某型散貨船岸電系統(tǒng)加裝改造設(shè)計

史斌杰，劉中銀，蘭 鋒，劉 赟

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

大型船舶在靠泊裝載期間，其主電網(wǎng)仍需維持船舶大功率機器和其他設(shè)備支撐系統(tǒng)正常運行[1]。船舶柴油發(fā)電機組在發(fā)電過程中會排放NOx、SOx、揮發(fā)性有機化合物（VOC）和顆粒物（PM）等污染物，對港口造成很大的污染。眾多靠港船舶形成的“海上流動污染源”[2]會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。為解決該問題，美國、歐洲等相關(guān)國家或地區(qū)陸續(xù)制定船舶使用岸電、停用船電的鼓勵性政策和強制性規(guī)定[3]。我國有關(guān)部門對此也高度重視，制定了一系列與岸電相關(guān)的政策，《中華人民共和國大氣污染防治法》要求“船舶靠港后應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用岸電”[4]；《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020）》提出：到2020年，珠三角、長三角和環(huán)渤海（京津冀）水域主要港口90%的港作船舶和公務(wù)船舶靠泊使用岸電，50% 的集裝箱、客滾和郵船專業(yè)化碼頭具備向船舶供應(yīng)岸電的能力[5]。本文就此對某型散貨船（下稱“目標(biāo)船”）的岸電系統(tǒng)加裝改造效益進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)有情況

目標(biāo)船總長199.99m，型寬32.26m，設(shè)計吃水10.77m，設(shè)計航速13kn。船上主發(fā)電機組的額定功率為560kW，單臺發(fā)電機組在100%負(fù)荷下的平均燃油消耗率為204.5g/(kW·h)。經(jīng)電力負(fù)荷計算，目標(biāo)船裝卸貨期間最高負(fù)荷為490kW。根據(jù)實際測算，船舶靠泊期間，發(fā)電機組在普通工況下的功率為250～300kW，在惡劣工況下的功率約為420kW。

目標(biāo)船的目的港主要為南方各電廠的碼頭和長江南京段下游各港口，均擬建高壓岸電插座箱。目標(biāo)船的裝貨港主要為秦皇島港、曹妃甸港、黃驊港和天津港等北方港口，其中：秦皇島港已裝配4個泊位的高壓岸電插座箱，電壓為AC6600V，容量為1300kV·A；黃驊港計劃2018年啟動高壓岸電項目；曹妃甸港和天津港均已安裝高壓岸電插座箱。

2 改造方案

2.1 設(shè)備配置

該改造方案配置2臺電纜管理系統(tǒng)和相應(yīng)的岸電接入柜。根據(jù)船舶靠岸舷側(cè)的情況，采用對應(yīng)的電纜管理系統(tǒng)釋放電纜，將電纜引至岸上的插座箱，實現(xiàn)船岸電源切換，由岸電為船舶供電，停止船舶自身供電。系統(tǒng)單線圖見圖1。

該方案的特點是使用方便、安全和操作簡單。相對于1臺電纜管理系統(tǒng)上船方案，無須增設(shè)結(jié)構(gòu)平臺和電纜導(dǎo)軌，船舶靠岸后即可將電纜送至岸上的岸電插座箱上。由于電纜管理系統(tǒng)是安放于船側(cè)兩舷的，可縮短電纜的有效長度，提高其操作性能；同時，縮短電纜長度可減小絞車的尺寸和重量，降低電纜管理系統(tǒng)對船舶安裝空間的要求。該方案的安全性較高，操作性和可靠性都滿足要求，故可行性較高。設(shè)備布置圖見圖2。

2.2 供電配置

目前國內(nèi)外的船舶配電電壓主要有低壓（380～450V）和高壓（6～10kV）2種[6]。供電電壓的選擇需考慮?？看暗挠秒妳?shù)需求和系統(tǒng)容量、接電安全性、碼頭岸電電壓等級等多種因素。

目標(biāo)船為干散貨船，用電需求為低壓 380V或440V。對于低壓用電船舶，采用高壓供電方式時需在船側(cè)加裝一個降壓變壓器，這會增加船側(cè)改造成本，但可減小電纜線徑，降低電纜管理系統(tǒng)的成本。低壓供電方式則可直接為船舶提供低壓電源，但其電流較大，需增大電纜線徑，由此會增加電纜管理系統(tǒng)的成本。此外，岸電系統(tǒng)容量對供電參數(shù)也有一定影響。上船電壓選擇標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖2 設(shè)備布置圖

表1 上船電壓選擇標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)電力負(fù)荷計算書給出的數(shù)值，目標(biāo)船在裝卸貨期間的持續(xù)功率為311kW，間歇功率為425kW，間歇功率同步系數(shù)為0.4；在裝卸貨期間的功率為490kW。經(jīng)觀察，船舶的用電功率一般為250～300kW。當(dāng)某階段的工況特殊時，例如夏季開啟空調(diào)并采用供油單元電加熱來代替鍋爐的燃燒，用電功率應(yīng)在420kW左右。由上述數(shù)據(jù)可知，計算得到的用電功率和實際用電功率基本相符。

采用岸電系統(tǒng)供電之后，可能增加的電力設(shè)備有電纜管理系統(tǒng)、岸電室通風(fēng)系統(tǒng)、變壓器和斷路器柜等，估算功率為50kW。按同步系數(shù)為0.4計算，最終的功率為510kW，用電負(fù)荷可取為520kW。若船舶功率因數(shù)cosψ取值為0.8，則船舶視在功率計算值為650kV·A。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，該項目所需岸電容量為650kV·A，＞630kV·A，可采用高壓上船方式。

目標(biāo)船所?？垦b貨港的岸電系統(tǒng)均配備為高壓電制，卸貨港也計劃加裝高壓岸電系統(tǒng)岸基裝置。根據(jù)?？看a頭的現(xiàn)狀，若目標(biāo)船采用低壓上船方式，目前還無法與碼頭岸基裝置連接使用岸電，需對碼頭岸基部分進(jìn)行改造，但碼頭改造涉及部門多，工程難度大，費用高，可實施性差。因此，目標(biāo)船改造采用高壓上船方式更合適。

根據(jù)中國船級社規(guī)范的要求，在高壓岸電電壓和頻率滿足條件的情況下，允許其與船舶電網(wǎng)短時并網(wǎng)，進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)無縫切換。因此，在船電與岸電切換過程中不會發(fā)生全船瞬時失電而使某些負(fù)載停止工作的情況。綜合考慮各方面因素，目標(biāo)船改造擬采用高壓6.6kV/50Hz電制上船，岸電容量設(shè)定為650kV·A。

2.3 電纜配置

岸船連接電纜的根數(shù)和規(guī)格由船端負(fù)載決定，不同的功率對應(yīng)不同根數(shù)和不同規(guī)格的電纜。根據(jù)容量和相關(guān)規(guī)范的要求，配置1根規(guī)格為“3×95mm2+1×50mm2+4×2.5mm2+ 6FO (62.5/125)μm”的動力與控制復(fù)合電纜，其中：“3×95mm2+1×50mm2”為動力電纜；“4×2.5mm2”為控制電纜；“6FO(62.5/125)μm”為通信光纖。

電纜作為傳輸電力的導(dǎo)體，為滿足卷繞的應(yīng)用工況，將其設(shè)計成高柔性并具備高抗拉性能。同時，電纜外護(hù)套材料具有抵抗海洋惡劣環(huán)境的能力。電纜長度的計算式為

式(1)中：L為電纜長度；A為電纜管理系統(tǒng)至船舷的距離，約為0m；B為船舷至碼頭前沿的距離，約為3.5m；C為船舷離碼頭面的最大高度，約為13m；D為電纜在碼頭上連接至岸電插座箱的長度，約為15m；E為備用長度，約為4m；F為安全固定圈（2圈）長度，約為7m。計算得到電纜長度約為50m（見圖3）。

圖3 電纜長度示意

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

目標(biāo)船的岸電系統(tǒng)加裝改造費用總計約437萬元，其中設(shè)備購置費約325萬元。根據(jù)有關(guān)規(guī)定[9]，若項目在2018年3月31日之前改造完成并成功使用，則項目所含設(shè)備投資最高可獲得對應(yīng)的財政補貼約為130萬元。每年的岸電系統(tǒng)維護(hù)費用約為5萬元。改造成本估算見表2。

表2 改造成本估算

在正常市場環(huán)境下，單艘船每年可航行約24個航次，在裝貨港?？康臅r間為24h，在卸貨港?？康臅r間為48h。單艘船在卸貨港靠港期間使用岸電的時間為46h，在裝貨港靠港期間使用岸電的時間為22h，單航次使用岸電時間共計68h。按照船舶靠泊時使用單臺輔機的平均功率為275kW、燃油消耗率為204.5g/(kW·h)計算，每年燃油消耗量約為92t。若以目前國內(nèi)船用柴油價格約為5000元/t計算，則安裝岸電系統(tǒng)之后每年可節(jié)約燃油費用46萬元。若向船舶收取電費的標(biāo)準(zhǔn)按照2016年底大客戶直供電價0.77元/(kW·h)計算，則每年購電費用約為34.6萬元。成本回收年限的計算式為

式(2)中：H為成本回收年限；A為投資金額，437萬元；C為財政補貼，130萬元；D為節(jié)約燃油費用，46萬元/a；E為設(shè)備維護(hù)費用，5萬元/a；F為采購電量費用，34.6萬元/a。DEF- - 為年節(jié)約營運成本，計算得到為6.4萬元/a；H=47.9a。根據(jù)計算結(jié)果，若以目前的油價計算，該項目成本回收年限較長，經(jīng)濟(jì)效益較差；但是，當(dāng)國際油價上升時，即使電價上升也能有所收益。當(dāng)柴油價格漲至7000元/t時，僅需12.4a即可回收成本?；厥漳晗夼c油價單價之間的關(guān)系見圖4。

圖4 回收年限與油價單價之間的關(guān)系

3.2 社會效益分析

當(dāng)船舶靠港裝卸貨物時，船舶輔機排放的廢氣會對港區(qū)和城區(qū)產(chǎn)生污染。根據(jù)國際海事組織公布的數(shù)據(jù)，全球以柴油為動力的船舶每年約向大氣排放1000萬t NOx和850萬t SOx，這2種氣體是破壞臭氧層的主要污染物[10]。

船舶使用岸電可減少大氣污染物的排放。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，在美國洛杉磯港采用岸電為集裝箱船供電，1艘3MV·A的集裝箱船?？?d，NOx、SOx和PM10的排放量分別可減少約1.03t、0.59t和0.043t[11]。采用岸電供電之后，根據(jù)該項計算，650kV·A的目標(biāo)船在港1d，NOx、SOx和PM10的排放量分別減少0.223t、0.127t和0.0093t。使用岸電將對港區(qū)環(huán)境，乃至附近城市環(huán)境的改善起到重要作用，產(chǎn)生良好的社會效益。

4 結(jié) 語

就經(jīng)濟(jì)性而言，在目標(biāo)船上改裝岸電系統(tǒng)并無實際意義，但推廣船舶使用岸電具有明顯的社會效益。此外，靠泊期間使用岸電可減少柴油發(fā)電機組的運行時間，減噪降振，改善船上人員的工作和生活環(huán)境，并在一定程度上降低輔機的維護(hù)成本和船員的工作強度。綜合分析，對目標(biāo)船進(jìn)行岸電系統(tǒng)加裝改造有一定的社會效益。