港口電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究

◎姚晨

對(duì)港口電氣節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析與研究，明確港口各個(gè)機(jī)械設(shè)備的能耗情況，了解電氣節(jié)能技術(shù)的主要內(nèi)容，選擇港口設(shè)備的時(shí)候挑選功率低和能耗低的設(shè)備，選擇裝卸機(jī)械設(shè)備的時(shí)候?qū)ω?fù)荷進(jìn)行計(jì)算，盡量使用具有節(jié)能性能的變壓器，對(duì)電纜的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用濾波裝置控制諧波，利用無(wú)功補(bǔ)償裝置消除無(wú)功功率，根據(jù)港口的實(shí)際照明需求使用照明設(shè)備。

港口中機(jī)械設(shè)備的種類眾多，大量的機(jī)械設(shè)備和復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的能耗，對(duì)港口的電氣設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循節(jié)能降耗的理念，使用能耗低、效率高和運(yùn)行穩(wěn)定的設(shè)備，對(duì)港口機(jī)械設(shè)備的能耗問題進(jìn)行分析，對(duì)電氣節(jié)能技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用，利用電氣節(jié)能技術(shù)減少港口的總能耗，降低機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行成本，達(dá)到減少能耗的目的。

一、港口電能消耗設(shè)備與電氣節(jié)能技術(shù)

1.港口電能消耗設(shè)備的構(gòu)成。

第一，大型裝卸設(shè)備，港口中的貨物重量較大，對(duì)其進(jìn)行裝卸時(shí)，需要使用專門的裝卸機(jī)械，大型裝卸機(jī)械設(shè)備包含多種類型，不同類型的設(shè)備有不同的功能和裝機(jī)容量，比較常用的有集裝箱龍門起重機(jī)，還有堆料機(jī)等設(shè)備。如果裝卸機(jī)械容量較大、電纜較長(zhǎng)，通常會(huì)用10kV 或6kV 上機(jī)，在裝卸機(jī)械上安裝變壓器；若裝卸機(jī)械容量較小、電纜較短，可以使用380V 上機(jī)，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速控制。港口的貨物運(yùn)輸還會(huì)使用帶式輸送機(jī)、斗輪堆取料機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備都會(huì)消耗較大的電能。第二，輔助動(dòng)力設(shè)備，這些設(shè)備主要是指空調(diào)、水泵以及污水處理等設(shè)備。第三，照明設(shè)備，港口的各個(gè)區(qū)域都需要使用照明設(shè)備，對(duì)于室內(nèi)照明來(lái)說(shuō)，港口有綜合樓和調(diào)度樓等辦公樓，還有機(jī)修間等建筑。對(duì)于室外照明來(lái)說(shuō)，港口道路和碼頭等區(qū)域都需要照明。通常，辦公樓中的照明設(shè)備主要是白熾燈或熒光燈，車間或倉(cāng)庫(kù)等空間以及室外空間的照明設(shè)備主要是金鹵燈或高壓鈉燈。

2.電氣節(jié)能技術(shù)的主要內(nèi)容。

第一，對(duì)電網(wǎng)配置進(jìn)行優(yōu)化。輸電和配電需要依靠電力網(wǎng)絡(luò)，輸送電能的時(shí)候必然會(huì)出現(xiàn)電能損耗的情況，但是，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化配置，能夠減少一部分電能的損耗，一方面，可以減少諧波導(dǎo)致的能耗，對(duì)諧波進(jìn)行抑制和控制，通過濾波裝置消除諧波；另一方面，可以減少無(wú)功電流導(dǎo)致的電能損耗，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，采用合適的補(bǔ)償裝置。變壓器和電機(jī)等設(shè)備的負(fù)荷并不穩(wěn)定，電網(wǎng)中存在較多的無(wú)功功率，應(yīng)采用就地補(bǔ)償?shù)姆绞?，利用并?lián)電容器進(jìn)行控制，避免遠(yuǎn)距離輸電的時(shí)候損失較多的電能。

第二，調(diào)整電機(jī)使用模式，電機(jī)的功率會(huì)對(duì)電能的消耗帶來(lái)非常大的影響，我國(guó)對(duì)電機(jī)的研究和運(yùn)用仍有很大的進(jìn)步空間，如果能夠?qū)Ξ?dāng)前的電機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，就可以減少電機(jī)部分的能耗。電機(jī)的制造成本非常高，運(yùn)行的過程中會(huì)耗費(fèi)較多的電能，運(yùn)行成本也非常高，應(yīng)從制造和運(yùn)行的層面上進(jìn)行研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料和制作的成本，解決新材料和新能源使用中的問題。

二、電氣節(jié)能技術(shù)在港口中的應(yīng)用

1.使用節(jié)能設(shè)備。

港口運(yùn)用了各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，采用了先進(jìn)的、現(xiàn)代化的管理方式，為了滿足港口的不同需求，港口引入了不同功能的設(shè)備，這些設(shè)備的總能耗非常大，電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從設(shè)備的角度出發(fā)，從源頭上解決港口電能消耗較大的問題。

例如，某港口采用了滾裝碼頭岸電系統(tǒng)，能夠在港口碼頭實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電，與過去相比，并網(wǎng)后的總用電量大幅減少，而且還減少了二氧化碳的排放，減輕了大氣污染。又如，在某大型集裝箱碼頭的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中，港口包含集裝箱裝卸橋、堆場(chǎng)冷藏箱、ERTG 輔建區(qū)綜合辦公樓、食堂、侯工樓、機(jī)修車間等，碼頭初建時(shí)用電量較低，為了減少電能損耗，做了如下變動(dòng)：（1）將中心變電所MSS 設(shè)在重箱堆場(chǎng)中間。（2）將分變電所SS1 設(shè)在冷藏箱堆場(chǎng)周邊，減少電纜截面面積，縮短電纜長(zhǎng)度，達(dá)到節(jié)能目的。（3）將分變電所SS2 設(shè)在重箱堆場(chǎng)中間，為ERTG 供電，節(jié)省了30%的能耗和65%的運(yùn)行成本，降低了50%的噪聲。（4）將分變電所SS3 設(shè)在綜合辦公樓周邊區(qū)域，減少了輸電過程的損耗。

2.使用節(jié)能性較強(qiáng)的裝卸設(shè)備。

裝卸設(shè)備是港口裝卸貨物時(shí)必須要使用的設(shè)備，裝卸設(shè)備的選擇會(huì)對(duì)貨物裝卸速度和電能消耗量產(chǎn)生非常大的影響，選擇裝卸設(shè)備時(shí)應(yīng)注意該設(shè)備的負(fù)荷情況和能耗情況。我國(guó)港口機(jī)械設(shè)備的發(fā)展并不成熟，港口設(shè)備的設(shè)計(jì)人員往往會(huì)根據(jù)國(guó)外的資料和自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而，設(shè)計(jì)中的功率參數(shù)并不合理，在具體的使用和運(yùn)行中，設(shè)計(jì)的功率比設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中的電機(jī)功率大，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行期間產(chǎn)生較高的無(wú)功功率。為了縮小設(shè)計(jì)功率與實(shí)際功率之間的差距，需要對(duì)港口貨物進(jìn)行分析，詳細(xì)計(jì)算貨物的重量，根據(jù)貨物重量確定裝卸設(shè)備的電機(jī)功率，尤其要注意那些頻繁啟停的設(shè)備，以免不合適的電機(jī)功率影響電機(jī)的正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)人員不僅要根據(jù)計(jì)算負(fù)荷和電機(jī)功率，還可以在電機(jī)中安裝保護(hù)裝置。港口貨物的體量和重量都比較大，所以裝卸設(shè)備的體量也比較大，為了滿足貨物裝卸的需求，往往會(huì)增加電機(jī)功率，為了減少電能損耗，需要對(duì)諧波進(jìn)行控制，使用控制諧波的裝置，避免諧波引起較大的能耗問題。

3.明確電壓情況。

選擇變壓器之前應(yīng)當(dāng)明確配電電壓等級(jí)，港口中的很多機(jī)械設(shè)備都有非常高的功率，設(shè)備在啟動(dòng)和運(yùn)行的時(shí)候，電流和電壓損失都比較大，應(yīng)注意電纜的選擇，對(duì)電纜截面的面積進(jìn)行分析，如果截面面積過大，同一時(shí)間竟過的電流較多，就會(huì)產(chǎn)生較多的能耗，增加設(shè)備使用的成本，嚴(yán)重影響低壓電網(wǎng)的運(yùn)行。為了適應(yīng)電壓的情況，需要使用配電為10kV的電動(dòng)機(jī)，以此來(lái)較少啟動(dòng)電流和電能損耗。在港口變配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際的情況選擇變壓器，利用變壓器降低電能消耗。挑選變壓器之前，需要對(duì)變壓器的有功功率損耗量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：△=Po+βPd。在這一公式中，Po 表示的是空載有功損耗，β 表示的是負(fù)載率，Pd 表示的是短路損耗。其中，空載有功損耗又被稱為鐵損，受到硅鋼片性能的影響，與鐵芯構(gòu)造有很大的關(guān)聯(lián)性，鐵損包含漏磁與渦流的損耗，當(dāng)同型號(hào)的變壓器有著相同的電壓等級(jí)時(shí)，則容量和空載有功損耗呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。短路損耗又被稱為銅損，繞組的電阻和流經(jīng)電流會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，主要指的是傳輸功率的損耗。通常，當(dāng)變壓器和負(fù)荷率不變時(shí)，功率因素和運(yùn)行效率呈現(xiàn)出正弦管的關(guān)系，當(dāng)變壓器和功率因素不變時(shí)，負(fù)荷率處于0.42～0.6 之間時(shí)，運(yùn)行效率最高。

根據(jù)以上規(guī)律選擇變壓器，可以選擇一些新型的節(jié)能變壓器，此類變壓器具有能耗低、效率高和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減少空載損耗和短路損耗。選擇變壓器的時(shí)候還要比較不同變壓器的容量，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算變壓器負(fù)荷系數(shù)時(shí)，可以參考《變壓器允許過負(fù)荷系數(shù)的負(fù)荷率最大負(fù)荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線》，將負(fù)載率控制在70%～85%之間，若容量和負(fù)荷的變動(dòng)都比較大，可以購(gòu)買兩臺(tái)變壓器，確保這兩臺(tái)變壓器有相同的容量，如果實(shí)際使用時(shí)的負(fù)荷較小，就啟動(dòng)一臺(tái)，如果實(shí)際負(fù)荷較大，就可以同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)。例如，在裝機(jī)容量為4000kVA 的情況下，方案一是使用兩臺(tái)2000kVA容量的變壓器，方案二是使用四臺(tái)1000kVA 容量的變壓器，面臨這種情況，秉持節(jié)能理念，需要使用方案一。

4.減少輸送電纜的能耗。

港口設(shè)備使用的電能都是由中心變電所提供的，電纜可以將電能輸送給不同方位的設(shè)備，港口干線網(wǎng)的布設(shè)非常復(fù)雜，輸送的過程中往往會(huì)損失一部分電能，應(yīng)當(dāng)對(duì)電纜線路的布置方式進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)電纜的管控。電纜的選擇是建設(shè)干線網(wǎng)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，應(yīng)選擇電阻較小和電流較大的電纜，比較常用的電纜有銅芯電纜，此類電纜能夠滿足電阻和能耗的要求。對(duì)電纜進(jìn)行鋪設(shè)的時(shí)候，應(yīng)加強(qiáng)電纜的監(jiān)管，仔細(xì)檢查電纜的型號(hào)種類和電纜的材質(zhì)性能，避免型號(hào)材質(zhì)錯(cuò)誤或性能質(zhì)量較差的電纜進(jìn)入到港口電纜鋪設(shè)現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)電能傳輸過程中產(chǎn)生較大的電流時(shí)，原本的波形會(huì)受到較大影響，波形改變之后，變壓器很難準(zhǔn)確識(shí)別出電流，導(dǎo)致電能受到損失，而質(zhì)量性能較好的電纜能夠?qū)ψ兓闆r進(jìn)行控制，銅芯電纜的質(zhì)量性能非常好，有著較小的電阻，能夠有效避免波形產(chǎn)生較大的變化，讓電能的輸送更加安全和可靠。對(duì)于大中型港口來(lái)說(shuō)，港口的面積非常大，電纜的長(zhǎng)度有很大的差異，要想減少電纜輸電過程中的能耗，需要先確定變電所的數(shù)量，根據(jù)各個(gè)設(shè)備的所在方位和電能需求合理設(shè)計(jì)供電半徑，盡量讓變電所和負(fù)荷中心想接近，縮短供電的距離，減少輸電過程中的電能損耗。在電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)且設(shè)備容量較大的情況下，需要使用高等級(jí)的電壓，如起重機(jī)、卸船機(jī)等機(jī)械設(shè)備可以使用10kV 的供電電壓，注意電纜的截面情況以及電源的進(jìn)出線方向。

5.使用無(wú)源濾波器。

諧波具有很大的危害性，會(huì)降低輸電效率，使電氣設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱問題，加速設(shè)備的老化，還會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)故障問題，繼電保護(hù)設(shè)備以及自動(dòng)化設(shè)備也會(huì)在諧波的影響下做出錯(cuò)誤的動(dòng)作，無(wú)法保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，令電力系統(tǒng)部分區(qū)域出現(xiàn)諧振情況，甚至?xí)龤щ娙萜?。?jì)算機(jī)系統(tǒng)和其他電子設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，有可能使數(shù)據(jù)丟失，還會(huì)對(duì)無(wú)線電發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行干擾。要想解決這些問題，必須要對(duì)諧波進(jìn)行控制，可以使用濾波的方法，比較常用的方法為無(wú)功補(bǔ)償，另外兩種濾波的方法分別是有源濾波和無(wú)源濾波。無(wú)源濾波器由兩部分構(gòu)成，分別是電感器與電容器，具有操作簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以，經(jīng)常會(huì)對(duì)無(wú)源濾波器進(jìn)行應(yīng)用。如果電力系統(tǒng)中的諧波含量非常高，就要進(jìn)行多次濾波，將濾波控制在一定的范圍內(nèi)，避免電力系統(tǒng)受到影響。

例如，在洋山四期工程設(shè)計(jì)中，一共有5 個(gè)5 萬(wàn)噸級(jí)和2 個(gè)7 萬(wàn)噸級(jí)的集裝箱泊位，港口碼頭原本有兩個(gè)AGV 充電間，每個(gè)充電間都配備了多臺(tái)充電機(jī)，將諧波電流注入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，會(huì)浪費(fèi)較多的電能。在節(jié)能設(shè)計(jì)中，安裝了多個(gè)有源電力濾波器，能夠有效減少諧波的影響。同時(shí)，設(shè)置了10KV 動(dòng)態(tài)有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠直接解決電壓波動(dòng)和三相電壓不平衡等問題，避免出現(xiàn)閃變的情況，改善電能質(zhì)量。

6.運(yùn)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。

港口的配電系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一定的無(wú)功功率，這會(huì)損失一部分電壓和電能，如果無(wú)功功率逐漸加大，會(huì)對(duì)變電設(shè)備產(chǎn)生較大影響，進(jìn)一步降低變電能力。為了減少無(wú)功功率的影響，需要制定科學(xué)的無(wú)功補(bǔ)償方案。當(dāng)無(wú)功功功率補(bǔ)償容量變少之后，補(bǔ)償?shù)男Ч碗y以到達(dá)相應(yīng)的目的，在供電部門會(huì)對(duì)其進(jìn)行處罰。另外，當(dāng)無(wú)功功率補(bǔ)償量過大的時(shí)候，往往會(huì)以更高的成本采購(gòu)機(jī)械設(shè)備。由此可見，無(wú)功補(bǔ)償過高和過低都不利于能耗和成本的節(jié)約，應(yīng)進(jìn)行計(jì)算并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算的參數(shù)確定補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)，制定補(bǔ)償方案，確保無(wú)功補(bǔ)償方案能夠滿足功率因素的規(guī)定，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。利用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)保證電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，減少設(shè)備和電纜的電能損耗，在功率因素不斷能提高的情況下，減少諧波電流。

有三種類型的無(wú)功補(bǔ)償裝置，第一種是并聯(lián)電容器，該裝置比較簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行開關(guān)分組投切，限制開關(guān)投切的次數(shù)和頻率，調(diào)整單向級(jí)差。該裝置是一種靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，可以調(diào)整穩(wěn)態(tài)電壓，還能校正功率因素。并聯(lián)電容器運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生諧波，安裝成濾波器后，還可以對(duì)其他諧波進(jìn)行吸收。該裝置主要在電力系統(tǒng)和負(fù)荷變電站中使用，整體的成本較低，維護(hù)方式也比較簡(jiǎn)單。第二種是同步調(diào)箱機(jī)，屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，能夠在控制系統(tǒng)的控制中進(jìn)行雙平滑調(diào)節(jié)，該裝置是一種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，響應(yīng)效率會(huì)受到約束，但整體的調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，還可以讓投運(yùn)點(diǎn)有更大的短路容量，該裝置既不會(huì)形成諧波，也無(wú)法吸收諧波，運(yùn)行時(shí)的電能損耗量較高，同步調(diào)箱機(jī)的成本較高，維護(hù)困難，一般會(huì)在電力系統(tǒng)樞紐變電站換流站中使用該裝置。第三種是靜止無(wú)功補(bǔ)償器，這種補(bǔ)償器能夠以較快的速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，運(yùn)行時(shí)會(huì)形成和吸收諧波，運(yùn)行的能耗較小，主要在樞紐變電站與換流站中使用，在特殊負(fù)荷中也可以使用該裝置，靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)技術(shù)的要求非常高，成本相對(duì)較高。綜合來(lái)看，并聯(lián)電容器各方面的性能較好，可以對(duì)該裝置加以利用。

7.使用節(jié)能照明設(shè)備。

港口貨物集散經(jīng)常會(huì)在夜間進(jìn)行，夜間貨物集散需要良好的照明條件，照明設(shè)備的電能消耗量在總能耗中的比例相對(duì)較高，要對(duì)港口碼頭的照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行布局時(shí)全面考慮港口各個(gè)區(qū)域?qū)φ彰鞯男枨?，有的區(qū)域并不需要較好的照明條件，可以在該區(qū)域使用功率較小的照明設(shè)備。對(duì)于照明要求較高的區(qū)域來(lái)說(shuō)，需要選擇照明效果好的照明設(shè)備，一定要注意裝卸貨物區(qū)域的照明情況，如果要對(duì)大范圍的空間進(jìn)行照明，一般會(huì)使用功率較大的高架燈，安裝時(shí)要注意高架燈燈桿的長(zhǎng)度，燈桿的高度會(huì)影響照明的范圍和照明的強(qiáng)度，同時(shí)還要注意燈桿之間的間距，應(yīng)結(jié)合燈桿的高度和照明范圍合理設(shè)置間距，確保相鄰燈具的照射范圍剛好能夠重疊，避免重疊區(qū)域過大或者中間間隔的區(qū)域過大。設(shè)計(jì)的時(shí)候可以提出多個(gè)方案，對(duì)各個(gè)照明設(shè)備的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬和比較，確保照明設(shè)備的設(shè)計(jì)能夠滿足港口各個(gè)區(qū)域的實(shí)際需求，而且不會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)的情況。

對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，要控制照明設(shè)備的數(shù)量，還要根據(jù)港口碼頭不同時(shí)間段的照明需求合理控制照明設(shè)備的開關(guān)時(shí)間，減少不必要的照明設(shè)備和及時(shí)關(guān)閉照明設(shè)備能夠在很大程度上節(jié)省電能。例如，港口碼頭辦公樓中的照明設(shè)備，工作人員要養(yǎng)成隨手關(guān)燈的習(xí)慣，下班后及時(shí)關(guān)燈，管理人員要對(duì)辦公樓進(jìn)行巡查，關(guān)閉辦公樓的燈具。如果辦公空間較大，燈具數(shù)量較多，但工作人員數(shù)量比較少，可以設(shè)置多個(gè)開關(guān)，關(guān)閉一部分燈具。對(duì)樓道的燈具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用聲控開關(guān)，盡量不要設(shè)置長(zhǎng)明燈?？傮w來(lái)說(shuō)，照明設(shè)備的布置應(yīng)遵循少而廣的原則，在滿足港口各區(qū)域照明需求的基礎(chǔ)上盡可能減少照明設(shè)備的數(shù)量，盡量擴(kuò)大照明設(shè)備的照射范圍，還要根據(jù)實(shí)際的照明需求采用分時(shí)段照明的方法，減少港口中照明設(shè)備的總能耗。

結(jié)論：電氣節(jié)能技術(shù)在港口機(jī)械設(shè)備的節(jié)能設(shè)計(jì)中起到了重要的作用，電氣節(jié)能技術(shù)根據(jù)港口中各個(gè)機(jī)械設(shè)備的能耗問題提出相應(yīng)的解決措施，對(duì)所有存在能耗的部分進(jìn)行優(yōu)化，從整體上解決港口機(jī)械設(shè)備的能耗問題，降低貨物裝卸、設(shè)備運(yùn)行、電纜輸電、燈具照明的能耗，發(fā)揮電氣節(jié)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和作用，降低港口的能耗和設(shè)備運(yùn)行的成本。