上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司 包起帆

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、港口建設(shè)步伐的加快，越來越多的船舶?？扛劭?。僅上海港平均每天大型船舶就有169艘靠泊，小船更是不計其數(shù)，這些到港船舶?？吭诖a頭需要燃燒大量重油（或柴油）發(fā)電，煙囪到處“流動”，所產(chǎn)生的污染與城市環(huán)境保護(hù)的矛盾已經(jīng)越來越突出，據(jù)統(tǒng)計，上海港每年由于靠港大型船舶油料發(fā)電帶來的排放有害物質(zhì)3.38萬噸、二氧化碳91.24萬噸（計算依據(jù)見第6節(jié)）。港口城市由于?？看坝土习l(fā)電產(chǎn)生廢氣污染比其他城市平均多25%[1]，為此國際港口中心城市節(jié)能減排形勢更為嚴(yán)峻。

岸電技術(shù)是國內(nèi)外港航界近年來備受關(guān)注的一項技術(shù)，也就是當(dāng)船舶?？看a頭時，停止使用船舶的柴油發(fā)電機(jī)，而采用碼頭陸上的電網(wǎng)供電。使用岸電可大大減少港口城市及其附近的大氣和噪聲污染。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

各個國家的船舶，除特種船外，船舶的交流電制基本為：三相交流450V/60Hz、三相交流6.6kV/60Hz、和400V/50Hz，因此國際上現(xiàn)存的岸電方式大體上包括：低壓岸電/低壓船舶供電、高壓岸電/低壓船舶、高壓岸電/高壓船舶三種方式[2]：

1）低壓岸電/低壓船舶/60Hz直接供電方式：如洛杉磯港采用躉船式的供電裝置，給少量集裝箱班輪供電；

2）高壓岸電/低壓船舶/50Hz直接供電方式：如哥德堡港采用了碼頭固定式的供電裝置，給郵輪和滾裝船供電；

3)高壓岸電/高壓船舶/60Hz直接供電方式：如長灘港集裝箱碼頭、洛杉磯港部分集裝箱碼頭。

雖然各國岸電方案的系統(tǒng)工程組件略有差異，設(shè)計大體上可分為三個部分：岸上供電系統(tǒng)，電纜連接設(shè)備和船舶受電系統(tǒng)：

（1）岸上供電系統(tǒng)：岸上供電系統(tǒng)使電力從高壓變電站供應(yīng)到靠近船舶的連接點；

（2）電纜連接設(shè)備：連接岸上連接點及船上受電裝置間的電纜和設(shè)備。電纜連接設(shè)備必須滿足快速連接和儲存的要求，不使用的時候儲存在船上、岸上或者駁船上；

（3）船舶受電系統(tǒng)：在船上固定安裝受電系統(tǒng)，可能包括電纜絞車、船上變壓器和相關(guān)電氣管理系統(tǒng)等。

3 難點和方案分析

由于我國電網(wǎng)頻率為50Hz，與大多數(shù)?？看a頭的船舶電制頻率不同，加上上海港業(yè)務(wù)繁忙，岸電供電工程不能對基礎(chǔ)建設(shè)有大改動，不宜采用固定式岸電或躉船式供電。因此，國際上的成功案例不能照搬到我國港口。研制適合我國電制的岸電變頻技術(shù)，設(shè)計一套移動式變頻變壓供電系統(tǒng)對應(yīng)用多個泊位或碼頭，將我國港口電網(wǎng)交流電變換成適合于外國船舶60Hz交流電、國內(nèi)部分船舶50Hz交流電，實現(xiàn)50Hz/60Hz雙頻供電是最佳方案。

中海集運已對旗下33艘集裝箱班輪進(jìn)行了岸電受電改造，有28艘集裝箱船舶交流電制為三相450V/60Hz，其中，21艘4250TEU船舶靠泊碼頭的實際平均負(fù)載約為1100kW，7艘5688TEU船舶實際平均負(fù)載為1100kW。有數(shù)據(jù)表明，洛杉磯港口岸電供電的集裝箱船舶的平均負(fù)載為0.976MW。我國大多數(shù)集裝箱碼頭前沿為橋吊運行均配備了10kV/50Hz/2000kVA的高壓電箱，這些電源可提供功率不超過1646kW[3]（2000kVA×0.9×0.92-10=1646kW，其中功率因素取0.9，變頻變壓電源裝置的綜合效率取0.92）的用電需求。因此，可選用碼頭富余的高壓電箱，無需對現(xiàn)有的集裝箱碼頭進(jìn)行改造，便于推廣應(yīng)用。值得注意的是，對船舶供岸電時，碼頭應(yīng)先核算自身碼頭用電量的能力，確保安全供電。

3.1 方案設(shè)計

移動式變頻變壓供電系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)采用港口標(biāo)準(zhǔn)配置集裝箱形式，便于港口吊運設(shè)備（如集裝箱正面吊）搬運移動，由于高低壓配電、柔性連接配置要求，電源主體分成兩部分為宜，由主移動艙和副移動艙兩部分組成。變壓和變頻裝置、高壓電纜卷筒安裝在主移動艙上，低壓電纜卷筒安裝在副移動艙上，兩個移動艙都可置于碼頭前沿。

系統(tǒng)基本功能

（1）從裝有高壓電纜卷筒的主移動艙中引出一根帶有快速接頭的電纜連接10kV的岸電接電箱，電纜長度為50m。

（2）主移動艙為40英尺集裝箱，提供連接9個450V/60Hz快速接頭的插座箱。

（3）副移動艙為20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，配3個低壓電纜卷筒，每個卷筒進(jìn)線和出線各3根電纜，進(jìn)線和出線的端頭都裝有快速插頭，輸入端連接主移動艙，輸出端連接船上的受電箱。輸出電纜長度為50m，供電纜用吊車吊入船舶。

（4）配置其它滿足設(shè)備在港口露天環(huán)境下正常使用的輔助功能。

供電系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

2）系統(tǒng)的基本工作原理

（1）10kV/50Hz進(jìn)入后先進(jìn)入主移動艙內(nèi)高壓開關(guān)柜，由高壓開關(guān)柜控制高壓通斷。

（2）10kV/50Hz經(jīng)高壓變壓器降壓至690V/50Hz。高壓變壓器為三繞組變壓器，其中一套繞組作為原繞組，另外兩套繞組作為副繞組，向變頻裝置輸出功率。高壓繞組是三角形接法，副繞組一個星形接法且中心點引出，另一個是三角形接法，互差30℃電角度，這種電路可以把整流電路的脈沖數(shù)由6脈沖提高到12脈沖，兩個整流橋產(chǎn)生的5、7、17、19、...次諧波相互抵消。

（3）690V/50Hz進(jìn)入低壓開關(guān)柜，控制低壓輸出通斷。690V/50Hz進(jìn)入變頻器柜的整流柜、逆變柜進(jìn)行整流、逆變，將690V/50Hz變頻為450V/60Hz方波，再經(jīng)正弦波濾波器整流成450V/60Hz正弦波，最后輸出到隔離變壓器，變頻部分采集輸出450V/60Hz正弦波形成閉環(huán)控制，控制電壓頻率穩(wěn)定。

（4）450V/60Hz正弦波輸出到隔離變壓器，能有效地防止船上負(fù)載電網(wǎng)和岸電電網(wǎng)的相互干擾，保護(hù)變頻電源裝置不會由于負(fù)載設(shè)備地故障而造成損壞。

（5）隔離變壓器450V/60Hz輸出經(jīng)末端低壓開關(guān)柜，通過副艙9根柔性電纜及快速插頭接至船舶的岸電主控制室，供船舶設(shè)施用電。

3.2 諧波抑制技術(shù)

采用變頻的電源，均需整流，將產(chǎn)生因其非線性引起的高次諧波，而變頻器輸出側(cè)PWM控制產(chǎn)生的輸出電壓和輸出電流均有含有諧波，這些諧波對電源的穩(wěn)定工作和其它儀器儀表是有害的，需采用補(bǔ)償方式進(jìn)行諧波抑制，確保輸出具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

1）變頻輸入側(cè)采用EMI濾波。

2）變頻輸入側(cè)接入交流限流器，抑制輸入側(cè)和變頻器內(nèi)部產(chǎn)生高頻擾動，同時改善變頻器輸入電流波形。

3）變頻采用12脈沖整流技術(shù)，可消除11次以下的輸入諧波電流，抑制含量較大的諧波。

4）變頻輸出側(cè)采用正弦濾波器，另一方面出消除方波中的高次諧波含量對電網(wǎng)的污染。

3.3 柔性連接技術(shù)

港口碼頭潮位落差變化會引起船舶上下、左右、前后搖擺，還有海風(fēng)大浪的影響，在岸基供電電源供電時，會牽扯供電電纜，采用恒矩彈簧式電纜卷筒控制多根多組粗電纜（9根、每根120mm2）進(jìn)行柔性自動收放，確保接電安全可靠。同時高壓進(jìn)線側(cè)可采用手動電纜卷筒方式，接電收放線快速。

3.4 快速連接技術(shù)

各類到港大型船舶靠岸時間短、船舶用電為斷續(xù)工作制、用電功率大，一般接電器件重量也較大，采用國際標(biāo)準(zhǔn)快速軟接觸的插頭插座，實現(xiàn)快速連接，提高岸電上船電并網(wǎng)接電效率。

3.5 機(jī)電一體優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

1）高低壓配電技術(shù)：大功率港口供電設(shè)備安全防護(hù)要求很高，進(jìn)線10kV高壓開關(guān)柜、變頻出線側(cè)低壓大電流開關(guān)柜要求具有過流、過壓、過載、短路、缺相等保護(hù)功能，確保人員和設(shè)備安全。

2）可靠性設(shè)計技術(shù)：所有變頻、變壓、高低壓通斷設(shè)備集成在標(biāo)準(zhǔn)艙內(nèi)，整體設(shè)備要求適應(yīng)高溫、高濕、高腐蝕性、大負(fù)荷沖擊等惡劣使用環(huán)境，防護(hù)等級要求達(dá)到IP55。

3）工程優(yōu)化技術(shù)：碼頭泊位利用率高、停泊位置變化大，供電設(shè)備體積龐大、主副艙要求放入了標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，具備可移動性，不過多占用港口寶貴的空間資源。

4 實踐及數(shù)據(jù)分析

2010年3月22日～23日，中海集運“新福州”輪停靠上海港外高橋二期集裝箱碼頭，由上港集團(tuán)和港迪電氣聯(lián)合研制的移動式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)（圖2）為“新福州”輪提供陸上電源。

1）運行環(huán)境：溫度-5～15℃（上海天氣變化），相對濕度≤93%（船舶帶載大風(fēng)陣雨露天試驗）。

2）操作時間：與“新福州輪”接電時間：22日17：30-16：40=50分鐘；與“新福州輪”撤電時間：23日10：25-10：00=25分鐘。

3）接電操作過程如圖3。

圖3 操作過程圖

高壓電纜連接至岸電高壓接線端子后，配電房送高壓電。組圖4為高壓接線過程的照片。

通過吊車將9根低壓電纜吊至船舶尾部的接電屏，組圖5為連接過程的照片。

4）為“新福州”輪提供岸電過程中，工作人員每半小時進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，表1僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)：

表1 移動式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)輸出側(cè)測量數(shù)據(jù)

根據(jù)全部記錄數(shù)據(jù)分析后可得：

船舶帶載輸出電壓：AC434～443V（電流1905A～1361A），電壓波動0.2%

船舶帶載輸出頻率變化：59.98～59.99Hz≤0.01Hz

船舶帶載輸出電壓諧波總失真率：THDu=（0.8～2.8）＜4%

船舶帶載16.75小時總耗電量18147kWh，船舶靠泊時的平均功率為1083.4kW。

以18：59測量數(shù)據(jù)為例，圖6為帶載數(shù)據(jù)圖。圖7為船上用電負(fù)荷曲線。

5 與國內(nèi)外岸電技術(shù)的比較

分析國內(nèi)外各大港口碼頭岸基高壓供電和低壓供電方式的技術(shù)特征，比較各種岸電技術(shù)先進(jìn)性、適應(yīng)性、應(yīng)用優(yōu)缺點，如表2。

通過上表比較分析，對于配電電壓為6.6kV/11kV的高壓船舶，高壓岸電雖是較方便的方式，但國際上大多數(shù)船舶為450V低壓，雙變頻低壓供電方式具有更多的優(yōu)點，60Hz/50Hz任意選擇的變頻岸電能適應(yīng)更多的船舶供電，并具有較高的技術(shù)性能和可操作性，工程技術(shù)含量更高，應(yīng)用推廣前景廣闊。

6 生態(tài)與社會效益

根據(jù)船只廢氣排放國際規(guī)范，船只廢氣的排放包括多種有害物質(zhì)如氮氧化物 (NOX)、氧化硫(SOX)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳?xì)?HC)和懸浮物(PM)。 排放物的典型分組如圖8所示。

1）按船用柴油發(fā)電機(jī)組典型值7.68kg/kWh計算,其中：

（1）N2、O2、CO2、H2O 混 合 廢 氣 物 占 99.7% ，7.657/kWh。

（2）NOX、SOX、HC、CO有害物質(zhì)占0.3%，為23g/kWh

（3）船載柴油發(fā)電機(jī)的CO2排放數(shù)據(jù)，特定燃料消耗185g/kWh時，CO2排放為610g/kWh。

2）根據(jù)2009年上海國際港務(wù)集團(tuán)統(tǒng)計年鑒，08年全年大型船舶61873艘，上海港平均每天大型船舶約169艘靠泊，每次靠泊按24小時，靠泊平均功率按1000kW供電計算，預(yù)算總排放量：

表2 國內(nèi)外典型岸電供電技術(shù)比較

（1）每天小計：

CO2排放169艘×24h×1000kW×610g/kWh=2499.7噸

廢氣排放169艘×24h×1000kW×7.68g/kWh×99.7%=3.1萬噸

有害物質(zhì)排放169艘×24h×1000kW×23g/kWh=93.3噸

（2）每年總計：

CO2排放2499.7噸×365=91.24萬噸

折合標(biāo)準(zhǔn)煤91.24/2.493=36.6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤

廢氣排放總量3.1×365=1131.5萬噸

有害物質(zhì)排放93.3噸×365=3.38萬噸

統(tǒng)計分析，在優(yōu)先使用水電、風(fēng)電、核電等綠色電力的情況下，本岸電技術(shù)成果若推廣應(yīng)用至上海港所有到港的大型船舶，每年將減少有害物質(zhì)排放3.38萬噸、減少二氧化碳91.24萬噸，節(jié)約36.6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可以大大緩解船舶在港期間對港區(qū)、上海市區(qū)大氣環(huán)境的影響，有效改善區(qū)域環(huán)境，為保護(hù)上海港的碧海藍(lán)天。本項目的生態(tài)效益將十分明顯，應(yīng)該是一場港口行業(yè)減少船舶污染排放、節(jié)能環(huán)保技術(shù)的革命。

7 小結(jié)

移動式岸基船用變頻變壓電源裝備研制與應(yīng)用是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，特別是其生態(tài)效益倍受國際國內(nèi)環(huán)境組織、政府部門關(guān)注，船舶靠泊碼頭時使用岸電將必將未來發(fā)展的趨勢。首套裝備投入試運行成功后，上海港將不斷總結(jié)經(jīng)驗，提升創(chuàng)新技術(shù)，尋找港口與船公司的合作模式，尋找相關(guān)部門的政策支持，爭取更大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

[1]Miltion Korn,P.E.(M),Michael Martin,P.E.(M),Peter Wallace,E.I.T.,(M).COLD IRON,A MaritimeContribution to ourEnvironment.Transactions.2006Vol.114.

[2] Harbors,Navigation and Environment Committee of the American Association of Port Authorities (AAPA).Draftuse ofshore-side power for ocean-going vessels white paper.www.westcoastdiesel.org/files/sector -marine/AAPA -shorepower-050107.pdf.

[3]包起帆，黃細(xì)霞、葛中雄等，上海港口外高橋六期碼頭岸電試點項目方案論證，港口科技，2009(12)，P6-11,14.

[4]上海國際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司，2009年上海國際港務(wù)集團(tuán)統(tǒng)計年鑒。