岸電供電系統(tǒng)

吳宏

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海 200129）

岸電供電系統(tǒng)

吳宏

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海 200129）

艦船；岸電電源；岸電系統(tǒng)

結(jié)合國內(nèi)外碼頭岸電系統(tǒng)配置情況，以及對國內(nèi)現(xiàn)有艦船碼頭岸電系統(tǒng)的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)艦船碼頭岸電系統(tǒng)配置已不能滿足實(shí)際使用需求，提出艦船碼頭標(biāo)準(zhǔn)化的岸電系統(tǒng)，以滿足艦船發(fā)展需求。艦船靠泊時，使用碼頭岸電系統(tǒng)與使用柴油發(fā)電機(jī)組相比具有節(jié)能、減排、降噪等優(yōu)點(diǎn)，可減少目前艦船岸電系統(tǒng)的設(shè)備配置，節(jié)約艦船空間、減少重量，可實(shí)現(xiàn)艦船岸電的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

0 引言

艦船在?？看a頭時，一般均需接用岸電電源，即需要碼頭提供艦船停靠期間的岸電供應(yīng)。隨著艦船的大型化發(fā)展，現(xiàn)有的艦船碼頭岸電系統(tǒng)已不能完全滿足使用需求，而使用艦船柴油發(fā)電機(jī)組來滿足其用電需求。

碼頭岸電保障在節(jié)能減排、綠色環(huán)保等方面意義重大，必須對國內(nèi)外碼頭岸電系統(tǒng)配置情況和碼頭岸電系統(tǒng)的使用情況進(jìn)行研究分析，探討符合今后發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化碼頭岸電系統(tǒng)。

1 岸電系統(tǒng)與節(jié)能減排

岸電系統(tǒng)指船舶靠泊期間不使用船舶發(fā)電機(jī)組而由岸電電源供電。碼頭的岸電通過船舶上岸電連接電纜和岸電箱對船舶上的電氣設(shè)備供電，保證能滿足船舶電氣設(shè)備的用電需求。通常情況下，碼頭提供岸電的功率不大于靠泊船舶上單臺發(fā)電機(jī)的額定功率［1］。

艦船靠泊時若使用柴油發(fā)電機(jī)組供電，柴油在燃燒過程中產(chǎn)生大量硫化物和氮氧化物，對周邊環(huán)境造成污染。國際海事組織（IMO）數(shù)據(jù)表明：NO x和SO x是主要的污染物，全球以柴油為動力的船舶每年向大氣排放1 000萬噸NO x、850萬噸SO x；污染物通過氣候作用可以傳播至1 000 km以外的地區(qū)［2］。艦船使用岸電系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 減排

艦船用柴油發(fā)電機(jī)組配置容量根據(jù)艦船大小不同，以單臺機(jī)組功率為750 kW計算，艦船靠泊后停止柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，改由碼頭岸電電網(wǎng)供電，相當(dāng)于減排750 kW柴油機(jī)組的煙氣。GB 20891-2007規(guī)定，非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值每千瓦時（kWh）為CO2·5.0 g，HC 1.0 g，NO x 6.0 g，PM 0.2 g，煙氣總量10.7 g［3］。以一個靠泊位70%利用率計算，全年?？看?56天，年耗電750×24×256=4 608×103 kWh，艦船供電將減少煙氣總量排放10.7×4 608×103=49.36 t。

1.2 節(jié)能

艦船使用配置的停泊機(jī)組或主柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，效率較低、發(fā)電成本較高，以碼頭電網(wǎng)供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組供電，顯著提高了碼頭的能效，符合綠色發(fā)展的趨勢。以1 000 kW為例，碼頭使用率按交通部的《港口工程技術(shù)規(guī)范》確定取值范圍，取插值0.58，全年?？看?65×0.58=212（天），折合5 088 h。以TBD620V12柴油發(fā)電機(jī)組為例，該機(jī)組燃油耗率約為208 g/kWh，目前0#國際柴油價格約為人民幣6 300元/t，即使用柴油發(fā)電機(jī)組約為1.3元/kWh。電價按1.1元/kWh計算，使用岸電比使用柴油發(fā)電機(jī)組每年約節(jié)省（1.3-1.1）×1 000×5 088=1 017 600元。

1.3 減噪

艦船上柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，振動和噪聲較大，必定造成噪音污染，使用碼頭岸電后，可以消除上述影響，提高艦員的生活舒適性。

2 國內(nèi)外碼頭岸電系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 國外碼頭情況

美國港口選用的岸電設(shè)施為6.6 kV，容量為每一碼頭7.5MW。北美其他一些港口，例如休斯敦、理斯?jié)M、紐約/新澤西、西雅圖、奧克蘭、塔科馬、溫哥華和費(fèi)城，正在計劃采用岸電能源方案。如2004年洛杉磯港采用岸電技術(shù)對集裝箱船進(jìn)行供電，實(shí)施效果良好。NO x、SO x和可吸入顆粒物PM10的排放量平均減少95%。洛杉磯港估計1艘3MVA的集裝箱船?？?天的NO x、SO x和PM10排放量分別減少1.03 t、0.59 t和0.043 t［4］。

除洛杉磯港集裝箱碼頭外，國際上還有其他郵輪、滾裝船以及散貨碼頭實(shí)施了岸電技術(shù)。如2000年，哥德堡港滾裝船碼頭完成可提供岸電電源的終端。哥德堡港使用岸電后，估計每年NO x、SO x和PM10排放量分別減少80 t、60 t和2 t［3］；2002年，Alaska州Juneau港口5艘郵輪改造后可接受岸電電源供電。Juneau港口估計1艘7MW郵輪停靠1次（約13 h）的NO x、SO x和PM排放量分別減少421 lb、352 lb和23 lb，共計796 lb［3］。1991年，California州Pohang鋼鐵公司專用干散貨碼頭建立一個岸電電源系統(tǒng)，提供440 V/0.5MW岸電［5］。

2006年5月，歐盟委員會通過2006/339/EC法案，提出歐盟港口靠泊船舶使用岸電，要求成員國提高認(rèn)識，與IMO（國際海事組織）合作制訂岸電連結(jié)的國際標(biāo)準(zhǔn)，制訂促進(jìn)實(shí)施此法案的經(jīng)濟(jì)政策，交流各港口船舶供電和服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，在港口推廣提供岸電的設(shè)施。

2.2 國內(nèi)民用碼頭情況

在我國，上海港是世界上最為繁忙的港口之一，采用船舶靠泊岸電技術(shù)是港口建設(shè)的發(fā)展方向，而且對于保護(hù)港區(qū)、市區(qū)的環(huán)境，建設(shè)清潔、宜人的上海國際航運(yùn)中心都具有十分重要的意義。以上海港外六期的岸電碼頭供電方案來看，其碼頭全長1 008 m，共布置有17個10 kV/2 000 kVA高壓接電箱，可同時滿足17處用電［6］。由此可見，該碼頭方案可以同時提供17個靠泊處供電，即約60m設(shè)置一個岸電電源，電源功率約為1 800 kW（按0.9功率因數(shù)），由10 kV/400 V或10 kV/6.6 kV變壓器提供給靠泊船舶使用?？紤]設(shè)置變壓器等設(shè)備損耗及線路損耗，效率按0.9計，則每一岸電電源可提供的功率約為1 600 kW，可以滿足大部分船舶的靠泊岸電需求。

3 艦船碼頭岸電系統(tǒng)的配置

3.1 現(xiàn)狀

隨著艦船的發(fā)展和其使命任務(wù)的特殊性，艦船日益大型化、多功能化和模塊化，且往往采用隱身密閉設(shè)計，這些都導(dǎo)致艦船在靠泊時的岸電需要量更大。同時，艦船除日常訓(xùn)練及任務(wù)外，常年駐泊碼頭，為改善艦員的生活條件和適應(yīng)節(jié)能、減排和降噪的發(fā)展趨勢，均需要我們設(shè)置新一代艦船靠泊碼頭岸電系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)艦船碼頭岸電系統(tǒng)配置相應(yīng)簡單，一般根據(jù)?？康呐灤N類和需求設(shè)置。碼頭設(shè)施相當(dāng)簡單，其岸電容量不大，已不能滿足艦船發(fā)展的需要。主要存在以下問題：

（1）碼頭配套設(shè)施不適應(yīng)目前艦船的發(fā)展趨勢。現(xiàn)有碼頭的設(shè)計一般按照靠泊艦船設(shè)置岸電電源，容量較小，設(shè)置簡單，僅在碼頭提供AC 380 V、50 Hz電源，而沒有考慮必要的岸電保障措施，如岸電穩(wěn)壓裝置、岸電連接電纜、岸電電纜絞車等設(shè)備，且不同碼頭的岸電系統(tǒng)配置也不相同，造成艦船靠泊?？繒r不能提供岸電電源；

（2）由于碼頭配置僅提供電源接口，需要艦船設(shè)置岸電系統(tǒng)設(shè)施，占用較大的艦船空間。如500 kW岸電系統(tǒng)，需要設(shè)置岸電配電屏、岸電穩(wěn)壓裝置、岸電箱、岸電電纜及配套電纜絞車等設(shè)施，需占用較大的艦船空間，且總重量約為5～6 t。500 kW岸電電流約1 000 A，需要4根3×120mm2岸電電纜，按艦船常規(guī)配套長度約150 m，則單根岸電電纜重量約700 kg；

（3）大容量岸電系統(tǒng)若由艦船配套，則設(shè)計過于復(fù)雜，且現(xiàn)有設(shè)備已不能滿足艦船發(fā)展需求。目前現(xiàn)有艦船用岸電穩(wěn)壓裝置最大容量為800 kVA，如需艦船提供岸電保障措施，大功率岸電電源需采用分區(qū)/分系統(tǒng)，或僅對照明等日用負(fù)載提供穩(wěn)壓岸電電源，造成系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜。隨著艦船的發(fā)展，所需岸電容量的增大，在艦船上設(shè)置岸電系統(tǒng)已不適應(yīng)發(fā)展需求，主要岸電系統(tǒng)及保障設(shè)備均應(yīng)設(shè)置在碼頭上，以節(jié)約艦船空間并方便設(shè)置接岸設(shè)備，方便岸電接入操作；

（4）現(xiàn)有的岸電系統(tǒng)操作使用不便。如單根3×120 mm2岸電電纜重量約700 kg，需要4名以上艦員進(jìn)行人工拉敷接入，且操作困難。

3.2 常規(guī)艦船岸電碼頭配套系統(tǒng)

仍以常用500 kW、400 V岸電系統(tǒng)為例，常規(guī)艦船碼頭岸電接入為10 kV陸上電源，輸出功率根據(jù)?？颗灤O(shè)計，碼頭提供變電及配電設(shè)備，包括10 kV/400 V、800 kVA變壓器及標(biāo)準(zhǔn)150 A×3/300 A×3岸電接線箱。常規(guī)碼頭岸電系統(tǒng)如圖1所示。

3.3 碼頭岸電系統(tǒng)配置改進(jìn)

碼頭岸電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)?？颗灤愋汀⑷萘啃枨筮M(jìn)行設(shè)計配置，符合今后發(fā)展方向，符合碼頭設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化要求。其主要配置應(yīng)滿足下述要求：

（1）同時提供多艘艦船的靠泊需求

隨著艦船日用負(fù)載設(shè)備及生活條件的提高，常規(guī)艦船的岸電需求在500 kW左右。考慮今后發(fā)展，按1 000 kW/艘配置碼頭岸電系統(tǒng)，每個碼頭按最多?？?艘艦船考慮，則需要每個碼頭提供5 000 kW岸電。以艦船負(fù)載功率因數(shù)0.8計，則碼頭需要提供6 250 kVA岸電。一般變壓器效率約為0.98，同時考慮穩(wěn)壓裝置及線路損耗，碼頭整個岸電配電線路損耗按5%考慮，則碼頭路上電源接入容量約為6 600 kVA。

目前艦船碼頭的岸電接線箱通常配置150 A或300 A接插件，考慮操作、設(shè)備布置等原因，建議采用標(biāo)準(zhǔn)化300 A接插件，每個碼頭岸電接線箱可以配置4組300 A接插件。考慮接插件余量和實(shí)際使用，每根岸電電纜的負(fù)載電流按250 A考慮，則每個岸電接線箱可以提供約540 kW岸電。每艘艦船需配置2個標(biāo)準(zhǔn)岸電接線箱，每個碼頭需配置10個標(biāo)準(zhǔn)岸電接線箱。

圖1 常規(guī)碼頭岸電系統(tǒng)

碼頭除配置岸電供電接線箱外，還應(yīng)配置專用岸電接地箱。岸電接地箱應(yīng)采用既接地又接零線的方式，其接地線的截面應(yīng)不小于95 mm2，［7］即碼頭應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)岸電供電接線箱位置設(shè)置岸電接地箱，保證艦船在使用岸電時的可靠安全接地。

以往艦船和碼頭往往采用接線柱或接線端子實(shí)現(xiàn)岸電系統(tǒng)的連接，該連接方式其安全性和操作方便性均較差，建議采用快速接插件，提高岸電連接的安全可靠。

（2）提供岸電電纜及輔助設(shè)備

目前常用的艦船岸電纜為CEFR/SA型，即乙丙橡膠絕緣、氯丁橡膠護(hù)套、成束阻燃型船用電力軟電纜。按250 A負(fù)載電流選擇，岸電電纜截面規(guī)格至少120mm2。3×120 mm2CEFR/SA型電纜連續(xù)允許工作電流為224 A，重量為4 674 kg/km，則150m電纜重量為701.1 kg。岸電電纜主要存在重量重、彎曲性較差、不耐磨等缺點(diǎn)，故需要對岸電電纜進(jìn)行研究改進(jìn)設(shè)計，制造新型的岸電電纜。

碼頭提供岸電電纜及岸電電纜絞車等配套設(shè)備，減少艦船重復(fù)配置。碼頭除提供岸電電纜及存放設(shè)施外，由于岸電電纜較重，同時還應(yīng)配備用于拉敷岸電電纜的輸送或起吊裝置。

（3）提供穩(wěn)壓后的岸電電源

艦船一般對用電品質(zhì)要求相對較高，而碼頭岸電系統(tǒng)受陸上電網(wǎng)影響，品質(zhì)不高。據(jù)統(tǒng)計，白天在負(fù)荷高峰時，最低電壓可至360 V甚至更低；而在晚上最低峰負(fù)荷時，其電壓可高至440 V。這種岸電的電壓變化可能導(dǎo)致艦船電氣設(shè)備損壞，特別是控制電源設(shè)備中的控制電源變壓器以及電源模塊容易損壞［8］，并對艇上正常照明燈管壽命造成嚴(yán)重影響。根據(jù)燈管壽命分析，電壓高出220 V額定電壓10%，其燈管壽命將減少一半；若晚上電壓高至440 V，則燈管電壓可能高達(dá)250 V以上，燈管壽命將受到嚴(yán)重影響。因此設(shè)置岸電穩(wěn)壓裝置是必須的。

岸電穩(wěn)壓裝置的輸出還應(yīng)考慮岸電配電線路壓降。一般艦船電力系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)組電壓為390 V+6%-10%，即艦船負(fù)載供電電壓按390 V考慮。一般岸電電纜長度為120～150 m，按最長150 m計算，其電壓降落為10.2 V左右。需要碼頭提供穩(wěn)壓后的岸電電壓應(yīng)在400 V左右。

（4）保護(hù)與監(jiān)測

岸電設(shè)備應(yīng)設(shè)有保護(hù)及配電參數(shù)監(jiān)測功能，包括過電流保護(hù)、岸電供電接線箱的相序相位一致性保護(hù)、總供電線路的電壓電流及功率監(jiān)測和每一供電接線箱線路的電壓電流及功率監(jiān)測等功能。

根據(jù)上述配置需求，標(biāo)準(zhǔn)5 000 kW岸電碼頭其岸電系統(tǒng)需要設(shè)置6 600 kVA、10 kV/400 V大容量變壓器，岸電供電配電板，400 V/400 V、800 kVA岸電穩(wěn)壓裝置，250A×4、400V標(biāo)準(zhǔn)岸電供電接線箱，250 A、400 V標(biāo)準(zhǔn)岸電接地箱，250 A、400 V標(biāo)準(zhǔn)岸電電纜，標(biāo)準(zhǔn)岸電接地電纜及岸電接入輔助設(shè)備。

4 結(jié)語

艦船?？看a頭時使用岸電系統(tǒng)具有節(jié)能、減排、降噪等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合國內(nèi)外碼頭岸電系統(tǒng)配置及對國內(nèi)艦船碼頭岸電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，提出了標(biāo)準(zhǔn)化的艦船碼頭岸電系統(tǒng)。該岸電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是取消每船配置的岸電電纜、岸電電纜絞車、岸電穩(wěn)壓裝置等設(shè)備，節(jié)約艦船空間、減少重量，有利于艦船的整體布置優(yōu)化，提高艦員的生活舒適性，并實(shí)現(xiàn)艦船安全、可靠、快速接入岸電。

［1］黃建章等.船舶設(shè)計實(shí)用手冊電氣分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.

［2］李學(xué)文，孫可平.船舶接用岸電技術(shù)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報，2006，（9）：11-12.

［3］GB 20891-2000.非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國I、II階段）［S］.

［4］Korn Milton，Martin Michael，Wallace Peter，et al.Amari time contribution to our environment［C］.2006 SNAME Maritime Technology Conference and Exposition and Ship Production Symposium，2006.

［5］Kherson sky Yuri，Islam Moni，Peterson Kevin.Challenges of connecting shipboard marine systems to medium voltage shore side electrical power［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43（3）.

［6］包起帆，黃細(xì)霞等.上海港口外高橋六期碼頭岸電試點(diǎn)項(xiàng)目論證方案［J］.港口科技，2009（12）：6-11，14.

［7］孫詩南.艦船電力系統(tǒng)的研究與設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1990.

［8］楊金城，徐正喜.艦船交流岸電電源剖析［J］.中國造船，2005，46（1）.

Shore power system

WU Hong
（Naval Representation in Hudong Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.，Ltd，Shanghai 200129，China）

warship；shore power；shore power system

The investigation of the domestic and international SPS configuration shows that the domestic shore power system（SPS）doesn’t meet the practical needs very well.This paper presents the standard SPS for the warship dock to fulfill the requirement of warship development.By comparing with diesel generator，the SPS has advantages of energy saving，emission decrease，noise reduction，ship space saving&weight decrease by reducing equipments of ship SPS，as well as the safe，reliable，and economic operation.

U673.37

A

1001-9855（2011）03-0044-04

2010-10-29；

2010-12-15

吳宏（1975-），男，漢族，工程師，主要從事艦船電氣研究設(shè)計工作。