船舶港口岸電技術及其應用

林 翔

（南京金陵船廠有限公司 南京210015）

引 言

許多大型船舶（如油船、集裝箱船）靠港時通常采用船舶輔機發(fā)電，所用燃料一般為重油、柴油，以滿足船舶日常用電需求。然而，發(fā)電機中燃料柴油和重油在燃燒使用過程中會排放許多污染物。據(jù)國際海事組織（IMO）數(shù)據(jù)報告表明，污染物的主要成分是二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。在全球范圍內，以柴油為動力的船舶每年向大氣排放約1 000萬噸氮氧化物以及860萬噸硫氧化物，這些污染物在氣候風力作用下可傳播至1 000 km外的區(qū)域，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染；此外，輔機運轉時會產生較大噪聲和振動，給船員和鄰近社區(qū)居民的工作和生活帶來極大困擾。

因此，為了生態(tài)環(huán)境的保護和資源的合理利用，引入并推廣船舶岸電技術十分迫切。當前國內船用岸電技術發(fā)展并不多，中壓供電源主要集中在大型港口和貨物集散地，跑國際航線的船舶安裝船用岸電系統(tǒng)的比較多。因此，研究船用岸電技術及其電站管理等相關問題，是一項促進船用岸電技術及其電站管理進一步發(fā)展和推廣有重要意義的工作，在技術、經(jīng)濟和社會效益等多方面都具有重大意義。

1 船上電站管理系統(tǒng)國內外現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，從2001年至今，美國、英國、比利時、德國、荷蘭和挪威等國已有約26個港口使用岸電電源系統(tǒng)，200余艘船舶都配備相應的岸電連接系統(tǒng)。美、英兩國最先要求在碼頭使用岸電對靠港船舶進行供電，且通過法律進行了強制性規(guī)定，對新老碼頭岸電設備進行了替換和更新。

中國是世界上最大的海運國，但國內港口船舶岸電技術尚處于研究起步階段，如今正越來越受到國家和交通部的高度重視。據(jù)中國港口年鑒公布的報告：“截止到2018年底，我國所有港口（包括內外河港口）293個，生產泊位26 330個，其中萬噸級及以上泊位2 444個，擁有水運船舶達13.70萬艘。”此外，大量的外國船舶常常進出入我國港口。如今隨著我國港口設施的不斷發(fā)展和擴大，可以預計船舶在港口作業(yè)的數(shù)量將會繼續(xù)增加。不過，國內許多港口對于岸電技術的使用還沒有推廣，仍需要政策法規(guī)的制訂、技術標準的建立、技術難度的突破等發(fā)展。

2 船用岸電系統(tǒng)的概念、分類和比較

2.1 船用岸電

船舶岸電系統(tǒng)（alternative marine power system，AMP System）也稱為“冷鐵”系統(tǒng)，是指允許裝有特殊設備的船舶在停泊碼頭時接入碼頭的岸電電源，船舶可以從岸電系統(tǒng)獲得其泵組、通風、照明、通訊和其他設施所需電力，而關閉自身的柴油或燃油發(fā)電機組，從而阻止船舶發(fā)電機組將柴油和燃油燃燒污染物及溫室氣體持續(xù)排放到港口空氣中，達到改善港口空氣質量的目的。

AMP系統(tǒng)主要由岸上供電系統(tǒng)、電纜連接設備和船舶受電系統(tǒng)三部分組成。岸上供電系統(tǒng)由高壓接電箱和傳輸6.6 kV、50～60 Hz的高壓電纜構成，作用是將陸上電壓輸出的6.6 kV電壓引入港口碼頭邊的高壓接電箱內。電纜連接設備由高壓電纜、通信電纜以及高壓電纜卷車構成，高壓電纜卷筒定于船舶兩側的舷邊，以便將高壓電纜從船上鏈接到岸電高壓接電箱。船舶受電系統(tǒng)包括船上變壓器和船舶岸電箱，它們將岸上6.6 kV轉換為440 V電壓，用作船上靠港供電電源［5］。

2.2 船用岸電分類和比較

岸電電源的輸入一般是當?shù)氐碾娋W(wǎng)電力，其輸出需要滿足不同船舶的不同要求。我國的船舶電制一般采用的是440 V/50 Hz或者380 V/50 Hz，而國際上的船舶用電頻率以60 Hz居多，電壓為440 V或者6.6 kV等。一般來說，岸上的主變電站用來變壓和變頻，然后把電力通過碼頭上的電纜輸送到碼頭的岸電箱，再用岸電連接系統(tǒng)把電力送往停靠的船舶［4］。按港口岸電電壓不同一般可分為高壓岸電系統(tǒng)和低壓岸電系統(tǒng)。

低壓岸電系統(tǒng)由岸上變壓器將陸上6.6 kV/10 kV高壓先降壓為低壓440 V、50 Hz，再經(jīng)船上設備接入船上的應急配電板或岸電控制屏，先使岸電與船上發(fā)電機功率、電壓、相位三者一致，將母排聯(lián)絡開關閉合，讓岸電和發(fā)電機并網(wǎng)運行；在20 s內，無任何報警和故障情況下，斷開發(fā)電機端與電網(wǎng)的連接，實現(xiàn)岸電電源給船舶供電。

高壓岸電系統(tǒng)，是由岸上變壓器將陸上6.6 kV/10 kV高壓直接通過船上連接設備接入船上的岸電控制屏，岸電控制屏根據(jù)船上設備所需要電壓分別接入側推等高壓設備或降壓后接入主配電板；在保證岸電與船上發(fā)電機功率、電壓和相位三個相同一致時，將母排聯(lián)絡開關閉合，讓岸電和發(fā)電機并網(wǎng)運行；在20 s的時間內，無任何報警和故障情況下，斷開發(fā)電機端與電網(wǎng)的連接，實現(xiàn)岸電電源對船舶供電。

目前隨著高壓船舶不斷普及，高壓岸電系統(tǒng)遠比低壓岸電系統(tǒng)更有現(xiàn)實優(yōu)勢、更具市場競爭力。高壓岸電系統(tǒng)優(yōu)勢在于基本采用中壓等級電壓，電流較低，接插頭的操作過程比低壓電制AMP系統(tǒng)用時短，操作更加安全可靠，船電與岸電所要連接的電纜數(shù)量少，操作簡單，因此縮短了船舶靠岸所需時間，從而提高了港口碼頭的利用率。［2］

3 2 500標準箱集裝箱船岸電系統(tǒng)設計方案和要點

3.1 2 500標準箱岸電系統(tǒng)

本船采用的是6.6 kV高壓岸電系統(tǒng)型式，系統(tǒng)安裝總容量為600 kW。船尾左右舷各布置1套電纜卷軸絞車，將兩路高壓岸電接入岸電設備間的1套6.6 kV岸電接入屏，并配備一臺6.6 kV/0.4 kV的1 000 kVA的干式變壓器，從而將高壓6.6 kV降低至0.4 kV，并接入配電板上的低壓岸電控制屏，給全船提供岸電電源，且可實現(xiàn)與發(fā)電機不斷電并車。系統(tǒng)原理概圖見圖1。

圖1 岸電系統(tǒng)單線圖

3.2 本船岸電系統(tǒng)容量確定方法以及與使用傳統(tǒng)燃料船舶電站的優(yōu)勢對比

表1為本船電站配置表。

表1 2 500箱電站配置表

船舶靠港時要經(jīng)過進出港、停泊、裝卸貨三種不同工況，這三種不同工況下的所需負荷也不盡相同，需結合電力負荷計算書。查得不裝冷箱時，相應工況的負載總負荷，見表2。

表2 電站使用情況估算

由表2可知：該船在使用傳統(tǒng)燃料船舶電站時，裝卸貨工況下所需功率約為450 kW，船舶接入岸電后，主發(fā)電機和備用發(fā)電機都可以停機，部分為主發(fā)電機服務的泵以及供油單元等用電設備也可以停止運行，因而所需功率低于1臺運行發(fā)電機的功率840 kW。但是，考慮到今后船舶停泊期間用電負荷的增加和裝卸貨時部分冷藏集裝箱需要供電，最終確定岸電容量按照600 kW設計。

式中：P為設備輸出功率，kW；U為設備的額定電壓6.6 kV；I為設備的額定電流， A；cosθ為設備的功率因數(shù)為0.8。

由式（1）可得出：岸電系統(tǒng)接入端電流I=P/由 此可見，電流很小。本船使用電壓等級為6.6 kV，若使用400 V，則根據(jù)功率相同，由式（2）和式（3）可得出此時的額定電流：

可以得出：使用400 V的電壓等級，所需岸電系統(tǒng)的額定電流達到1 089 A，這與采用高壓6.6 kV電壓岸電供電電流只需66 A相比，大了16倍，則相應岸電接入屏等設備需要配備更加昂貴的斷路器等保護檢測裝置，岸電接入的電纜數(shù)量也會增多，造成電纜卷軸絞車變大，因而也證實了高壓岸電比低壓岸電的優(yōu)勢所在，體現(xiàn)出使用高壓岸電的便捷和經(jīng)濟。

圖2為本船配電板上預留岸電屏的系統(tǒng)圖和外形圖，通過岸電電源降壓為380 V可提供岸電給配電板使用，并將岸電預留屏內元器件安裝到位，電纜敷設到位，方便后期船東完成岸電系統(tǒng)施工完善。

圖2 配電板上岸電預留屏系統(tǒng)圖和外形圖

靠港裝卸貨供電方式參數(shù)比較見圖3。

圖3 靠港裝卸貨供電方式參數(shù)比較

可見，在兩種供電方式的三種參數(shù)比較下，很明顯地看出AMP岸電系統(tǒng)供電方式具有電壓高、電流低的優(yōu)勢，可以降低短路保護設備的成本以及電纜選用數(shù)量的成本；此外，AMP岸電系統(tǒng)供電消耗功率很低，污染很少，只有電磁輻射污染，屬于綠色能源供電方式，故選用此供電方式是明智之舉。

供電方式污染和經(jīng)濟指標比較參見下頁圖4。

由此可見，船舶在港口靠泊期間關停自身的燃油發(fā)電機而改用岸電，每年可減少CO2排放約917 t ，減少二氧化硫排放12.6 t，減少氮化物排放19.5 t，噪聲大大降低，并且每天可節(jié)省燃油燃料費約26 600美元，使船東大幅節(jié)省開支，也強有力地遏制了環(huán)境污染。

圖4 供電方式污染和經(jīng)濟指標比較

3.3 船舶岸電系統(tǒng)小設計中需要考慮的要點

3.3.1 相關規(guī)范的要求

本船入級CCS船級社，對照需要滿足《鋼制海船入級規(guī)范》第8篇 第19章 第3節(jié)以及《鋼制海船建造規(guī)范》第4篇 第2章 第14節(jié)中相關交流高壓岸電的內容。本船在簽訂技術協(xié)議時，預留配電板上的岸電配電屏時需確保至少配備如下元器件的規(guī)范要求：

（1）2只電壓表*：1個測量岸電各相電壓，1個測量匯流排電壓；

（2）1只電流表：分別測量岸電各相電流；

（3）2只頻率表*：1個測量岸電頻率，1個測量匯流排頻率；

（4）相序指示器；

（5）同步設備；

（6）應急切斷按鈕等。

*：若將岸電電源連接于匯流排時，操作人員易于觀察到匯流排的電壓和頻率，則岸電接入控制屏可僅設置一只電壓表和一只頻率表。［1］

3.3.2 電纜敷設的要求

中壓岸電電纜需要與其他電纜保證在100 mm間距以上，因此盡量單獨敷設電纜路徑，減少從機艙等電纜集中處穿越。中壓岸電電纜線芯需要配有通信線芯連接至岸電接入屏，以確保岸基與船端的有效通信，也可以監(jiān)測電纜承受的機械應力在超過允許值時切斷岸電回路。

4 電站管理實現(xiàn)岸電和發(fā)電機組并網(wǎng)和不斷電切換的操作步驟

為使船舶在后期停泊在具備岸電供電港口時關閉發(fā)電機，使用岸電供電，本船岸電通過手動同步和半自動同步［3］向電網(wǎng)供電的操作步驟如下。

4.1 手動同步模式下

船舶靠港后切換到岸電供電：

（1）首先確認岸電的電壓、頻率和相序是否已滿足同步條件。

（2）將配電板控制模式選擇手動控制。

（3）將同步選擇開關選擇SHORE檔。

（4）手動調節(jié)同步屏上在網(wǎng)發(fā)電機的調速選擇開關。

（5）待調節(jié)一致同步表旋轉至接近12點鐘方向時，按下岸電開關的合閘按鈕。

（6）當岸電開關手動同步合上閘后，在網(wǎng)的主發(fā)電機開關會在1 s后自動分閘。電網(wǎng)轉為由岸電供電。

船舶需離港切換到發(fā)電機供電：

（1）首先起動待并網(wǎng)的發(fā)電機。

（2）將配電板控制模式選擇手動控制。

（3）將同步選擇開關選擇需要并網(wǎng)的發(fā)電機檔。

（4）手動調節(jié)同步屏上在網(wǎng)發(fā)電機的調速選擇開關。

（5）待調節(jié)一致同步表旋轉至接近12點鐘方向時，按下需要并網(wǎng)的發(fā)電機ACB開關合閘按鈕。

（6）當發(fā)電機開關手動同步合上閘后，在網(wǎng)的岸電開關會在1 s后自動分閘。電網(wǎng)轉為由發(fā)電機供電。

4.2 半自動同步模式下

船舶靠港后切換到岸電供電：

（1）首先確認岸電的電壓、頻率和相序是否已滿足同步條件；

（2）將配電板控制模式選擇半自動控制；

（3）手動按下同步屏上岸電部分的半自動連接岸電按鈕；

（4）待岸電開關半自動同步合上閘后，在網(wǎng)的主發(fā)電機開關會在1 s后自動分閘。電網(wǎng)轉為由岸電供電。

船舶需離港切換到發(fā)電機供電：

（1）首先起動待并網(wǎng)的發(fā)電機。

（2）將配電板控制模式選擇半自動控制。

（3）手動按下同步屏上需要并網(wǎng)的發(fā)電機的半自動同步按鈕。

（4）待對應發(fā)電機開關半自動同步合上閘后，在網(wǎng)的岸電開關會在1 s后自動分閘。電網(wǎng)轉為由發(fā)電機供電。

4.3 半自動同步模式時，不間斷供電原理

本項目主要依靠配電板中的DEIF模塊（FAS-113DG），見圖5標注①。比較電網(wǎng)上母排電源的電壓、頻率、相位待并網(wǎng)電源三個參數(shù)是否一致，一致則輸出合閘信號，將待并網(wǎng)電源并入母排。在手動同步模式，主要依靠圖5中標注②的三塊儀表，通過值班人員手動調整、判斷電源三個參數(shù)的一致進行合閘并網(wǎng)操作， 確保船舶電網(wǎng)不間斷供電、切換。

圖5 半自動同步模式原理圖

5 結 語

隨著人們環(huán)境保護意識越來越強，要求安裝AMP系統(tǒng)的船舶越來越多，船廠需要為船東設計或者預留岸電系統(tǒng)的船舶也會不斷遞增，能提供AMP岸基電源的碼頭港口也日益增加。可以預見，隨著AMP系統(tǒng)應用的不斷擴大和深入，可替換船用電力系統(tǒng)——AMP系統(tǒng)必將成為船舶停靠時低碳、零排放、有利于環(huán)境保護的最經(jīng)濟有效的方法。