集裝箱碼頭堆場照明綜合節(jié)能系統(tǒng)的研究與應用

上海國際港務（集團）股份有限公司沈朗捷

集裝箱碼頭堆場照明綜合節(jié)能系統(tǒng)運用自動化節(jié)能管理控制技術精確控制系統(tǒng)運行來提高能源利用率，降低能耗。自動化節(jié)能管理控制技術與其他節(jié)能技術相結合的綜合節(jié)能技術，現(xiàn)已在企業(yè)的節(jié)能降耗工作中得到越來越廣泛的應用。

節(jié)能；堆場照明；降低電壓；生產照明聯(lián)動控制

0 前言

針對集裝箱碼頭堆場的照明系統(tǒng)提出了新穎的節(jié)能模式。集裝箱碼頭堆場照明綜合節(jié)能系統(tǒng)是一個集電能控制、計算機遠程控制與以太網集散控制的綜合性項目。本文重點論述照明與生產計劃聯(lián)動控制技術、降低照明電壓的節(jié)能技術與這些技術帶來的節(jié)能效益。

本文研究對象為上海冠東國際集裝箱碼頭有限公司碼頭堆場。洋山深水港區(qū)3、4號碼頭的岸線全長2600m，港區(qū)陸域縱深913m，陸域總面積238.13萬m2，年總耗電2400萬kWh(2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù))。

堆場共有高桿照明燈塔103座，每座燈塔安裝有1kW鈉燈18盞。按每座每小時耗電19.8kWh、每日平均開燈10小時計算，日耗電量20394kWh，年耗電量744.38萬kWh。

集裝箱碼頭堆場的照明控制影響著碼頭裝卸生產是否能安全順利的完成，它需要有一套科學的管理控制系統(tǒng)去完成所有的作業(yè)任務。因此堆場的照明節(jié)能管理控制系統(tǒng)是本文研究的重點。

另外，由于港區(qū)大型裝卸設備的用電負荷特性要求，供電系統(tǒng)提供的電壓往往偏高。對照明燈等用電設備來講，電壓偏高，除滿足正常需求外，還會產生無效的能量損耗，既浪費電能，又縮短照明電器的使用壽命。為此對照明燈的降壓節(jié)能也是本文的研究重點之一。

與生產計劃聯(lián)動進行合理的控制；針對碼頭用電電壓偏高的現(xiàn)狀采取科學的降壓手段來控制照明燈的供電電壓，從而達到節(jié)能的目的。

1 原堆場照明系統(tǒng)概況

1.1 堆場照明控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構

上海冠東國際集裝箱碼頭有限公司堆場照明控制系統(tǒng)由現(xiàn)場控制層，中間層和監(jiān)控層構成。現(xiàn)場層到中間層采用以太網通訊格式，用光纖相連接。中間層、監(jiān)控層也用以太網通訊格式，用光纖連接。監(jiān)管層的計算機、服務器通過交換機用以太網與中間層通訊，監(jiān)控層交換機與上級網絡系統(tǒng)連接。

（1）現(xiàn)場層：

每個燈塔分別有一套信號采集、控制的I/O設備，一套光電轉換設備。I/O設備與交換機連接，通過光電轉換設備與上級網絡通訊，返回采集到的現(xiàn)場各種狀態(tài)信號，接收中空開關信號。

（2）中間層：

12個變電所和閘口控制室分別有中間層設備，用于現(xiàn)場信號的集、轉發(fā)、通訊格式轉換。與現(xiàn)場層通過光纖連接，與監(jiān)管層通過光纖以太網連接。

（3）監(jiān)管層

有一臺交換機，中間層設備、計算機、服務器、外部網絡都通過這臺交換機交換數(shù)據(jù)。配置兩臺監(jiān)控計算機，通過以太網與中間層連接，實現(xiàn)控制功能。

1.2 系統(tǒng)的控制范圍

上海冠東國際集裝箱碼頭有限公司照明控制系統(tǒng)主要的控制范圍包括：港區(qū)堆場照明的集中控制、港區(qū)路燈照明的集中控制。港區(qū)照明系統(tǒng)由103座照明燈塔組成。

2 生產計劃聯(lián)動的堆場照明控制的研究

2.1 控制流程

圖1和圖2分別為堆場照明打開和關閉控制流程圖。

圖1堆場照明打開控制流程圖

圖2堆場照明關閉控制流程圖

2.2 控制理念的研究與改進

原堆場照明的控制模式缺少與現(xiàn)場作業(yè)的相互關聯(lián)，系統(tǒng)只能呆板的打開和關閉堆場照明，不能針對生產情況及時調整現(xiàn)場照明，造成不必要的電能浪費。而基于生產計劃聯(lián)動的堆場照明控制系統(tǒng)的設計解決了這一難題。我們通過以太網通訊技術和數(shù)據(jù)庫技術，在原先的控制系統(tǒng)中加入生產計劃這一模塊，通過這一模塊的設計及運用，可以將現(xiàn)場照明與實際生產緊密結合起來。因此堆場照明控制就能精確到具體某一個時間段，即某一個堆場需要照明打開，根據(jù)現(xiàn)場生產的情況控制照明持續(xù)的時間，使照明控制更加合理。此項技術通過精確控制照明，減少了不必要的照明浪費，帶來非常明顯的節(jié)能效果。

2.3 基于生產計劃聯(lián)動的堆場照明控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于以太網的生產計劃系統(tǒng)通訊接口示意圖見圖3。

圖3通訊接口示意圖

隨著以太網技術的發(fā)展，特別是高速以太網的出現(xiàn)使得以太網在工業(yè)領域扮演著越來越重要的角色。以太網以其特有的低成本、高實效、高擴展性及高智能的魅力，因而使得人們可以用以太網設備去替代昂貴的工業(yè)網絡設備。由于以太網有“一網到底”的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設備控制層，隨著工業(yè)以太網技術的發(fā)展將會取代現(xiàn)在的基于現(xiàn)場總線的工業(yè)網絡，成為工業(yè)網絡中的主流技術。以太網上的每臺計算機都能獨立運行，不存在中心控制器。連接到以太網的所有工作站都接入共享信令系統(tǒng)，又稱為介質。要發(fā)送數(shù)據(jù)時，工作站首先監(jiān)聽信道，如果信道空閑，即可以以太幀或數(shù)據(jù)包格式傳輸數(shù)據(jù)。

3 碼頭照明燈電壓分析與節(jié)能方案

3.1 碼頭照明燈電壓分析

針對港區(qū)大型裝卸設備的負荷特性，供電電壓往往選用偏高，由此對照明燈等其他用電設備來講，除因電壓偏高，產生正常的照明所需能量轉換外，還會產生無效的能量損耗，既浪費電能，又減少電器器件的使用壽命。據(jù)測量：公司的高桿燈上的燈電壓達到230V，過高的電壓也會使燈管使用壽命大為縮短。

3.2 降低電壓的節(jié)能方案

降壓節(jié)能原理如下：

在電壓較平穩(wěn)的情況下，節(jié)能原理如下：

根據(jù)P=U×I×COSΦ，設電網電壓為U1，負載阻抗為Z（此處假定負載阻抗不隨電壓的變化而變化），負載原功率因數(shù)為COSΦ1，則原負載功耗：

式中，I1為負載電流

假設采用節(jié)電器后負載端電壓為U2（U2＜U1），則此時負載功耗

式中，I2為負載電流，COSΦ2為降壓后的負載功率因數(shù)。

一般情況下，COSΦ2略高于COSΦ1，以U1-U2=20V為例，COSΦ2- COSΦ1≈3%

則有：

節(jié)電率（即有功節(jié)省率）＝1—U22COSΦ2/ U12COSΦ1≈15%

其中U1＝220V，U2＝200V，COSΦ1＝0.80，COSΦ2＝0.83

綜上所述，通過采用降壓（220V降壓至220V）節(jié)能的照明燈計算節(jié)能量為15%。

3.3 基于降低電壓的省電設備工作特點

主回路中采用特制的節(jié)能電抗（見圖4），沒有可控硅元件，對電網沒有諧波污染，耐浪涌電壓沖擊及耐瞬時大負載沖擊能力強：沒有變壓器多級抽頭，主回路沒有觸點，不發(fā)生打火現(xiàn)象。

采用的降壓節(jié)能設備投入安裝簡便，無需更改配電線路，只需串入原有電路即可（見圖5），節(jié)電器投入運行后無需維護，使用壽命15年以上。

圖4降壓節(jié)能設備工作原理

圖5降壓節(jié)能設備安裝方案

4 節(jié)能分析

4.1 原系統(tǒng)能耗情況

以堆場為研究應用環(huán)境，共有103座高桿燈，每座燈塔安裝有1kW鈉燈18盞。按每座每小時耗電19.8kWh，每日平均開燈10小時計算，日耗電量20394kWh，年耗電量744.38萬kWh。

4.2 系統(tǒng)改造投運后能耗與投資回收周期

（1）綜合節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能效果

將降壓節(jié)能設備與生產計劃聯(lián)動的堆場照明控制系統(tǒng)相結合的集裝箱碼頭綜合節(jié)能系統(tǒng)能耗情況如下：

采取綜合節(jié)能系統(tǒng)后，不但降低了照明燈用電電壓，并且針對生產作業(yè)情況而自動控制的開燈時間、關燈時間、開燈數(shù)量等自動化控制方式得到了應用，該系統(tǒng)投入使用3個月內，測量統(tǒng)計出每座高桿燈每小時耗電量為4.14kWh。以此類推，103座高桿燈年總耗電量155.64萬kWh，比原系統(tǒng)年耗電744.38萬kWh要節(jié)約用電588.74萬kWh/年。

（2）項目投資回收期

洋山地區(qū)計量電費為非夏季1.148元/kWh（運行9個月），夏季為1.205元/kWh（運行3個月）。年平均電價(1.148×9+1.205×3) /12=1.16225元/ kWh。

按投資金額531萬元計算，投用后每年可節(jié)約電費：

1.16225 元/kWh×588.74萬kWh=684萬元/年，

投資收回期為：

531萬元/684萬元=0.776年，

折合為9.3個月收回投資。

5 總結與展望

集裝箱碼頭堆場照明綜合節(jié)能系統(tǒng)實施運行后，達到了明顯的節(jié)能效果。且照明設備電壓穩(wěn)定，符合港區(qū)生產實際，降低了能源的消耗，用電設備壽命延長，在設備維護的上降低維修成本，大大提高了公司運營質量。

集裝箱碼頭堆場照明綜合節(jié)能系統(tǒng)可以推廣至各碼頭或大型生產場所，其照明生產聯(lián)動系統(tǒng)可以很好的在各種工況環(huán)境下應用。并且集裝箱碼頭堆場照明綜合節(jié)能系統(tǒng)隨著以太網設備的發(fā)展可以進一步的加快運算與傳輸速度，具有很強的可復制性。

集裝箱碼頭堆場照明綜合節(jié)能系統(tǒng)是在原有的堆場照明控制系統(tǒng)上的優(yōu)化，工控人員不僅能夠做到遠程控制現(xiàn)場的照明，同時能做到更加智能化，通過完善控制方法，提高通訊質量，與降壓節(jié)能設備共同運作從而達到理想的節(jié)能效果。

由此可見，計算機監(jiān)測監(jiān)控技術與相應的節(jié)能技術共同應用在節(jié)能方面有廣闊的發(fā)展前景，隨著企業(yè)的節(jié)能降耗不斷的深入，相信綜合節(jié)能技術的研究與應用能夠為社會產生力更大的經濟效益。

德利用太陽能電解水制氫技術取得進展

最近，德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心和荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員聯(lián)合組成的科研小組，成功研發(fā)出一種價格低廉的利用太陽能進行電解水制氫的方法，相關成果在近日出版的《自然通訊》雜志上發(fā)表。

科學家們開發(fā)的這套系統(tǒng)通過太陽光將水分解成氫氣和氧氣，以使太陽能可被轉換成氫能并存儲起來。當光線射入這個相對簡單的具有金屬氧化物層的硅薄膜電池時，系統(tǒng)會產生一個電壓。金屬氧化物層起光陽極的作用，成為氧形成的地方。它通過石墨導電橋連接到太陽能電池單元。由于只有金屬氧化物層接觸到電解液，所以太陽能電池單元的其他部分不會受到腐蝕。鉑金線圈則被用作陰極，這是氫氣形成的地方。粗略計算，以德國每平方米大約600瓦的太陽光能計算，100平方米的系統(tǒng)可在一小時日照下分離生成3千瓦時以氫氣形式存儲的能量。

（國家電網）

黃浦區(qū)舉行首屆節(jié)能技術推廣會

近日，黃浦區(qū)舉行首屆節(jié)能技術推廣會，進一步推動重點用能單位加大節(jié)能投入，推動用能企業(yè)、節(jié)能服務公司和綠色信貸銀行三方對接。來福士廣場等100余家區(qū)重點用能單位，上海市節(jié)能減排中心等14家節(jié)能服務企業(yè)參加了會議。

會議指出，節(jié)能先進技術推廣應用是黃浦區(qū)低碳城區(qū)建設的重要內容，是企業(yè)降低成本、提高能源利用效率的有效途徑，區(qū)政府將加強政策引導，加強示范項目宣傳，激發(fā)企業(yè)節(jié)能改造的積極性。

會上，區(qū)重點用能單位——城市酒店介紹了節(jié)能改造先進經驗，上海市建科院等進行了太陽能光伏、LED照明等節(jié)能新技術的展示，上海銀行等進行了綠色金融的推廣。通過交流，部分企業(yè)達成了節(jié)能合作意向，為深化、優(yōu)化區(qū)節(jié)能工作探索了新的方向和途徑。

（區(qū)節(jié)能辦）

Research and Application of Lighting Energy-Saving System in Container Terminal Yard

Shen lang jie

With the increase of the price of energy,in order to carry out the energy-saving emission reduction in the container company further,using the technology of low power and high efficiency,and using automation-energy management,not only can reduce the labor and materials,but also can improve the accuracy of the energy control.Basing on this technology，the energy-saving projects with automation-energy management and other technology will become the mainstream of energy-saving emission reduction in the future.This paper will give the analysis to some problems about the container yard lighting system of container yards.Especially,it will give the research of working with lower voltage、production with lighting control,Ethernet and DCS control.

energy-saving,yard lighting,reducing voltage,production with lighting control.

文章針對碼頭堆場的照明綜合節(jié)能系統(tǒng)進行分析，對生產照明聯(lián)動控制、照明燈降低電壓運作、以太網技術以及集散控制等方面的研究與應用進行論述。