆卷车等，将岸电电缆由船舶放置到码头平台上，再由码头人员将电缆拖拽到码头岸电接电装置进行连接。采用该方案时，需要在船舶上加装电缆管理装置，会增加船东成本，并占用船上一定空间。 另一种方案是由码头方配置电缆管理系统，如建设具备升降、俯仰、伸缩等功能的电缆管理装置，将岸电电缆和接插件由岸上送至船舶上，再由船舶人员将电缆和接插件拖拽到船舶的岸电接电装置进行连接。采用该方案时，需要在码头装卸平台、靠船墩或系缆墩等位置寻找安装位置，由于石化码头大多通过引桥与码头相连，码头前沿装卸平台上布置完输油臂或输油软管系统、登船梯等设备后，所余空间有限，岸电设施布置困难。尤其采用采用低压上船时，对于用电量较大的油轮，岸电电缆根数多，截面大，电缆管理装置所需空间更为巨大。 由于油品、液体化工等危险品货物在储运、装卸过程中可能出现泄漏，并与空气混合，当达到一定浓度范围时会成为爆炸性气体混合物，成为安全隐患，布置在石化码头的电气设备应满足国家标准《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》中规定的相关防爆要求，以确保不会引起爆炸环境被点燃引爆。 国家标准《石油库设计规范》中明确规定，油船和油驳卸载油品时，油船和油驳内液体表面以上的空间划为0区；以卸油口为中心，半径1.5米的球形空间划为1区；以卸油口为中心，半径并延至水面的球形空间划为2区 [ 5 ]。由此可见，石化码头由于其装卸货物的特殊性和危险性，一般属于易燃、易爆的危险场所，使用于该区域的岸电设施和电气设备，应根据安装区域的火灾、爆炸危险区域等级以及使用条件，满足相应的防护、防爆要求。尤其码头前沿，岸电设施的电缆连接系统和岸电接插件，正处于石化码头的装卸作业区内，其防爆要求和性能，是岸电安全使用的关键点和难点。 岸电接插件一般分为高压和低压两种，目前岸电接插件所依据的国际标准，主要是IEC 62613-1、IEC 62613-2 (针对高压岸电接插件)，IEC 60309-5 (针对低压岸电接插件)，以及60309-1、60309-2中对相关通用接插件的技术要求；我国在岸电接插件标准方面主要是采纳国际标准IEC 62613和IEC 60309-1、IEC 60309-2，对应等效标准分别为GB/T 11918、GB/T 11919和GB/T 30845.1、GB/T 30845.2。到目前为止，国内并未专门针对岸电接插件的防爆技术要求出台相关标准。 因此，为保证石化码头岸电设施的安全使用，尽可能降低岸电使用过程中的危险性，在严格依据标准，对石化码头进行爆炸危险区域划分的基础上，建议以灌装口轴线为中心线，将半径十五米以内的的圆柱形空间划定为2区；对可能大量释放并扩散的高挥发性液体，可考虑以灌装口轴线为中心线，将半径15到30米以内的圆柱形空间划定为附加2区。布置于不同爆炸危险区域内的岸电设施和电气设备，其防爆级别和组别，必须不低于该爆炸危险环境内爆炸混合物的级别和组别，当有2种以上的级别和组别可供选择时，应按照危险程度较高的级别和组别选用相应的防爆电气设备，以确保石化码头岸电设施的安全使用。