智能岸電系統(tǒng)整體解決方案的實(shí)施

曹勝華，徐大可，王文強(qiáng)，許高文

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210003)

1 問題的提出

我國是世界上最大的水運(yùn)國家，港口貨物年吞吐量達(dá)70多億t，居世界之首。每年在我國沿海和內(nèi)河港口靠泊裝卸貨物的船舶數(shù)量巨大，主要包括雜貨船、散貨船、集裝箱船、汽車船、原木船、化工品船、液化氣船、客輪和油輪等。由于全世界幾乎所有的船舶均使用燃燒輕質(zhì)或重質(zhì)柴油的發(fā)電機(jī)自行發(fā)電，所以，船舶會排出大量二氧化碳、硫化物和氮化物，對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題變得日益突出，我國政府適時(shí)提出了“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的建設(shè)目標(biāo)。隨著我國“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會建設(shè)工作的推進(jìn)，交通運(yùn)輸已成為國務(wù)院確定的重點(diǎn)節(jié)能減排行業(yè)。所以，積極采取措施做好船舶的節(jié)能減排工作，對于促進(jìn)我國整體節(jié)能減排、減輕港口地區(qū)的空氣污染及履行有關(guān)氣候變化的國際公約具有重要意義。

大型船舶特別是油船和集裝箱船靠港時(shí)通常使用燃油制品發(fā)電來滿足船舶用電需求。重油和柴油在燃燒過程中會產(chǎn)生大量硫化物和氮氧化物，對周邊環(huán)境造成污染。船舶使用柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲也會對環(huán)境造成污染。目前，國際上一些先進(jìn)港口已經(jīng)采用陸地的電源對靠岸船舶供電來滿足船舶用電需求，這種供電系統(tǒng)稱為靠岸船舶供電系統(tǒng)(以下簡稱岸電系統(tǒng))。岸電系統(tǒng)的使用可以達(dá)到節(jié)能、減排、降噪和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2 國內(nèi)、外岸電系統(tǒng)現(xiàn)狀

國外20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始研究岸電系統(tǒng)，隨著對節(jié)能環(huán)保的日益重視，有一些港口使用了岸電系統(tǒng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上已有20多個(gè)港口在其特定的泊位上配備了為船舶供應(yīng)岸電的設(shè)施，結(jié)果見表1。

目前國外已有岸電項(xiàng)目都以直供電為主，如60Hz港口電網(wǎng)向60Hz船舶電網(wǎng)直接供電(美國)，50Hz港口電網(wǎng)向50Hz船舶電網(wǎng)直接供電(歐洲)，但均不涉及變頻技術(shù)。而國內(nèi)、外大部分船舶電網(wǎng)頻率為60Hz，而我國港口岸電電網(wǎng)頻率為50Hz，60 Hz的船舶電器不可能直接使用50Hz的交流電，否則會造成電器損毀和傷害，因此，必須利用變頻穩(wěn)壓技術(shù)研制出適合我國的岸電系統(tǒng)。

上海港于2010年3月22日在外高橋二期集裝箱碼頭進(jìn)行了為集裝箱班輪提供岸電的嘗試(輸入10.0kV/50Hz，輸出440V/60Hz)，開啟了我國港口為船舶供應(yīng)岸電的歷史。由于選用低壓上船方案，船岸連接電纜多達(dá)9根，需要起重機(jī)輔助起吊電纜上船，接駁時(shí)間較長。

連云港港于2010年10月24日在#59泊位對靠泊在這里的“中韓之星”客貨班輪進(jìn)行了提供岸電的嘗試輸入10.0kV/50Hz，輸出6.6kV/60Hz，開啟了我國港口為船舶供應(yīng)高壓岸電的歷史。該方案特點(diǎn)為“高壓上船、一個(gè)接口、不間斷供電”。由于選用高壓上船方案，船岸連接電纜只要1根，接駁方便快捷，整個(gè)接駁過程僅用了20min。

綜合國內(nèi)、外現(xiàn)狀，岸電系統(tǒng)研究近期取得了不少成果，但偏重于岸電系統(tǒng)設(shè)備研制，缺少岸電系統(tǒng)整體解決方案。

3 智能岸電系統(tǒng)整體解決方案的設(shè)計(jì)

智能岸電系統(tǒng)是國電南京自動化股份有限公司整合公司資源、以成熟技術(shù)和先進(jìn)理念打造出的新一代靠岸船舶供電系統(tǒng)整體解決方案。智能岸電系統(tǒng)集岸電的監(jiān)測、保護(hù)、控制、計(jì)費(fèi)、設(shè)備管理和仿真于一體，在功能上又相互獨(dú)立，通過靈活的配置和組態(tài)，能滿足高電壓等級的岸電接入自動化的要求。

系統(tǒng)主要功能有以下9個(gè)方面:

(1)電制轉(zhuǎn)換。將港口電網(wǎng)10.0kV/50Hz，6.0 kV/50Hz交流電變換成適合于大型船舶使用6.6 kV/60Hz交流電，同時(shí)解決船供電對港口電網(wǎng)的污染問題，滿足了船舶用電負(fù)荷突變的要求。

(2)高壓上船。將6.6kV/60Hz交流電安全提供給船舶用電。

(3)快速保護(hù)。滿足了港口岸電系統(tǒng)運(yùn)行安全的要求。

(4)計(jì)量計(jì)費(fèi)。滿足了港口電能量高精度計(jì)量計(jì)費(fèi)的要求。

(5)實(shí)時(shí)監(jiān)控。滿足了港口岸電系統(tǒng)運(yùn)行自動化的要求。

(6)設(shè)備管理。滿足了港口資產(chǎn)管理的要求。

(7)仿真培訓(xùn)。滿足了港口人員業(yè)務(wù)培訓(xùn)的要求。

(8)用電分析。滿足了港口科學(xué)管理的要求。

(9)信息發(fā)布。滿足港口信息公開的要求。

智能岸電系統(tǒng)由綜合自動化系統(tǒng)、高壓變頻配電系統(tǒng)、船舶受電系統(tǒng)組成，如圖1所示。港口完成綜合自動化系統(tǒng)、高壓變頻配電系統(tǒng)部分建設(shè)和改造。船舶完成船舶受電系統(tǒng)建設(shè)和改造。下面重點(diǎn)介紹港口所需的綜合自動化系統(tǒng)、高壓變頻配電系統(tǒng)方案。

3.1 綜合自動化系統(tǒng)

圖1 智能岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

綜合自動化系統(tǒng)保證岸電系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，完成岸電設(shè)備的運(yùn)行操作和事故處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)動控制;實(shí)現(xiàn)用電信息的自動采集、計(jì)量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、智能用電設(shè)備的信息交互;實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、綜合應(yīng)用、多機(jī)群控、運(yùn)行維護(hù)管理等功能。系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:

(1)完整的岸電自動化解決方案。系統(tǒng)具有完整的岸電電氣綜合自動化功能，集岸電的監(jiān)測、保護(hù)、控制、計(jì)費(fèi)、設(shè)備管理和仿真于一體，減少了工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)及系統(tǒng)擴(kuò)展等各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)工作量。

(2)分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大大減少電纜數(shù)量，縮短安裝時(shí)間和現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間。

(3)全以太網(wǎng)通信架構(gòu)。從間隔層的單元設(shè)備就采用以太網(wǎng)的通信，配合設(shè)備內(nèi)部的平衡通信，使得整個(gè)系統(tǒng)通信非常快捷。

(4)開放性設(shè)計(jì)思想。采用開放性設(shè)計(jì)思想和成熟的先進(jìn)技術(shù)，如WindowsNT，unix系統(tǒng)，PowerPC處理器及以太網(wǎng)技術(shù)等。

(5)高標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容性能。從單元設(shè)備的系統(tǒng)輸入、直流電源、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出以及通訊等環(huán)節(jié)進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)。

(6)與第3方系統(tǒng)互聯(lián)。該系統(tǒng)能夠和第3方系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。

(7)完善的電能計(jì)量管理系統(tǒng)。完善的電能計(jì)量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)可實(shí)現(xiàn)自動、及時(shí)、準(zhǔn)確、完整、安全的電能數(shù)據(jù)采集、存儲和應(yīng)用。

2)可實(shí)現(xiàn)電壓合格率統(tǒng)計(jì)分析、供電可靠性統(tǒng)計(jì)分析、無功及功率因數(shù)統(tǒng)計(jì)分析、用電異常分析及用電考核分析。

3)實(shí)現(xiàn)豐富的表格、曲線、報(bào)表等數(shù)據(jù)顯示，針對用戶電費(fèi)自動結(jié)算，定制報(bào)表輸出，并提供豐富的管理功能。

3.2 高壓變頻配電系統(tǒng)

高壓變頻配電系統(tǒng)是智能岸電系統(tǒng)的核心系統(tǒng)，完成變頻變壓功能，高壓變頻配電系統(tǒng)由10.0 kV高壓開關(guān)柜、10.0kV高壓計(jì)量柜、移相變壓器柜、功率柜、控制柜、隔離變壓器、6.6kV高壓開關(guān)柜、動力電纜和岸電高壓接電箱組成，其中高壓變頻系統(tǒng)是核心。

高壓變頻系統(tǒng)是在國電南京自動化股份有限公司具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓變頻技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功率模塊設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面具有鮮明的特點(diǎn)和獨(dú)特的優(yōu)勢，采用相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)品已在現(xiàn)場長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。高壓變頻系統(tǒng)主要包括由移相變壓器柜、功率柜和控制柜組成，它采用了多個(gè)功率模塊串聯(lián)而成，通過將多個(gè)低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出，它具有系統(tǒng)可靠性高、操作界面友好、安保系統(tǒng)完善、維護(hù)簡單等技術(shù)特點(diǎn)。以此高壓變頻系統(tǒng)為核心組成了功能全、可靠性高的高壓變頻配電系統(tǒng)。

3.3 方案實(shí)施

方案1。綜合自動化系統(tǒng)安裝在電力管理部門，高壓變頻配電系統(tǒng)安裝在港口變電站，輸出的6.6kV/60Hz電源通過電力電纜輸送到碼頭前沿的6.6kV/60Hz岸電高壓接電箱。當(dāng)船舶靠岸后，采用高壓上船方式只需將船上的1根專用的高壓電纜投放至碼頭，再由操作人員接入6.6kV/60Hz岸電高壓接電箱即可。

方案2。綜合自動化系統(tǒng)安裝在電力管理部門，高壓變頻配電系統(tǒng)放到岸邊，用1根高壓電纜接上岸邊10.0kV/50Hz高壓接電箱，輸出的6.6kV/60Hz電源到6.6kV/60Hz岸電高壓接電箱。當(dāng)船舶靠岸后，采用高壓上船方式時(shí)只需將船上的1根專用的高壓電纜投放至碼頭，再由操作人員接入岸電高壓接電箱即可。

4 節(jié)能減排分析

4.1 減排分析

船舶排放的廢氣中含有多種有害物質(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)等。排放物的典型分組如圖2所示。

按船用柴油發(fā)電機(jī)組耗油典型值180g/(kW·h)和產(chǎn)生排放物典型值7680g/(kW·h)計(jì)算，其中:

(1)N2，O2，CO2，H2O的混合廢氣占99.7%，為7657g/(kW·h);

(2)NOx，SOx，HC，CO等有害物質(zhì)占0.3%，為23g/(kW·h);

(3)船用柴油發(fā)電機(jī)的CO2排放數(shù)據(jù)，特定燃料消耗185g/(kW·h)時(shí)，CO2排放為610g/(kW·h)。

根據(jù)《2009年中國港口年鑒》公布的數(shù)據(jù)，截至2008年年底，我國擁有港口(包括內(nèi)河港口)413個(gè)，生產(chǎn)泊位31050個(gè)，其中1000t級以上的泊位3625個(gè)，擁有水運(yùn)船舶達(dá)18.42萬艘、載重12416萬t。此外，還有大量的外國船舶進(jìn)出我國港口。隨著我國水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展，在港口作業(yè)的船舶數(shù)量還會持續(xù)增加。目前通行的做法是，船舶在港口靠泊裝卸貨物時(shí)，均由其自身配備的發(fā)電機(jī)發(fā)電，以滿足船舶電氣和機(jī)械設(shè)備的用電需要。

圖2 廢氣排放的典型組分

現(xiàn)在營運(yùn)船舶的噸位主要是從1000t至30萬t，根據(jù)航運(yùn)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，營運(yùn)船舶的平均噸位為3萬～5萬t，這類噸位的船舶每天在泊位上用于發(fā)電的實(shí)際耗油量為2～3t。以3萬～5萬噸級的船舶為測算依據(jù)，平均每天在泊位上的耗油按2.5t、港口泊位使用天數(shù)每年按365d、泊位利用率按90%、港口泊位數(shù)按1000t級以上的泊位3625個(gè)計(jì)算，則每年1000t級以上的各類船舶在我國港口靠泊裝卸貨物期間消耗的燃油為2.5×365×90%×3625=2977031t≈298(萬t)。

如果這些船舶在港口靠岸期間關(guān)停自身的燃油發(fā)電機(jī)而改用岸電系統(tǒng)給船舶供電，在優(yōu)先使用水電、風(fēng)電、核電等綠色電力的情況下，岸電系統(tǒng)推廣應(yīng)用到全國，每年將會減少:

(1)混合廢氣排放298×7657/180≈12677(萬t);

(2)有害物質(zhì)排放298×23/180≈38(萬t);(3)CO2排放298×610/180≈1010(萬t)。

如果再把我國14萬艘1000t級以下的船舶計(jì)算進(jìn)來，混合廢氣、有害物質(zhì)、CO2(溫室氣體)減排的效果將會進(jìn)一步大幅提高。岸電系統(tǒng)應(yīng)用可以大大緩解船舶在港期間對港區(qū)大氣環(huán)境的影響，有效改善區(qū)域環(huán)境。

4.2 節(jié)能分析

根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，船舶燃油發(fā)電本身效率不高，再加上產(chǎn)生的過剩電能又不能儲存，能源浪費(fèi)極大，總體效率遠(yuǎn)低于火電發(fā)電效率，因此，船舶使用岸電系統(tǒng)從總體上能節(jié)約能源。

另外，船用柴油發(fā)電機(jī)組正常負(fù)荷費(fèi)用為180×7.33×1/850=1.55元/(kW·h)，平均負(fù)荷費(fèi)用約1.55/0.7=2.21元/(kW·h)，港口工業(yè)電費(fèi)按1.0元/(kW·h)計(jì)，加上管理費(fèi)0.2元/(kW·h)，港口岸電系統(tǒng)供電按1.5元/(kW·h)計(jì)，船舶能節(jié)省費(fèi)用32%。

從減排和節(jié)能2個(gè)方面分析來看，港口建設(shè)靠岸船舶供電系統(tǒng)供靠岸船舶使用節(jié)能減排效果明顯，所以得到了有關(guān)部門和交通企業(yè)的關(guān)注。

5 結(jié)論

本文針對國內(nèi)外岸電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了智能岸電系統(tǒng)整體解決方案。智能岸電系統(tǒng)的研制與應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要政府部門、港口、船方、系統(tǒng)集成商等多方面合作推進(jìn)。岸電技術(shù)應(yīng)用已被列入交通運(yùn)輸部“車、船、路、港”千家企業(yè)低碳交通的專項(xiàng)行動，隨著技術(shù)的不斷成熟，未來岸電系統(tǒng)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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