船舶港口岸電技術(shù)及其應(yīng)用

林 翔

（南京金陵船廠有限公司 南京210015）

引 言

許多大型船舶（如油船、集裝箱船）靠港時(shí)通常采用船舶輔機(jī)發(fā)電，所用燃料一般為重油、柴油，以滿足船舶日常用電需求。然而，發(fā)電機(jī)中燃料柴油和重油在燃燒使用過程中會(huì)排放許多污染物。據(jù)國際海事組織（IMO）數(shù)據(jù)報(bào)告表明，污染物的主要成分是二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。在全球范圍內(nèi)，以柴油為動(dòng)力的船舶每年向大氣排放約1 000萬噸氮氧化物以及860萬噸硫氧化物，這些污染物在氣候風(fēng)力作用下可傳播至1 000 km外的區(qū)域，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染；此外，輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大噪聲和振動(dòng)，給船員和鄰近社區(qū)居民的工作和生活帶來極大困擾。

因此，為了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和資源的合理利用，引入并推廣船舶岸電技術(shù)十分迫切。當(dāng)前國內(nèi)船用岸電技術(shù)發(fā)展并不多，中壓供電源主要集中在大型港口和貨物集散地，跑國際航線的船舶安裝船用岸電系統(tǒng)的比較多。因此，研究船用岸電技術(shù)及其電站管理等相關(guān)問題，是一項(xiàng)促進(jìn)船用岸電技術(shù)及其電站管理進(jìn)一步發(fā)展和推廣有重要意義的工作，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益等多方面都具有重大意義。

1 船上電站管理系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2001年至今，美國、英國、比利時(shí)、德國、荷蘭和挪威等國已有約26個(gè)港口使用岸電電源系統(tǒng)，200余艘船舶都配備相應(yīng)的岸電連接系統(tǒng)。美、英兩國最先要求在碼頭使用岸電對(duì)靠港船舶進(jìn)行供電，且通過法律進(jìn)行了強(qiáng)制性規(guī)定，對(duì)新老碼頭岸電設(shè)備進(jìn)行了替換和更新。

中國是世界上最大的海運(yùn)國，但國內(nèi)港口船舶岸電技術(shù)尚處于研究起步階段，如今正越來越受到國家和交通部的高度重視。據(jù)中國港口年鑒公布的報(bào)告：“截止到2018年底，我國所有港口（包括內(nèi)外河港口）293個(gè)，生產(chǎn)泊位26 330個(gè)，其中萬噸級(jí)及以上泊位2 444個(gè)，擁有水運(yùn)船舶達(dá)13.70萬艘?！贝送猓罅康耐鈬俺３＿M(jìn)出入我國港口。如今隨著我國港口設(shè)施的不斷發(fā)展和擴(kuò)大，可以預(yù)計(jì)船舶在港口作業(yè)的數(shù)量將會(huì)繼續(xù)增加。不過，國內(nèi)許多港口對(duì)于岸電技術(shù)的使用還沒有推廣，仍需要政策法規(guī)的制訂、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立、技術(shù)難度的突破等發(fā)展。

2 船用岸電系統(tǒng)的概念、分類和比較

2.1 船用岸電

船舶岸電系統(tǒng)（alternative marine power system，AMP System）也稱為“冷鐵”系統(tǒng)，是指允許裝有特殊設(shè)備的船舶在停泊碼頭時(shí)接入碼頭的岸電電源，船舶可以從岸電系統(tǒng)獲得其泵組、通風(fēng)、照明、通訊和其他設(shè)施所需電力，而關(guān)閉自身的柴油或燃油發(fā)電機(jī)組，從而阻止船舶發(fā)電機(jī)組將柴油和燃油燃燒污染物及溫室氣體持續(xù)排放到港口空氣中，達(dá)到改善港口空氣質(zhì)量的目的。

AMP系統(tǒng)主要由岸上供電系統(tǒng)、電纜連接設(shè)備和船舶受電系統(tǒng)三部分組成。岸上供電系統(tǒng)由高壓接電箱和傳輸6.6 kV、50～60 Hz的高壓電纜構(gòu)成，作用是將陸上電壓輸出的6.6 kV電壓引入港口碼頭邊的高壓接電箱內(nèi)。電纜連接設(shè)備由高壓電纜、通信電纜以及高壓電纜卷車構(gòu)成，高壓電纜卷筒定于船舶兩側(cè)的舷邊，以便將高壓電纜從船上鏈接到岸電高壓接電箱。船舶受電系統(tǒng)包括船上變壓器和船舶岸電箱，它們將岸上6.6 kV轉(zhuǎn)換為440 V電壓，用作船上靠港供電電源［5］。

2.2 船用岸電分類和比較

岸電電源的輸入一般是當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)電力，其輸出需要滿足不同船舶的不同要求。我國的船舶電制一般采用的是440 V/50 Hz或者380 V/50 Hz，而國際上的船舶用電頻率以60 Hz居多，電壓為440 V或者6.6 kV等。一般來說，岸上的主變電站用來變壓和變頻，然后把電力通過碼頭上的電纜輸送到碼頭的岸電箱，再用岸電連接系統(tǒng)把電力送往?？康拇埃?］。按港口岸電電壓不同一般可分為高壓岸電系統(tǒng)和低壓岸電系統(tǒng)。

低壓岸電系統(tǒng)由岸上變壓器將陸上6.6 kV/10 kV高壓先降壓為低壓440 V、50 Hz，再經(jīng)船上設(shè)備接入船上的應(yīng)急配電板或岸電控制屏，先使岸電與船上發(fā)電機(jī)功率、電壓、相位三者一致，將母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，讓岸電和發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行；在20 s內(nèi)，無任何報(bào)警和故障情況下，斷開發(fā)電機(jī)端與電網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)岸電電源給船舶供電。

高壓岸電系統(tǒng)，是由岸上變壓器將陸上6.6 kV/10 kV高壓直接通過船上連接設(shè)備接入船上的岸電控制屏，岸電控制屏根據(jù)船上設(shè)備所需要電壓分別接入側(cè)推等高壓設(shè)備或降壓后接入主配電板；在保證岸電與船上發(fā)電機(jī)功率、電壓和相位三個(gè)相同一致時(shí)，將母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，讓岸電和發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行；在20 s的時(shí)間內(nèi)，無任何報(bào)警和故障情況下，斷開發(fā)電機(jī)端與電網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)岸電電源對(duì)船舶供電。

目前隨著高壓船舶不斷普及，高壓岸電系統(tǒng)遠(yuǎn)比低壓岸電系統(tǒng)更有現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢、更具市場競爭力。高壓岸電系統(tǒng)優(yōu)勢在于基本采用中壓等級(jí)電壓，電流較低，接插頭的操作過程比低壓電制AMP系統(tǒng)用時(shí)短，操作更加安全可靠，船電與岸電所要連接的電纜數(shù)量少，操作簡單，因此縮短了船舶靠岸所需時(shí)間，從而提高了港口碼頭的利用率。［2］

3 2 500標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和要點(diǎn)

3.1 2 500標(biāo)準(zhǔn)箱岸電系統(tǒng)

本船采用的是6.6 kV高壓岸電系統(tǒng)型式，系統(tǒng)安裝總?cè)萘繛?00 kW。船尾左右舷各布置1套電纜卷軸絞車，將兩路高壓岸電接入岸電設(shè)備間的1套6.6 kV岸電接入屏，并配備一臺(tái)6.6 kV/0.4 kV的1 000 kVA的干式變壓器，從而將高壓6.6 kV降低至0.4 kV，并接入配電板上的低壓岸電控制屏，給全船提供岸電電源，且可實(shí)現(xiàn)與發(fā)電機(jī)不斷電并車。系統(tǒng)原理概圖見圖1。

圖1 岸電系統(tǒng)單線圖

3.2 本船岸電系統(tǒng)容量確定方法以及與使用傳統(tǒng)燃料船舶電站的優(yōu)勢對(duì)比

表1為本船電站配置表。

表1 2 500箱電站配置表

船舶靠港時(shí)要經(jīng)過進(jìn)出港、停泊、裝卸貨三種不同工況，這三種不同工況下的所需負(fù)荷也不盡相同，需結(jié)合電力負(fù)荷計(jì)算書。查得不裝冷箱時(shí)，相應(yīng)工況的負(fù)載總負(fù)荷，見表2。

表2 電站使用情況估算

由表2可知：該船在使用傳統(tǒng)燃料船舶電站時(shí)，裝卸貨工況下所需功率約為450 kW，船舶接入岸電后，主發(fā)電機(jī)和備用發(fā)電機(jī)都可以停機(jī)，部分為主發(fā)電機(jī)服務(wù)的泵以及供油單元等用電設(shè)備也可以停止運(yùn)行，因而所需功率低于1臺(tái)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的功率840 kW。但是，考慮到今后船舶停泊期間用電負(fù)荷的增加和裝卸貨時(shí)部分冷藏集裝箱需要供電，最終確定岸電容量按照600 kW設(shè)計(jì)。

式中：P為設(shè)備輸出功率，kW；U為設(shè)備的額定電壓6.6 kV；I為設(shè)備的額定電流， A；cosθ為設(shè)備的功率因數(shù)為0.8。

由式（1）可得出：岸電系統(tǒng)接入端電流I=P/由 此可見，電流很小。本船使用電壓等級(jí)為6.6 kV，若使用400 V，則根據(jù)功率相同，由式（2）和式（3）可得出此時(shí)的額定電流：

可以得出：使用400 V的電壓等級(jí)，所需岸電系統(tǒng)的額定電流達(dá)到1 089 A，這與采用高壓6.6 kV電壓岸電供電電流只需66 A相比，大了16倍，則相應(yīng)岸電接入屏等設(shè)備需要配備更加昂貴的斷路器等保護(hù)檢測裝置，岸電接入的電纜數(shù)量也會(huì)增多，造成電纜卷軸絞車變大，因而也證實(shí)了高壓岸電比低壓岸電的優(yōu)勢所在，體現(xiàn)出使用高壓岸電的便捷和經(jīng)濟(jì)。

圖2為本船配電板上預(yù)留岸電屏的系統(tǒng)圖和外形圖，通過岸電電源降壓為380 V可提供岸電給配電板使用，并將岸電預(yù)留屏內(nèi)元器件安裝到位，電纜敷設(shè)到位，方便后期船東完成岸電系統(tǒng)施工完善。

圖2 配電板上岸電預(yù)留屏系統(tǒng)圖和外形圖

靠港裝卸貨供電方式參數(shù)比較見圖3。

圖3 靠港裝卸貨供電方式參數(shù)比較

可見，在兩種供電方式的三種參數(shù)比較下，很明顯地看出AMP岸電系統(tǒng)供電方式具有電壓高、電流低的優(yōu)勢，可以降低短路保護(hù)設(shè)備的成本以及電纜選用數(shù)量的成本；此外，AMP岸電系統(tǒng)供電消耗功率很低，污染很少，只有電磁輻射污染，屬于綠色能源供電方式，故選用此供電方式是明智之舉。

供電方式污染和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較參見下頁圖4。

由此可見，船舶在港口靠泊期間關(guān)停自身的燃油發(fā)電機(jī)而改用岸電，每年可減少CO2排放約917 t ，減少二氧化硫排放12.6 t，減少氮化物排放19.5 t，噪聲大大降低，并且每天可節(jié)省燃油燃料費(fèi)約26 600美元，使船東大幅節(jié)省開支，也強(qiáng)有力地遏制了環(huán)境污染。

圖4 供電方式污染和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3.3 船舶岸電系統(tǒng)小設(shè)計(jì)中需要考慮的要點(diǎn)

3.3.1 相關(guān)規(guī)范的要求

本船入級(jí)CCS船級(jí)社，對(duì)照需要滿足《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》第8篇 第19章 第3節(jié)以及《鋼制海船建造規(guī)范》第4篇 第2章 第14節(jié)中相關(guān)交流高壓岸電的內(nèi)容。本船在簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)，預(yù)留配電板上的岸電配電屏?xí)r需確保至少配備如下元器件的規(guī)范要求：

（1）2只電壓表*：1個(gè)測量岸電各相電壓，1個(gè)測量匯流排電壓；

（2）1只電流表：分別測量岸電各相電流；

（3）2只頻率表*：1個(gè)測量岸電頻率，1個(gè)測量匯流排頻率；

（4）相序指示器；

（5）同步設(shè)備；

（6）應(yīng)急切斷按鈕等。

*：若將岸電電源連接于匯流排時(shí)，操作人員易于觀察到匯流排的電壓和頻率，則岸電接入控制屏可僅設(shè)置一只電壓表和一只頻率表。［1］

3.3.2 電纜敷設(shè)的要求

中壓岸電電纜需要與其他電纜保證在100 mm間距以上，因此盡量單獨(dú)敷設(shè)電纜路徑，減少從機(jī)艙等電纜集中處穿越。中壓岸電電纜線芯需要配有通信線芯連接至岸電接入屏，以確保岸基與船端的有效通信，也可以監(jiān)測電纜承受的機(jī)械應(yīng)力在超過允許值時(shí)切斷岸電回路。

4 電站管理實(shí)現(xiàn)岸電和發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)和不斷電切換的操作步驟

為使船舶在后期停泊在具備岸電供電港口時(shí)關(guān)閉發(fā)電機(jī)，使用岸電供電，本船岸電通過手動(dòng)同步和半自動(dòng)同步［3］向電網(wǎng)供電的操作步驟如下。

4.1 手動(dòng)同步模式下

船舶靠港后切換到岸電供電：

（1）首先確認(rèn)岸電的電壓、頻率和相序是否已滿足同步條件。

（2）將配電板控制模式選擇手動(dòng)控制。

（3）將同步選擇開關(guān)選擇SHORE檔。

（4）手動(dòng)調(diào)節(jié)同步屏上在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的調(diào)速選擇開關(guān)。

（5）待調(diào)節(jié)一致同步表旋轉(zhuǎn)至接近12點(diǎn)鐘方向時(shí)，按下岸電開關(guān)的合閘按鈕。

（6）當(dāng)岸電開關(guān)手動(dòng)同步合上閘后，在網(wǎng)的主發(fā)電機(jī)開關(guān)會(huì)在1 s后自動(dòng)分閘。電網(wǎng)轉(zhuǎn)為由岸電供電。

船舶需離港切換到發(fā)電機(jī)供電：

（1）首先起動(dòng)待并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)。

（2）將配電板控制模式選擇手動(dòng)控制。

（3）將同步選擇開關(guān)選擇需要并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)檔。

（4）手動(dòng)調(diào)節(jié)同步屏上在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的調(diào)速選擇開關(guān)。

（5）待調(diào)節(jié)一致同步表旋轉(zhuǎn)至接近12點(diǎn)鐘方向時(shí)，按下需要并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)ACB開關(guān)合閘按鈕。

（6）當(dāng)發(fā)電機(jī)開關(guān)手動(dòng)同步合上閘后，在網(wǎng)的岸電開關(guān)會(huì)在1 s后自動(dòng)分閘。電網(wǎng)轉(zhuǎn)為由發(fā)電機(jī)供電。

4.2 半自動(dòng)同步模式下

船舶靠港后切換到岸電供電：

（1）首先確認(rèn)岸電的電壓、頻率和相序是否已滿足同步條件；

（2）將配電板控制模式選擇半自動(dòng)控制；

（3）手動(dòng)按下同步屏上岸電部分的半自動(dòng)連接岸電按鈕；

（4）待岸電開關(guān)半自動(dòng)同步合上閘后，在網(wǎng)的主發(fā)電機(jī)開關(guān)會(huì)在1 s后自動(dòng)分閘。電網(wǎng)轉(zhuǎn)為由岸電供電。

船舶需離港切換到發(fā)電機(jī)供電：

（1）首先起動(dòng)待并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)。

（2）將配電板控制模式選擇半自動(dòng)控制。

（3）手動(dòng)按下同步屏上需要并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)的半自動(dòng)同步按鈕。

（4）待對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)開關(guān)半自動(dòng)同步合上閘后，在網(wǎng)的岸電開關(guān)會(huì)在1 s后自動(dòng)分閘。電網(wǎng)轉(zhuǎn)為由發(fā)電機(jī)供電。

4.3 半自動(dòng)同步模式時(shí)，不間斷供電原理

本項(xiàng)目主要依靠配電板中的DEIF模塊（FAS-113DG），見圖5標(biāo)注①。比較電網(wǎng)上母排電源的電壓、頻率、相位待并網(wǎng)電源三個(gè)參數(shù)是否一致，一致則輸出合閘信號(hào)，將待并網(wǎng)電源并入母排。在手動(dòng)同步模式，主要依靠圖5中標(biāo)注②的三塊儀表，通過值班人員手動(dòng)調(diào)整、判斷電源三個(gè)參數(shù)的一致進(jìn)行合閘并網(wǎng)操作， 確保船舶電網(wǎng)不間斷供電、切換。

圖5 半自動(dòng)同步模式原理圖

5 結(jié) 語

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)越來越強(qiáng)，要求安裝AMP系統(tǒng)的船舶越來越多，船廠需要為船東設(shè)計(jì)或者預(yù)留岸電系統(tǒng)的船舶也會(huì)不斷遞增，能提供AMP岸基電源的碼頭港口也日益增加?？梢灶A(yù)見，隨著AMP系統(tǒng)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大和深入，可替換船用電力系統(tǒng)——AMP系統(tǒng)必將成為船舶停靠時(shí)低碳、零排放、有利于環(huán)境保護(hù)的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。