智能岸電系統整體解決方案的實施

曹勝華，徐大可，王文強，許高文

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210003)

1 問題的提出

我國是世界上最大的水運國家，港口貨物年吞吐量達70多億t，居世界之首。每年在我國沿海和內河港口靠泊裝卸貨物的船舶數量巨大，主要包括雜貨船、散貨船、集裝箱船、汽車船、原木船、化工品船、液化氣船、客輪和油輪等。由于全世界幾乎所有的船舶均使用燃燒輕質或重質柴油的發電機自行發電，所以，船舶會排出大量二氧化碳、硫化物和氮化物，對大氣環境造成嚴重影響。

隨著我國經濟的快速發展，環境問題變得日益突出，我國政府適時提出了“資源節約型、環境友好型”社會的建設目標。隨著我國“資源節約型、環境友好型”社會建設工作的推進，交通運輸已成為國務院確定的重點節能減排行業。所以，積極采取措施做好船舶的節能減排工作，對于促進我國整體節能減排、減輕港口地區的空氣污染及履行有關氣候變化的國際公約具有重要意義。

大型船舶特別是油船和集裝箱船靠港時通常使用燃油制品發電來滿足船舶用電需求。重油和柴油在燃燒過程中會產生大量硫化物和氮氧化物，對周邊環境造成污染。船舶使用柴油發電機組產生的噪聲也會對環境造成污染。目前，國際上一些先進港口已經采用陸地的電源對靠岸船舶供電來滿足船舶用電需求，這種供電系統稱為靠岸船舶供電系統(以下簡稱岸電系統)。岸電系統的使用可以達到節能、減排、降噪和提高經濟效益的目的。

2 國內、外岸電系統現狀

國外20世紀70年代就已經開始研究岸電系統，隨著對節能環保的日益重視，有一些港口使用了岸電系統，據不完全統計，世界上已有20多個港口在其特定的泊位上配備了為船舶供應岸電的設施，結果見表1。

目前國外已有岸電項目都以直供電為主，如60Hz港口電網向60Hz船舶電網直接供電(美國)，50Hz港口電網向50Hz船舶電網直接供電(歐洲)，但均不涉及變頻技術。而國內、外大部分船舶電網頻率為60Hz，而我國港口岸電電網頻率為50Hz，60 Hz的船舶電器不可能直接使用50Hz的交流電，否則會造成電器損毀和傷害，因此，必須利用變頻穩壓技術研制出適合我國的岸電系統。

上海港于2010年3月22日在外高橋二期集裝箱碼頭進行了為集裝箱班輪提供岸電的嘗試(輸入10.0kV/50Hz，輸出440V/60Hz)，開啟了我國港口為船舶供應岸電的歷史。由于選用低壓上船方案，船岸連接電纜多達9根，需要起重機輔助起吊電纜上船，接駁時間較長。

連云港港于2010年10月24日在#59泊位對靠泊在這里的“中韓之星”客貨班輪進行了提供岸電的嘗試輸入10.0kV/50Hz，輸出6.6kV/60Hz，開啟了我國港口為船舶供應高壓岸電的歷史。該方案特點為“高壓上船、一個接口、不間斷供電”。由于選用高壓上船方案，船岸連接電纜只要1根，接駁方便快捷，整個接駁過程僅用了20min。

綜合國內、外現狀，岸電系統研究近期取得了不少成果，但偏重于岸電系統設備研制，缺少岸電系統整體解決方案。

3 智能岸電系統整體解決方案的設計

智能岸電系統是國電南京自動化股份有限公司整合公司資源、以成熟技術和先進理念打造出的新一代靠岸船舶供電系統整體解決方案。智能岸電系統集岸電的監測、保護、控制、計費、設備管理和仿真于一體，在功能上又相互獨立，通過靈活的配置和組態，能滿足高電壓等級的岸電接入自動化的要求。

系統主要功能有以下9個方面:

(1)電制轉換。將港口電網10.0kV/50Hz，6.0 kV/50Hz交流電變換成適合于大型船舶使用6.6 kV/60Hz交流電，同時解決船供電對港口電網的污染問題，滿足了船舶用電負荷突變的要求。

(2)高壓上船。將6.6kV/60Hz交流電安全提供給船舶用電。

(3)快速保護。滿足了港口岸電系統運行安全的要求。

(4)計量計費。滿足了港口電能量高精度計量計費的要求。

(5)實時監控。滿足了港口岸電系統運行自動化的要求。

(6)設備管理。滿足了港口資產管理的要求。

(7)仿真培訓。滿足了港口人員業務培訓的要求。

(8)用電分析。滿足了港口科學管理的要求。

(9)信息發布。滿足港口信息公開的要求。

智能岸電系統由綜合自動化系統、高壓變頻配電系統、船舶受電系統組成，如圖1所示。港口完成綜合自動化系統、高壓變頻配電系統部分建設和改造。船舶完成船舶受電系統建設和改造。下面重點介紹港口所需的綜合自動化系統、高壓變頻配電系統方案。

3.1 綜合自動化系統

圖1 智能岸電系統結構示意圖

綜合自動化系統保證岸電系統的安全、優質和經濟運行，完成岸電設備的運行操作和事故處理，實現遠動數據采集和遠動控制;實現用電信息的自動采集、計量異常監測、電能質量監測、用電分析和管理、相關信息發布、智能用電設備的信息交互;實現系統數據管理、綜合應用、多機群控、運行維護管理等功能。系統的特點如下:

(1)完整的岸電自動化解決方案。系統具有完整的岸電電氣綜合自動化功能，集岸電的監測、保護、控制、計費、設備管理和仿真于一體，減少了工程設計、生產運行、維護保養及系統擴展等各個環節的協調工作量。

(2)分層分布式系統結構。采用分層分布式系統結構可以大大減少電纜數量，縮短安裝時間和現場調試時間。

(3)全以太網通信架構。從間隔層的單元設備就采用以太網的通信，配合設備內部的平衡通信，使得整個系統通信非常快捷。

(4)開放性設計思想。采用開放性設計思想和成熟的先進技術，如WindowsNT，unix系統，PowerPC處理器及以太網技術等。

(5)高標準的電磁兼容性能。從單元設備的系統輸入、直流電源、開關量輸入、開關量輸出以及通訊等環節進行電磁兼容性設計。

(6)與第3方系統互聯。該系統能夠和第3方系統實現網絡的無縫連接。

(7)完善的電能計量管理系統。完善的電能計量管理系統實現以下功能:

1)可實現自動、及時、準確、完整、安全的電能數據采集、存儲和應用。

2)可實現電壓合格率統計分析、供電可靠性統計分析、無功及功率因數統計分析、用電異常分析及用電考核分析。

3)實現豐富的表格、曲線、報表等數據顯示，針對用戶電費自動結算，定制報表輸出，并提供豐富的管理功能。

3.2 高壓變頻配電系統

高壓變頻配電系統是智能岸電系統的核心系統，完成變頻變壓功能，高壓變頻配電系統由10.0 kV高壓開關柜、10.0kV高壓計量柜、移相變壓器柜、功率柜、控制柜、隔離變壓器、6.6kV高壓開關柜、動力電纜和岸電高壓接電箱組成，其中高壓變頻系統是核心。

高壓變頻系統是在國電南京自動化股份有限公司具有完全自主知識產權的高壓變頻技術基礎上開發設計的新產品，在系統設計、功率模塊設計、控制系統設計等方面具有鮮明的特點和獨特的優勢，采用相關技術的產品已在現場長時間穩定運行。高壓變頻系統主要包括由移相變壓器柜、功率柜和控制柜組成，它采用了多個功率模塊串聯而成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出，它具有系統可靠性高、操作界面友好、安保系統完善、維護簡單等技術特點。以此高壓變頻系統為核心組成了功能全、可靠性高的高壓變頻配電系統。

3.3 方案實施

方案1。綜合自動化系統安裝在電力管理部門，高壓變頻配電系統安裝在港口變電站，輸出的6.6kV/60Hz電源通過電力電纜輸送到碼頭前沿的6.6kV/60Hz岸電高壓接電箱。當船舶靠岸后，采用高壓上船方式只需將船上的1根專用的高壓電纜投放至碼頭，再由操作人員接入6.6kV/60Hz岸電高壓接電箱即可。

方案2。綜合自動化系統安裝在電力管理部門，高壓變頻配電系統放到岸邊，用1根高壓電纜接上岸邊10.0kV/50Hz高壓接電箱，輸出的6.6kV/60Hz電源到6.6kV/60Hz岸電高壓接電箱。當船舶靠岸后，采用高壓上船方式時只需將船上的1根專用的高壓電纜投放至碼頭，再由操作人員接入岸電高壓接電箱即可。

4 節能減排分析

4.1 減排分析

船舶排放的廢氣中含有多種有害物質如氮氧化物(NOx)、氧化硫(SOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳氫(HC)和懸浮物(PM)等。排放物的典型分組如圖2所示。

按船用柴油發電機組耗油典型值180g/(kW·h)和產生排放物典型值7680g/(kW·h)計算，其中:

(1)N2，O2，CO2，H2O的混合廢氣占99.7%，為7657g/(kW·h);

(2)NOx，SOx，HC，CO等有害物質占0.3%，為23g/(kW·h);

(3)船用柴油發電機的CO2排放數據，特定燃料消耗185g/(kW·h)時，CO2排放為610g/(kW·h)。

根據《2009年中國港口年鑒》公布的數據，截至2008年年底，我國擁有港口(包括內河港口)413個，生產泊位31050個，其中1000t級以上的泊位3625個，擁有水運船舶達18.42萬艘、載重12416萬t。此外，還有大量的外國船舶進出我國港口。隨著我國水運基礎設施的不斷發展，在港口作業的船舶數量還會持續增加。目前通行的做法是，船舶在港口靠泊裝卸貨物時，均由其自身配備的發電機發電，以滿足船舶電氣和機械設備的用電需要。

圖2 廢氣排放的典型組分

現在營運船舶的噸位主要是從1000t至30萬t，根據航運經驗估計，營運船舶的平均噸位為3萬～5萬t，這類噸位的船舶每天在泊位上用于發電的實際耗油量為2～3t。以3萬～5萬噸級的船舶為測算依據，平均每天在泊位上的耗油按2.5t、港口泊位使用天數每年按365d、泊位利用率按90%、港口泊位數按1000t級以上的泊位3625個計算，則每年1000t級以上的各類船舶在我國港口靠泊裝卸貨物期間消耗的燃油為2.5×365×90%×3625=2977031t≈298(萬t)。

如果這些船舶在港口靠岸期間關停自身的燃油發電機而改用岸電系統給船舶供電，在優先使用水電、風電、核電等綠色電力的情況下，岸電系統推廣應用到全國，每年將會減少:

(1)混合廢氣排放298×7657/180≈12677(萬t);

(2)有害物質排放298×23/180≈38(萬t);(3)CO2排放298×610/180≈1010(萬t)。

如果再把我國14萬艘1000t級以下的船舶計算進來，混合廢氣、有害物質、CO2(溫室氣體)減排的效果將會進一步大幅提高。岸電系統應用可以大大緩解船舶在港期間對港區大氣環境的影響，有效改善區域環境。

4.2 節能分析

根據相關資料統計，船舶燃油發電本身效率不高，再加上產生的過剩電能又不能儲存，能源浪費極大，總體效率遠低于火電發電效率，因此，船舶使用岸電系統從總體上能節約能源。

另外，船用柴油發電機組正常負荷費用為180×7.33×1/850=1.55元/(kW·h)，平均負荷費用約1.55/0.7=2.21元/(kW·h)，港口工業電費按1.0元/(kW·h)計，加上管理費0.2元/(kW·h)，港口岸電系統供電按1.5元/(kW·h)計，船舶能節省費用32%。

從減排和節能2個方面分析來看，港口建設靠岸船舶供電系統供靠岸船舶使用節能減排效果明顯，所以得到了有關部門和交通企業的關注。

5 結論

本文針對國內外岸電系統的現狀，提出了智能岸電系統整體解決方案。智能岸電系統的研制與應用是一項復雜的系統工程，需要政府部門、港口、船方、系統集成商等多方面合作推進。岸電技術應用已被列入交通運輸部“車、船、路、港”千家企業低碳交通的專項行動，隨著技術的不斷成熟，未來岸電系統將得到更加廣泛的應用。

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