船舶中壓岸電系統(tǒng)的應用和展望

翟 毅

（巴柏賽斯船舶科技上海有限公司，上海 201206）

0 引言

隨著全球貿(mào)易穩(wěn)步增長，作為扮演貿(mào)易重要角色的船舶，其對環(huán)境的影響問題也日益顯著?？沙掷m(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略已成為現(xiàn)今船舶領域的重要發(fā)展目標，目前已有多項針對船舶節(jié)能減排的措施付諸實踐，其中一項舉措便是中壓岸電系統(tǒng)。該方案針對船舶在長時間港口作業(yè)或停港補給的作業(yè)階段，采用港口的中壓配電設備向船舶直接供電，替代船舶自身使用的柴油發(fā)電機組供電，從而減少柴油機運行所帶來的硫化物、氮化物、二氧化碳和灰塵等污染物的排放，同時還可以降低船舶在港口帶來的噪聲污染和振動問題。

近年來國際航運組織如IMO、MARPOL和EU等若干家管理機構都對船舶的廢氣排放問題十分重視，并相繼制定了專門的法規(guī)，以有效控制和減少船舶排放對環(huán)境的污染，主要措施是限定船用燃料的硫含量以及硫氧化物和氮氧化物的排放量。

船舶中壓岸電方案的提出最早始于美國，當時美國加州洛杉磯港口沿岸地區(qū)的空氣因港口過往?？看芭懦龅膹U氣而受到污染，空氣質量日益惡化，嚴重影響到該區(qū)域居民生活質量。因此洛杉磯市長于2001年10月針對這一狀況宣布徹底清新空氣計劃，稱為港口廢氣“無凈值成長”。該計劃以2001年港口所排放廢氣總量為基準，規(guī)劃抑制港口內(nèi)廢氣量的增長，防止空氣質量隨著港口運營的發(fā)展而進一步惡化。

洛杉磯港口管理部門為達到“無凈值成長”計劃的目標，聯(lián)合政府相關部門、學術機構及相關業(yè)界攜手合作，進行了一連串包括港口內(nèi)污染源統(tǒng)計和分析、港口規(guī)章的檢討和修訂以及減少廢氣排放的控制措施規(guī)劃等研究計劃。

根據(jù)港口污染源的統(tǒng)計和分析評估顯示，因停泊港口的船舶主要為集裝箱船，耗用電量高，所排放的廢氣為港口的主要污染源之一。據(jù)估算每艘集裝箱船在停泊期間排放出約1 t的氮化物氣體以及約45 kg微粒物質，對當?shù)乜諝赓|量造成很大影響。因此提出了船舶在停泊港口時，以較低污染的岸電替代船上柴油發(fā)電機系統(tǒng)，來供應船上所需電力的船舶中壓岸電系統(tǒng)解決方案。

1 船舶岸電系統(tǒng)的組成

船舶中壓岸電系統(tǒng)是由一套中壓（通常為 AC 6.6 kV）電力轉換裝備及相關組件，安裝在船舶適當位置，用于連接岸上電源。當船舶停靠港口時，通過船上的岸電系統(tǒng)連接至岸上的供配電系統(tǒng)，關閉船上柴油發(fā)電機組的運行，以岸電完全替代船上發(fā)電系統(tǒng)，供應船舶在停泊期間所需的電力。

經(jīng)過相關產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)，目前發(fā)展出的主流岸電系統(tǒng)包含主要裝備：1）電纜絞車盤，包含連接岸電的電纜及接頭；2）岸電配電屏；3）降壓變壓器；4）岸電開關柜。

系統(tǒng)配置和連接方式如圖1所示。

圖1 中壓岸電示意圖

2 船舶岸電加裝的設計方案

針對中壓岸電系統(tǒng)方案，在實際船舶設計項目上進行了較為深入的實踐和研究。該項目為一艘設計建造過程中的江海聯(lián)運51 000 t散貨船，船東提出在原有設計和建造方案的基礎上增設基于岸電的環(huán)保措施提議。

該項目涉及到岸電增設方案的基本設計背景條件如下：

1）船上輸入（發(fā)電機輸出）電壓/頻率

400 V/50 Hz；

2）船上服務（負載額定）電壓/頻率

380 V/50 Hz及220 V/50 Hz；

3）原船配備3臺670 kW主柴油發(fā)電機；

4）根據(jù)電力負荷計算書所示，船舶在港口有“停泊”和“裝卸貨”兩種工況，其中港口作業(yè)（裝卸貨）是最大使用功率工況，開2臺主柴油發(fā)電機，計算負荷約719.12 kW，負荷率約53.67%。

其電力負荷計算書如表1所示。

表1 51 000 t散貨船電力負荷計算

綜合上述該項目的設計輸入條件，船舶岸電系統(tǒng)的搭建配置如圖2所示。點劃線左側為原船的船舶發(fā)電機供電及配電系統(tǒng)，點劃線右側虛線上方為需增設的岸電系統(tǒng)組成，虛線下方為港口岸上的供電系統(tǒng)及接插設備。

圖2 中壓岸電系統(tǒng)配置示意圖

將港口岸電接插至船舶岸電系統(tǒng)，并經(jīng)變壓調節(jié)至與船舶電網(wǎng)相一致的電壓頻率，船舶?？扛劭诤笸Ｖ勾习l(fā)電機運轉，轉為岸上電源供電。

系統(tǒng)需要增設的設備如下：

1）1臺6.6 kV中壓岸電開關柜，用于接收岸上電網(wǎng)的電源輸入；

2）1臺6.6 kV/400 V降壓變壓器，干式，自然循環(huán)空氣冷卻，防滴式，B級絕緣；

3）集控室主配電板增加1屏用于安裝專門的中壓岸電空氣斷路器；

4）封閉式左舷中壓岸電絞車。

根據(jù)船舶港口作業(yè)最大工作負荷719.12 kW，降壓變壓器選用800 kVA容量的干式變壓器，原配電板新增岸電空氣斷路器選用框架電流約為1 500 A。

另外，應計算斷電連接時所停港口的岸電饋送的預期短路電流。并網(wǎng)連接岸電時，在船舶主匯流排的最大預期短路電流應盡量不超過船舶電站供電時允許的最大短路電流。若實際不可行，則主匯流排連接的各斷路器的額定短路通斷能力應不低于該短路電流[2]。

在做短路電流計算時應考慮岸電和船舶電源饋送的預期短路電流，可考慮下列措施以限制連接岸電時的預期短路電流[3]：防止岸電與船舶電源并網(wǎng)運行；或并網(wǎng)連接期間限制船舶發(fā)電機組數(shù)量以轉移負載；和/或限制高壓岸電船載接入端短路電流。

對于船上接通岸電的設備，斷路器和接地開關的額定短路接通能力應不低于預期短路電流的最大峰值Ip，斷路器額定短路分斷能力應不低于最大預期短路電流Iac（0.5T，T為短路發(fā)生的一個周期）[1]。

岸電系統(tǒng)的安裝較為靈活，即可以利用原船的空余艙室，也可以搭建獨立的結構艙室作為設備安裝空間。另外，一些設備供應商可以提供集裝箱模塊化成套系統(tǒng)集成解決方案，使該系統(tǒng)的應用更為簡單便利。

針對該項目的安裝空間規(guī)劃，岸電系統(tǒng)設備的布置及安裝如圖3所示。

在原船A甲板艉部左舷設置一個艙室，中間適當隔斷，將該艙室分隔成2個房間，1個命名為中壓變壓器室，1個命名為中壓岸電室。

降壓減壓器尺寸約2 695 mm×1 900 mm×1 680 mm，安裝于中壓變壓器室。6.6 kV中壓岸電柜尺寸約2 700 mm×1 400 mm×1 680 mm，安裝于中壓岸電室。A甲板艉部露天區(qū)域左舷預留岸電電纜絞車平臺，尺寸約2 600 mm×1 680 mm×2 695 mm，絞車重量約2.5 t。

圖3 中壓岸電設備布置圖

3 船舶岸電的經(jīng)濟效益

中壓岸電系統(tǒng)的安裝不僅能改善，減少有害氣體的排放，同時也能有效提升能源利用和運營成本的效率。

以該項目為例，采用柴油發(fā)電機作為停港電源，柴油發(fā)電機的油耗約為196 g/kWh；停港最高負荷約719.12 kW；每小時油耗為單位油耗×消耗功率÷柴油密度，即196×719.12 /1 000/0.84=167.79 (L/h)；柴油價格約5.89元/升；平均靠港時間按60 h計算；則單次靠港費用約為167.79×5.89×60=59 296.9(元)。

如采用中壓岸電作為停港電源，則單次靠港費用約為 719.12×1.025(工業(yè)電費)×60=44 225.9(元)。

綜上計算，單次靠港如采用中壓岸電方案則可節(jié)約1.5萬余元，同時還可降低柴油發(fā)電機的機械損耗，如按每年船舶運量10次往返，約20次靠港計，則年節(jié)約30萬余元。

4 船舶岸電的發(fā)展展望

過去十年，包括哥德堡、呂貝克、奧盧、澤布呂赫、安特衛(wèi)普等歐洲港口都采用了高壓岸電供電系統(tǒng)。另外，洛杉磯、長灘、西雅圖、朱諾、溫哥華等北美港口城市也與航運業(yè)緊密協(xié)作，在眾多船舶上實施岸電供電。

岸電系統(tǒng)尤其適合于那些在專用航道上行駛的船舶以及高能耗、高排放的船舶。其中最為典型的便是渡船、巡邏船、LNG運輸船、油輪以及集裝箱運貨船?；蛟S用不了多久，岸電設施就將大規(guī)模啟用。由IEC、ISO和IEEE最新制定的“高壓岸上接線（HVSC）”全球標準成為整個進程的重要里程碑，今后將在岸電系統(tǒng)的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。

我國的港口也越來越多地鋪設了中壓岸電設施，為靠港船舶提供中壓岸電接駁服務，在不久的將來，該解決方案將有越來越多的廣泛應用，為環(huán)境改善作出可持續(xù)性發(fā)展的長遠貢獻。

5 結論

綜上所述，船舶中壓岸電系統(tǒng)在系統(tǒng)構架和布置加裝上十分靈活可行，在對運輸船舶原始設計不做原則性改動的情況下增設系統(tǒng)，即可以在新造船上得到應用，也可以在運營船基礎上加裝。

該解決方案的實施在為環(huán)境改善作出長遠貢獻的同時，也能夠為船舶運營方提供能耗及運營成本上的節(jié)約。