港口電氣節(jié)能技術(shù)應用研究

◎姚晨

對港口電氣節(jié)能技術(shù)進行分析與研究，明確港口各個機械設(shè)備的能耗情況，了解電氣節(jié)能技術(shù)的主要內(nèi)容，選擇港口設(shè)備的時候挑選功率低和能耗低的設(shè)備，選擇裝卸機械設(shè)備的時候?qū)ω摵蛇M行計算，盡量使用具有節(jié)能性能的變壓器，對電纜的布置進行優(yōu)化設(shè)計，利用濾波裝置控制諧波，利用無功補償裝置消除無功功率，根據(jù)港口的實際照明需求使用照明設(shè)備。

港口中機械設(shè)備的種類眾多，大量的機械設(shè)備和復雜的電網(wǎng)系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的能耗，對港口的電氣設(shè)備進行設(shè)計時應遵循節(jié)能降耗的理念，使用能耗低、效率高和運行穩(wěn)定的設(shè)備，對港口機械設(shè)備的能耗問題進行分析，對電氣節(jié)能技術(shù)進行運用，利用電氣節(jié)能技術(shù)減少港口的總能耗，降低機械設(shè)備的運行成本，達到減少能耗的目的。

一、港口電能消耗設(shè)備與電氣節(jié)能技術(shù)

1.港口電能消耗設(shè)備的構(gòu)成。

第一，大型裝卸設(shè)備，港口中的貨物重量較大，對其進行裝卸時，需要使用專門的裝卸機械，大型裝卸機械設(shè)備包含多種類型，不同類型的設(shè)備有不同的功能和裝機容量，比較常用的有集裝箱龍門起重機，還有堆料機等設(shè)備。如果裝卸機械容量較大、電纜較長，通常會用10kV 或6kV 上機，在裝卸機械上安裝變壓器；若裝卸機械容量較小、電纜較短，可以使用380V 上機，對機械設(shè)備進行變頻調(diào)速控制。港口的貨物運輸還會使用帶式輸送機、斗輪堆取料機等設(shè)備，這些設(shè)備都會消耗較大的電能。第二，輔助動力設(shè)備，這些設(shè)備主要是指空調(diào)、水泵以及污水處理等設(shè)備。第三，照明設(shè)備，港口的各個區(qū)域都需要使用照明設(shè)備，對于室內(nèi)照明來說，港口有綜合樓和調(diào)度樓等辦公樓，還有機修間等建筑。對于室外照明來說，港口道路和碼頭等區(qū)域都需要照明。通常，辦公樓中的照明設(shè)備主要是白熾燈或熒光燈，車間或倉庫等空間以及室外空間的照明設(shè)備主要是金鹵燈或高壓鈉燈。

2.電氣節(jié)能技術(shù)的主要內(nèi)容。

第一，對電網(wǎng)配置進行優(yōu)化。輸電和配電需要依靠電力網(wǎng)絡(luò)，輸送電能的時候必然會出現(xiàn)電能損耗的情況，但是，對電網(wǎng)進行優(yōu)化配置，能夠減少一部分電能的損耗，一方面，可以減少諧波導致的能耗，對諧波進行抑制和控制，通過濾波裝置消除諧波；另一方面，可以減少無功電流導致的電能損耗，對無功功率進行補償，采用合適的補償裝置。變壓器和電機等設(shè)備的負荷并不穩(wěn)定，電網(wǎng)中存在較多的無功功率，應采用就地補償?shù)姆绞剑貌⒙?lián)電容器進行控制，避免遠距離輸電的時候損失較多的電能。

第二，調(diào)整電機使用模式，電機的功率會對電能的消耗帶來非常大的影響，我國對電機的研究和運用仍有很大的進步空間，如果能夠?qū)Ξ斍暗碾姍C運行模式進行優(yōu)化，就可以減少電機部分的能耗。電機的制造成本非常高，運行的過程中會耗費較多的電能，運行成本也非常高，應從制造和運行的層面上進行研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計，降低材料和制作的成本，解決新材料和新能源使用中的問題。

二、電氣節(jié)能技術(shù)在港口中的應用

1.使用節(jié)能設(shè)備。

港口運用了各種先進的技術(shù)和設(shè)備，采用了先進的、現(xiàn)代化的管理方式，為了滿足港口的不同需求，港口引入了不同功能的設(shè)備，這些設(shè)備的總能耗非常大，電氣節(jié)能設(shè)計應當從設(shè)備的角度出發(fā)，從源頭上解決港口電能消耗較大的問題。

例如，某港口采用了滾裝碼頭岸電系統(tǒng)，能夠在港口碼頭實現(xiàn)并網(wǎng)供電，與過去相比，并網(wǎng)后的總用電量大幅減少，而且還減少了二氧化碳的排放，減輕了大氣污染。又如，在某大型集裝箱碼頭的電氣節(jié)能設(shè)計中，港口包含集裝箱裝卸橋、堆場冷藏箱、ERTG 輔建區(qū)綜合辦公樓、食堂、侯工樓、機修車間等，碼頭初建時用電量較低，為了減少電能損耗，做了如下變動：（1）將中心變電所MSS 設(shè)在重箱堆場中間。（2）將分變電所SS1 設(shè)在冷藏箱堆場周邊，減少電纜截面面積，縮短電纜長度，達到節(jié)能目的。（3）將分變電所SS2 設(shè)在重箱堆場中間，為ERTG 供電，節(jié)省了30%的能耗和65%的運行成本，降低了50%的噪聲。（4）將分變電所SS3 設(shè)在綜合辦公樓周邊區(qū)域，減少了輸電過程的損耗。

2.使用節(jié)能性較強的裝卸設(shè)備。

裝卸設(shè)備是港口裝卸貨物時必須要使用的設(shè)備，裝卸設(shè)備的選擇會對貨物裝卸速度和電能消耗量產(chǎn)生非常大的影響，選擇裝卸設(shè)備時應注意該設(shè)備的負荷情況和能耗情況。我國港口機械設(shè)備的發(fā)展并不成熟，港口設(shè)備的設(shè)計人員往往會根據(jù)國外的資料和自身的經(jīng)驗進行設(shè)計，然而，設(shè)計中的功率參數(shù)并不合理，在具體的使用和運行中，設(shè)計的功率比設(shè)備實際運行中的電機功率大，導致設(shè)備運行期間產(chǎn)生較高的無功功率。為了縮小設(shè)計功率與實際功率之間的差距，需要對港口貨物進行分析，詳細計算貨物的重量，根據(jù)貨物重量確定裝卸設(shè)備的電機功率，尤其要注意那些頻繁啟停的設(shè)備，以免不合適的電機功率影響電機的正常運行。設(shè)計人員不僅要根據(jù)計算負荷和電機功率，還可以在電機中安裝保護裝置。港口貨物的體量和重量都比較大，所以裝卸設(shè)備的體量也比較大，為了滿足貨物裝卸的需求，往往會增加電機功率，為了減少電能損耗，需要對諧波進行控制，使用控制諧波的裝置，避免諧波引起較大的能耗問題。

3.明確電壓情況。

選擇變壓器之前應當明確配電電壓等級，港口中的很多機械設(shè)備都有非常高的功率，設(shè)備在啟動和運行的時候，電流和電壓損失都比較大，應注意電纜的選擇，對電纜截面的面積進行分析，如果截面面積過大，同一時間竟過的電流較多，就會產(chǎn)生較多的能耗，增加設(shè)備使用的成本，嚴重影響低壓電網(wǎng)的運行。為了適應電壓的情況，需要使用配電為10kV的電動機，以此來較少啟動電流和電能損耗。在港口變配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計中，需要根據(jù)實際的情況選擇變壓器，利用變壓器降低電能消耗。挑選變壓器之前，需要對變壓器的有功功率損耗量進行計算，計算公式為：△=Po+βPd。在這一公式中，Po 表示的是空載有功損耗，β 表示的是負載率，Pd 表示的是短路損耗。其中，空載有功損耗又被稱為鐵損，受到硅鋼片性能的影響，與鐵芯構(gòu)造有很大的關(guān)聯(lián)性，鐵損包含漏磁與渦流的損耗，當同型號的變壓器有著相同的電壓等級時，則容量和空載有功損耗呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。短路損耗又被稱為銅損，繞組的電阻和流經(jīng)電流會對其產(chǎn)生影響，主要指的是傳輸功率的損耗。通常，當變壓器和負荷率不變時，功率因素和運行效率呈現(xiàn)出正弦管的關(guān)系，當變壓器和功率因素不變時，負荷率處于0.42～0.6 之間時，運行效率最高。

根據(jù)以上規(guī)律選擇變壓器，可以選擇一些新型的節(jié)能變壓器，此類變壓器具有能耗低、效率高和重量輕的優(yōu)點，能夠有效減少空載損耗和短路損耗。選擇變壓器的時候還要比較不同變壓器的容量，對負荷進行計算，計算變壓器負荷系數(shù)時，可以參考《變壓器允許過負荷系數(shù)的負荷率最大負荷持續(xù)時間關(guān)系曲線》，將負載率控制在70%～85%之間，若容量和負荷的變動都比較大，可以購買兩臺變壓器，確保這兩臺變壓器有相同的容量，如果實際使用時的負荷較小，就啟動一臺，如果實際負荷較大，就可以同時啟動兩臺。例如，在裝機容量為4000kVA 的情況下，方案一是使用兩臺2000kVA容量的變壓器，方案二是使用四臺1000kVA 容量的變壓器，面臨這種情況，秉持節(jié)能理念，需要使用方案一。

4.減少輸送電纜的能耗。

港口設(shè)備使用的電能都是由中心變電所提供的，電纜可以將電能輸送給不同方位的設(shè)備，港口干線網(wǎng)的布設(shè)非常復雜，輸送的過程中往往會損失一部分電能，應當對電纜線路的布置方式進行優(yōu)化，加強電纜的管控。電纜的選擇是建設(shè)干線網(wǎng)的基礎(chǔ)和重點，應選擇電阻較小和電流較大的電纜，比較常用的電纜有銅芯電纜，此類電纜能夠滿足電阻和能耗的要求。對電纜進行鋪設(shè)的時候，應加強電纜的監(jiān)管，仔細檢查電纜的型號種類和電纜的材質(zhì)性能，避免型號材質(zhì)錯誤或性能質(zhì)量較差的電纜進入到港口電纜鋪設(shè)現(xiàn)場。當電能傳輸過程中產(chǎn)生較大的電流時，原本的波形會受到較大影響，波形改變之后，變壓器很難準確識別出電流，導致電能受到損失，而質(zhì)量性能較好的電纜能夠?qū)ψ兓闆r進行控制，銅芯電纜的質(zhì)量性能非常好，有著較小的電阻，能夠有效避免波形產(chǎn)生較大的變化，讓電能的輸送更加安全和可靠。對于大中型港口來說，港口的面積非常大，電纜的長度有很大的差異，要想減少電纜輸電過程中的能耗，需要先確定變電所的數(shù)量，根據(jù)各個設(shè)備的所在方位和電能需求合理設(shè)計供電半徑，盡量讓變電所和負荷中心想接近，縮短供電的距離，減少輸電過程中的電能損耗。在電纜長度較長且設(shè)備容量較大的情況下，需要使用高等級的電壓，如起重機、卸船機等機械設(shè)備可以使用10kV 的供電電壓，注意電纜的截面情況以及電源的進出線方向。

5.使用無源濾波器。

諧波具有很大的危害性，會降低輸電效率，使電氣設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱問題，加速設(shè)備的老化，還會使設(shè)備出現(xiàn)噪聲和振動，進而引發(fā)故障問題，繼電保護設(shè)備以及自動化設(shè)備也會在諧波的影響下做出錯誤的動作，無法保證電能計量的準確性，令電力系統(tǒng)部分區(qū)域出現(xiàn)諧振情況，甚至會燒毀電容器。計算機系統(tǒng)和其他電子設(shè)備無法正常運行，有可能使數(shù)據(jù)丟失，還會對無線電發(fā)射系統(tǒng)進行干擾。要想解決這些問題，必須要對諧波進行控制，可以使用濾波的方法，比較常用的方法為無功補償，另外兩種濾波的方法分別是有源濾波和無源濾波。無源濾波器由兩部分構(gòu)成，分別是電感器與電容器，具有操作簡單、成本低的優(yōu)點，所以，經(jīng)常會對無源濾波器進行應用。如果電力系統(tǒng)中的諧波含量非常高，就要進行多次濾波，將濾波控制在一定的范圍內(nèi)，避免電力系統(tǒng)受到影響。

例如，在洋山四期工程設(shè)計中，一共有5 個5 萬噸級和2 個7 萬噸級的集裝箱泊位，港口碼頭原本有兩個AGV 充電間，每個充電間都配備了多臺充電機，將諧波電流注入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，會浪費較多的電能。在節(jié)能設(shè)計中，安裝了多個有源電力濾波器，能夠有效減少諧波的影響。同時，設(shè)置了10KV 動態(tài)有源濾波和無功補償裝置，能夠直接解決電壓波動和三相電壓不平衡等問題，避免出現(xiàn)閃變的情況，改善電能質(zhì)量。

6.運用無功補償技術(shù)。

港口的配電系統(tǒng)中經(jīng)常會產(chǎn)生一定的無功功率，這會損失一部分電壓和電能，如果無功功率逐漸加大，會對變電設(shè)備產(chǎn)生較大影響，進一步降低變電能力。為了減少無功功率的影響，需要制定科學的無功補償方案。當無功功功率補償容量變少之后，補償?shù)男Ч碗y以到達相應的目的，在供電部門會對其進行處罰。另外，當無功功率補償量過大的時候，往往會以更高的成本采購機械設(shè)備。由此可見，無功補償過高和過低都不利于能耗和成本的節(jié)約，應進行計算并根據(jù)計算結(jié)果進行設(shè)計，根據(jù)計算的參數(shù)確定補償?shù)臄?shù)據(jù)，制定補償方案，確保無功補償方案能夠滿足功率因素的規(guī)定，達到節(jié)能降耗的目的。利用無功補償技術(shù)保證電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，減少設(shè)備和電纜的電能損耗，在功率因素不斷能提高的情況下，減少諧波電流。

有三種類型的無功補償裝置，第一種是并聯(lián)電容器，該裝置比較簡單，能夠進行開關(guān)分組投切，限制開關(guān)投切的次數(shù)和頻率，調(diào)整單向級差。該裝置是一種靜態(tài)無功補償裝置，可以調(diào)整穩(wěn)態(tài)電壓，還能校正功率因素。并聯(lián)電容器運行過程中不會產(chǎn)生諧波，安裝成濾波器后，還可以對其他諧波進行吸收。該裝置主要在電力系統(tǒng)和負荷變電站中使用，整體的成本較低，維護方式也比較簡單。第二種是同步調(diào)箱機，屬于旋轉(zhuǎn)機械，能夠在控制系統(tǒng)的控制中進行雙平滑調(diào)節(jié)，該裝置是一種動態(tài)無功補償裝置，響應效率會受到約束，但整體的調(diào)節(jié)能力強，還可以讓投運點有更大的短路容量，該裝置既不會形成諧波，也無法吸收諧波，運行時的電能損耗量較高，同步調(diào)箱機的成本較高，維護困難，一般會在電力系統(tǒng)樞紐變電站換流站中使用該裝置。第三種是靜止無功補償器，這種補償器能夠以較快的速度進行動態(tài)補償，運行時會形成和吸收諧波，運行的能耗較小，主要在樞紐變電站與換流站中使用，在特殊負荷中也可以使用該裝置，靜止無功補償器對技術(shù)的要求非常高，成本相對較高。綜合來看，并聯(lián)電容器各方面的性能較好，可以對該裝置加以利用。

7.使用節(jié)能照明設(shè)備。

港口貨物集散經(jīng)常會在夜間進行，夜間貨物集散需要良好的照明條件，照明設(shè)備的電能消耗量在總能耗中的比例相對較高，要對港口碼頭的照明系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，對照明設(shè)備進行布局時全面考慮港口各個區(qū)域?qū)φ彰鞯男枨螅械膮^(qū)域并不需要較好的照明條件，可以在該區(qū)域使用功率較小的照明設(shè)備。對于照明要求較高的區(qū)域來說，需要選擇照明效果好的照明設(shè)備，一定要注意裝卸貨物區(qū)域的照明情況，如果要對大范圍的空間進行照明，一般會使用功率較大的高架燈，安裝時要注意高架燈燈桿的長度，燈桿的高度會影響照明的范圍和照明的強度，同時還要注意燈桿之間的間距，應結(jié)合燈桿的高度和照明范圍合理設(shè)置間距，確保相鄰燈具的照射范圍剛好能夠重疊，避免重疊區(qū)域過大或者中間間隔的區(qū)域過大。設(shè)計的時候可以提出多個方案，對各個照明設(shè)備的設(shè)計方案進行模擬和比較，確保照明設(shè)備的設(shè)計能夠滿足港口各個區(qū)域的實際需求，而且不會出現(xiàn)浪費的情況。

對照明設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能設(shè)計時，要控制照明設(shè)備的數(shù)量，還要根據(jù)港口碼頭不同時間段的照明需求合理控制照明設(shè)備的開關(guān)時間，減少不必要的照明設(shè)備和及時關(guān)閉照明設(shè)備能夠在很大程度上節(jié)省電能。例如，港口碼頭辦公樓中的照明設(shè)備，工作人員要養(yǎng)成隨手關(guān)燈的習慣，下班后及時關(guān)燈，管理人員要對辦公樓進行巡查，關(guān)閉辦公樓的燈具。如果辦公空間較大，燈具數(shù)量較多，但工作人員數(shù)量比較少，可以設(shè)置多個開關(guān)，關(guān)閉一部分燈具。對樓道的燈具進行設(shè)計時，可以采用聲控開關(guān)，盡量不要設(shè)置長明燈。總體來說，照明設(shè)備的布置應遵循少而廣的原則，在滿足港口各區(qū)域照明需求的基礎(chǔ)上盡可能減少照明設(shè)備的數(shù)量，盡量擴大照明設(shè)備的照射范圍，還要根據(jù)實際的照明需求采用分時段照明的方法，減少港口中照明設(shè)備的總能耗。

結(jié)論：電氣節(jié)能技術(shù)在港口機械設(shè)備的節(jié)能設(shè)計中起到了重要的作用，電氣節(jié)能技術(shù)根據(jù)港口中各個機械設(shè)備的能耗問題提出相應的解決措施，對所有存在能耗的部分進行優(yōu)化，從整體上解決港口機械設(shè)備的能耗問題，降低貨物裝卸、設(shè)備運行、電纜輸電、燈具照明的能耗，發(fā)揮電氣節(jié)能技術(shù)的優(yōu)勢和作用，降低港口的能耗和設(shè)備運行的成本。