國內(nèi)外碼頭岸電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展綜述

劉 純，唐葦葦，姚建新

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

1 國內(nèi)外岸電系統(tǒng)的發(fā)展歷程

1.1 歐美岸電的發(fā)展歷程

從2000年開始，瑞典哥德堡港首次將高壓岸電技術(shù)應(yīng)用在渡船碼頭，靠港船舶使用岸電技術(shù)受到業(yè)界的關(guān)注。隨后，歐洲的主要國家德國、比利時、挪威、荷蘭及芬蘭等都在各自的渡船碼頭進(jìn)行了應(yīng)用。由于渡船碼頭非?？拷袇^(qū)，采用岸電系統(tǒng)之后，大大降低了城市污染。從2010年開始，歐洲更多的國家開始將港口岸電系統(tǒng)列入港口現(xiàn)代化的實施計劃之內(nèi)，并對靠港船舶提出越來越嚴(yán)格的要求。2018年，3個歐盟國家塞浦路斯、希臘及斯洛文尼亞組合聯(lián)合體在希臘基利尼港(Port of Killini)嘗試采用油電混合的客滾裝船，并新建渡船碼頭岸電系統(tǒng)，此試驗項目獲得2018年GREEN4SEA 創(chuàng)新大獎。

2001年，美國朱諾港(Juneau Port)首次將岸電系統(tǒng)應(yīng)用在豪華郵輪碼頭。至2017年，美國已有10個港口給郵輪、集裝箱船等提供高壓岸電系統(tǒng)，6個港口給拖輪、漁船等提供低壓岸電系統(tǒng)。

歐美國家在碼頭岸電系統(tǒng)上的不斷投入，一方面為所在的港口贏得了可持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保的口碑，另一方面也使航運公司的船舶在靠泊期間降低大氣污染，減少溫室氣體、氮氧化物和硫氧化物排放，從而符合國際海事組織(IMO)越來越嚴(yán)格的國際防止船舶造成污染公約(MARPOL公約)附則VI的要求。

1.2 中國岸電的發(fā)展及現(xiàn)狀

與歐洲渡船碼頭分布在大城市的情況類似，在中國吞吐量排名靠前的主要港口都分布在長三角、珠三角、環(huán)渤海(京津冀)等的一二線城市。在很長一段時間里，港口對所在地區(qū)的污染一直被人忽視。直到2009年，盡管只是采用低壓岸電系統(tǒng)服務(wù)5 000 噸級內(nèi)貿(mào)支線船舶，青島港還是率先完成了碼頭岸電系統(tǒng)改造；2010年，上海港外高橋二期集裝箱碼頭配置了全球首臺移動式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)；半年后，連云港港首次在郵輪上使用高壓岸電系統(tǒng)。隨著岸電系統(tǒng)寫入“十二五”規(guī)劃，交通運輸部從2012年開始加快了相關(guān)工作的部署?！吨腥A人民共和國大氣污染防治法(2018年修訂稿)》中第六十三條明確“新建碼頭應(yīng)當(dāng)規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)岸基供電設(shè)施；已建成的碼頭應(yīng)當(dāng)逐步實施岸基供電設(shè)施改造。船舶靠港后應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用岸電?！钡牵敝聊壳?，國內(nèi)岸電技術(shù)的研究和應(yīng)用還處在初步階段。

2 國內(nèi)外岸電系統(tǒng)法律法規(guī)及技術(shù)規(guī)范

2.1 歐美岸電系統(tǒng)法律法規(guī)

歐盟在2005年就通過了指令Directive200533EU，從2010年1月1日起，所有停泊歐盟港口的船舶使用的燃料硫含量不得超過0.1%。同時，在Directive201494EU替代燃料基礎(chǔ)設(shè)施指令中強制要求，從2025年起，靠泊歐盟港口的船舶必須使用岸電[1]。

美國加州法律At-berthregulation(《靠港船舶規(guī)則》)要求，2014—2020年加州港口采用岸電的比例由50%提升至80%以上，并在2019年通過更加嚴(yán)格的修正案[2]，分階段控制氮氧化物、硫氧化物以及溫室氣體的排放。

2.2 歐美岸電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

2011年起，歐洲的國際電工委員會(IEC)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)獨立或協(xié)同美國的電氣和電子工程協(xié)會(IEEE)聯(lián)合發(fā)布了IECISOIEEE 80005系列及IEC62613系列等標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了相對完整的技術(shù)規(guī)范體系，覆蓋工程設(shè)計、施工到配套產(chǎn)品等，并在過去5年里不斷更新，緊扣相關(guān)法律法規(guī)的要求。

2.3 國內(nèi)岸電系統(tǒng)法律法規(guī)及技術(shù)規(guī)范

2015年，交通運輸部發(fā)布了《港口污染防治專項行動實施方案(2015—2020年)》(簡稱《實施方案》)，要求大力推動靠港船舶使用岸電，推動建立船舶使用岸電的供售電機制和激勵機制，降低岸電使用成本，引導(dǎo)靠港船舶使用岸電，并開展碼頭岸電示范項目建設(shè)，加快港口岸電設(shè)備設(shè)施建設(shè)和船舶受電設(shè)施設(shè)備改造。

在《實施方案》發(fā)布前，交通運輸部2012年就發(fā)布了JTS 155—2012《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》和JTT 814—2012《港口船舶岸基供電系統(tǒng)技術(shù)條件》。前者明確規(guī)定碼頭船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)與碼頭工程各階段的設(shè)計深度相一致，但在2019年修訂版中刪除了此條強制性規(guī)定[3-4]；后者于2019年1月廢止，替代為GBT 36028.1—2018《靠港船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)條件》。此后，國家相關(guān)部門又在2018—2019年度集中發(fā)布了一系列行業(yè)及國家規(guī)范。

3 岸電系統(tǒng)的組成和設(shè)計

3.1 岸電系統(tǒng)的組成

碼頭岸電設(shè)施主要由3個部分組成，即岸基船舶供電系統(tǒng)、船岸接口以及船舶受電系統(tǒng)(圖1)。

1)岸基船舶供電系統(tǒng)。提供船舶所需岸電系統(tǒng)最近的電源點，在此完成變壓、變頻、不停電切換及集中配置相關(guān)安全保護(hù)措施。

2)船岸接口。用于連接岸基船舶供電系統(tǒng)和船舶受電系統(tǒng)，是電源和負(fù)荷的中間部分，包含電纜、連接設(shè)備等。

3)船舶受電系統(tǒng)。在船上原有配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造或者新設(shè)的岸電接入系統(tǒng)。船舶上發(fā)電機等級分為高壓和低壓2種。

圖1 碼頭岸電設(shè)施構(gòu)成

3.2 典型岸電系統(tǒng)設(shè)計

典型的岸電系統(tǒng)主要分高壓岸電系統(tǒng)(參照IEC 80005-1)和低壓岸電系統(tǒng)(參照IEC 80005-3)2種。碼頭船舶岸電系統(tǒng)輸出的電壓和頻率主要參照表1[5]。

表1 碼頭船舶岸電系統(tǒng)輸出電壓和頻率

其中，全球最常用的高壓岸電系統(tǒng)為6.6(6)kV，低壓岸電系統(tǒng)為450(400)V。

除了電壓之外，全球各個港口為船舶提供的頻率不盡相同，如北美地區(qū)港口提供岸電的頻率為60 Hz，歐洲大部分國家則為50 Hz。另一方面，不同類型、不同噸級船舶上的電壓、頻率也不相同。因此，與到港船舶配電網(wǎng)絡(luò)的匹配是碼頭岸電系統(tǒng)需要重點解決的問題之一。

對常見的碼頭岸電系統(tǒng)電壓進(jìn)行選擇時，建議如下：

1)集裝箱碼頭：單個泊位容量630 kVA及以上常采用高壓岸電系統(tǒng)方案；單個泊位容量630 kVA以下常采用低壓岸電系統(tǒng)方案。例如，上海洋山深水港及外高橋集裝箱碼頭。

2)郵輪碼頭：常采用高壓岸電系統(tǒng)方案。例如，上海吳淞口郵輪碼頭。

3)滾裝船碼頭：常采用高壓岸電系統(tǒng)方案。例如，瑞典哥德堡港滾裝船碼頭。

3.3 岸電系統(tǒng)設(shè)計流程

一般情況下，碼頭岸電系統(tǒng)的設(shè)計可以按照下列順序進(jìn)行(圖2)[6]。

圖2 碼頭岸電系統(tǒng)設(shè)計流程

根據(jù)以上流程，在以色列海法新港項目的岸電系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)合上港集團提供的近3年岸電系統(tǒng)運營數(shù)據(jù)和以色列港務(wù)局提供的各類資料，經(jīng)反復(fù)溝通，最終確定在集裝箱碼頭實施2套容量分別為5 MVA和8 MVA的碼頭岸電系統(tǒng)，此系統(tǒng)建成后將成為東地中海地區(qū)第一個集裝箱碼頭岸電系統(tǒng)。

4 碼頭岸電系統(tǒng)的發(fā)展

4.1 專利數(shù)量大起大落

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計[7],1997年之前僅有為數(shù)不多的國外公司來華申請了岸電技術(shù)專利，1997—2012年國外公司在中國申請的岸電技術(shù)專利一直穩(wěn)步增長，但是從2014年開始專利數(shù)量持續(xù)下降，2016年和2017年連續(xù)2年專利數(shù)量保持在個位數(shù)以內(nèi)(圖3)。與此相對應(yīng)的是，中國公司在海外申請的岸電技術(shù)數(shù)量從2000年開始至2014年持續(xù)增長，2015年和2016年連續(xù)2年下跌之后，2017年專利數(shù)量降為1個(圖4)?？赡艿脑蚴前峨娤到y(tǒng)的技術(shù)突破遇到了瓶頸，例如柔性電纜、大容量岸電電源的研究、變頻變壓技術(shù)的應(yīng)用等。

圖3 2009—2017年國外公司在中國申請的岸電技術(shù)專利數(shù)量

圖4 2009—2017年中國公司在海外申請的岸電技術(shù)專利數(shù)量

4.2 不同種類的碼頭面對多種類型的船舶

即使在國內(nèi)碼頭，靠泊的船舶配電系統(tǒng)頻率不同，電壓等級也不盡相同。一方面，船舶受電系統(tǒng)改造成本高、受電系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性存在隱患，即使成功接上岸電，和碼頭之間還存在岸電電價標(biāo)準(zhǔn)的爭議等；另一方面，碼頭運營方為了適應(yīng)多種船型，且預(yù)留未來發(fā)展余量，常常追求更大容量的碼頭岸電系統(tǒng)。大容量岸電系統(tǒng)設(shè)備體積龐大，無論是新建碼頭還是改裝碼頭，在安放時既要滿足船舶供電需求，又不能影響碼頭運營，岸電系統(tǒng)模塊化設(shè)計顯得格外重要。

4.3 國內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用和實際效果存在差異

2000年以來，歐美國家一直保持嚴(yán)格的法律法規(guī)和不斷更新的技術(shù)規(guī)范，以加拿大政府為代表的一些國家甚至一直采取政府補貼的方式發(fā)展岸電系統(tǒng)。即便如此力度，美國加州港口從船舶開始使用岸電到成功全面推廣，也歷時近20 a。

我國碼頭岸電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用剛剛跨過第1個十年，由于發(fā)展初期規(guī)范有強制性要求，中央和各地政府都采取各類補貼政策，岸電系統(tǒng)的數(shù)量在最初幾年增長速度較快。統(tǒng)計數(shù)據(jù)[8]表明：在正常使用的情況下，船舶使用岸電的成本與船舶自發(fā)電的成本基本相當(dāng)，采用岸電系統(tǒng)的港口節(jié)能減排效果明顯。但是最早一批岸電系統(tǒng)設(shè)計時并未科學(xué)地與碼頭近、遠(yuǎn)期規(guī)劃及船舶需求相結(jié)合，導(dǎo)致已建成的很多碼頭岸電系統(tǒng)使用率非常低，碼頭運營方在岸電系統(tǒng)上使用和再投資的意愿很快下降。截至2018年底，我國共建成2 400余套碼頭岸電供電系統(tǒng)[9]，但是目前這些系統(tǒng)大多長期閑置，沒有實際投入使用。以某沿海大型港口為例，2015—2018年，該港口共投資6 354萬元，陸續(xù)建設(shè)完成了6套大容量岸電供電設(shè)備系統(tǒng)，但截至2018年底，僅有8次靠港船舶使用岸電。

5 結(jié)論

1)在目前國內(nèi)外岸電技術(shù)專利總量不斷下降的大背景下，國內(nèi)企業(yè)須加大研發(fā)投入，突破技術(shù)瓶頸，掌握更多自主知識產(chǎn)權(quán)及核心技術(shù)。

2)須進(jìn)一步研究碼頭岸電系統(tǒng)與到港船舶配電網(wǎng)絡(luò)的匹配問題，提高供電電源的品質(zhì)，同時滿足船舶對供電質(zhì)量的要求，在提高碼頭岸電系統(tǒng)使用率的同時，提高船舶使用岸電系統(tǒng)的主動性和積極性。加強船岸互動、不斷創(chuàng)新是未來發(fā)展的需要。

3)2019年底，交通運輸部頒布《港口和船舶岸電管理辦法》，明確了碼頭工程項目單位應(yīng)當(dāng)按照法律法規(guī)和強制性標(biāo)準(zhǔn)等要求，同步設(shè)計、建設(shè)岸電設(shè)施，港口經(jīng)營人對已建碼頭逐步實施改造。企業(yè)要通過科學(xué)研究，推動岸電技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，從而降低大氣污染、減少溫室氣體、氮氧化物和硫氧化物排放，建設(shè)綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的港口。