新一代智能集裝箱碼頭綠色零碳設計探討

王 軒，張晉愷

（1.天津港（集團）有限公司，天津 300450；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220)

引言

智能化集裝箱碼頭的突出優勢在于安全性高、節能環保效果優、運營成本低、可靠性高、穩定性強，可以為企業和社會帶來顯著的綜合效益。隨著經濟社會發展和科技進步，全球集裝箱運輸量大幅度提高、集裝箱碼頭自動化程度越來越高，大量傳統人工集裝箱碼頭開始向智能化、自動化碼頭方向發展。但通過研究全球范圍內已建成運營的自動化碼頭可以發現，其存在堆場設備能耗高、使用不均衡等問題。

在天津港智能化集裝箱碼頭建設中，天津港率先提出“天津方案”，要建設成具有世界一流水平的智能、綠色、零碳集裝箱碼頭。本文分析及總結了天津港C段智能化集裝箱碼頭的創新經驗，提出其在綠色、零碳方面的提升發展空間。同時結合擬進行建設的東疆港區二期集裝箱碼頭項目，對新一代智能化碼頭綠色、零碳提升設計方向進行探討。

1 項目特點

天津港C段智能化集裝箱碼頭通過采用“單小車岸橋+地面集中解鎖+堆場平行碼頭岸線布置+邊裝卸”的總體布置及工藝作業模式，并采用ART及智能水平運輸系統等方式從工藝生產模式、設備入手，在綠色、智慧、節能、環保等各方面創新，建成全球智慧程度最高、建設周期最短、運營效率最優、綠色發展最佳的世界一流智能化集裝箱碼頭。其主要特點如下:

1）碼頭岸邊裝卸作業采用單小車岸橋+地面集中解掛鎖方案。單小車岸橋可以實現在船側的安全高度以上自動裝卸船舶上的集裝箱，安全高度以下自動對位后轉由人工遠程干預（遠控操作），陸側能對智能水平運輸設備實現全自動抓放箱作業，對人工集卡實現在遠控司機一鍵確認后的自動裝卸，并實現“多對多”遠程操作；同時碼頭地面設置智能集中扭鎖站，可實現機械手自動解掛鎖，一座鎖站對應多臺岸橋，節省投資。車隊管理系統統一規劃ART行駛路徑和解掛鎖作業，實現快速、有序、安全解掛鎖作業；集裝箱堆場采用雙懸臂ARMG邊裝卸的作業方式。海運和陸運裝卸作業分別位于ARMG兩側懸臂下，ART和外集卡在場區內互不干擾，“多對多”遠程操作，操控比不低于1：6，整個碼頭裝卸工藝系統的智能化程度高、效率高、節能環保效果優。

2）采用先進的智能水平運輸設備。智能水平運輸設備采用人工智能運輸機器人即ART，八輪四軸驅動形式，輪壓小，可減少碼頭投資；其自動駕駛系統具備在碼頭內相關道路上全天候自動駕駛的能力，能夠自主進行全局規劃、局部動態規劃、障礙物識別與避讓、道路標線標識識別與響應等，自主有效完成集裝箱水平運輸任務。

3）全場景智慧大腦應用：真正基于5G、北斗、人工智能、物聯網、云計算等全新信息技術與港口生產流程深度融合，通過深度學習算法，實現最優調度決策與最佳路徑選擇。自動化岸橋、智能閘口、智能理貨系統依托全球最先進的動態掃描技術，自動識別作業船舶、車輛、集裝箱信息。多維感知的全場綜合安全監控系統可實現全場景智能可視化，實時感知現場人員、車輛違章行為以及智能識別潛在事故隱患。

天津港C段智能化集裝箱碼頭通過在裝卸工藝、運輸設備、智慧系統上的創新應用，實現了高效率和綠色節能。相比同類碼頭，碼頭整體效率提升20 %以上，節能17 %以上。在節能提效的同時，C段碼頭也在零排放、零碳碼頭方面進行了有效嘗試，一是全場生產設備全部采用電力驅動，全場廢水實現回收再利用，生產過程實現零排放。二是碼頭設計采用全新能源解決方案，風、光、儲一體化，整體構建智慧綠色用能體系。設備全部自動化，力爭做到能耗100 %自給自足，實現真正零排放，做到生產工藝、設備及用能模式全方位節能。

2 新一代智慧零碳碼頭設計思路

新一代智慧零碳碼頭建設，在堅持智能化建設的同時，可以更多著眼于如何更好地將“綠色”與“智慧”相結合、如何更好地落實“雙碳”建設。

從政策上來看，國家已明確提出了低碳發展引領生態文明建設的要求。《天津市碳達峰碳中和促進條例》中指出要“加強綠色港口建設，支持天津港建設零碳碼頭、低碳港區示范區”，天津港集團也在2021年聯合相關單位發布了全球首份《港口碳中和實踐白皮書》，探索港航業零碳發展新思路。上述文件體現了國家導向及企業自身的需要，同時也為今后項目的建設提供了一定的導向和標準。本文嘗試以東疆二期集裝箱碼頭項目為依托，探討未來智能化集裝箱碼頭在綠色、零碳方面的設計、建設思路。

2.1 清潔能源建設

實現零碳最直接有效的解決方案是清潔能源的引入。C段碼頭建設了2座4.5 MW風力式發電機、1.43 MW分布式光伏系統，每年可減少二氧化碳排放2.06萬t，節約標煤約7 340.1 t。但因場地縱深有限，風機布置空間受地下管網影響，布置在場地北側，調整空間較小。

東疆二期擬在此基礎上加大清潔能源的投入力度，采用風能和光能，并以“風、光、儲一體化”系統為平臺，構建一體化儲能系統，實現綠色能源系統穩定輸出，能源供給零碳排放。根據項目建成后的能耗測算，可布置4座4.5 MW風力式發電機、光伏系統8.1萬平米。風機單臺年發電量約1 080萬千瓦時，光伏系統每平米年發電量約250千瓦時，滿足項目能耗需求。產生的電能可以采用“自發自用、余電上網”模式，實現清潔能源“可利用、可儲存、可分享”。

2.2 細化能源管控

能源管理是生產運營的核心組成部分，既能保證碼頭的正常運營使用，又能從宏觀上監控運營過程中的能耗，從而為提高能源利用率、降低能耗提供強大的數據支持及決策依據。C段碼頭為此搭建了智能化集裝箱碼頭綠色能源管控平臺V1.0，對引入的綠色清潔能源進行總體管控，通過智慧管理達到節能目的，目前平臺運行良好，但還存在內部功能細部分化不夠、功能模塊開發不全面等問題。

為此在東疆二期的建設上，擬考慮對平臺系統進行二次深入開發，并結合東疆二期的實際情況，升級集裝箱碼頭綠色能源管控平臺V2.0。一是從零碳入手，搭建碼頭全要素能源管理體系，構建零碳模型，實時監控碼頭的能耗情況，根據不同維度進行統計分析，跟蹤碼頭碳中和能力，判斷是否存在中和缺口，實現零碳建設動態調控與管理。

圖1 碼頭全要素能源管理體系

二是通過建設港口微電網管理系統，支撐碼頭供電網穩定可靠運行和最大程度利用新能源發電。“港口微電網”是一種新型供電網結構，是一組分布式電源、負荷、負荷調控系統和控制裝置構成的系統單元。微電網是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與外部電網并網運行，也可以孤立運行。微電網能夠充分促進分布式電源與可再生能源的大規模接入，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現主動式配電網的一種有效方式，實現傳統碼頭供電網向智慧碼頭供電網的過渡。

2.3 水系統創新利用

C段碼頭受場地縱深條件等因素的影響，在水循環系統設計中，只實現了雨污水分離設計、污水回收利用等功能。東疆二期項目可以借助較好的場地條件，在集裝箱堆場北側建設景觀蓄水池作景觀水體，斷面如圖2。

圖2 景觀水體豎向布置

通過景觀水體建設，提高港區雨水排水系統的調蓄能力，有效截留初期雨水的污染物，降低港區雨水的面源污染物排放，積極響應“兩山”發展理念的要求。同時，景觀水體挖方取土可就地用于堆場的回填用土，有利于工程內的土方平衡，節省工程投資。

此外，項目還可考慮引入海水淡化技術，將淡化海水與市政供水、回用污水一同作為港區生產生活用水，真正打造融“雙碳節能、助力生產、城市景觀、海綿生態”為一體的港區用水新方案。

3 結語

本文結合天津港C段智能化集裝箱碼頭在智能、綠色、零碳方面的的建設經驗，分析了該項目的創新經驗成果，同時也提出了進一步提升的空間及方向。并結合后續擬建東疆二期集裝箱碼頭項目的初步研究，從新能源開發利用、智慧管理平臺節能、水資源利用、零排放等多方面提出設計思路和解決方案，可為新一代智能化集裝箱碼頭的綠色、零碳建設提供參考思路及方向。