自動(dòng)化集裝箱碼頭綠色能源綜合應(yīng)用分析

張嘉昭，黃花葉，田宇，祖巧紅，馬楓

（1.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063;2.上海國際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司，上海 201208）

海洋港口作為國際貿(mào)易與海洋開發(fā)的戰(zhàn)略要地和關(guān)鍵樞紐，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。由于港口能源消耗量巨大，是交通領(lǐng)域大氣污染的主要來源地之一。因此，在保障港口作業(yè)效率的前提下，降低溫室氣體排放和提高能源效率迫在眉睫。

目前，國內(nèi)外對港口節(jié)能減排十分重視，我國低碳港口建設(shè)尚處于起步階段。耿鑫等通過在青島港修建太陽能照明裝飾并在碼頭樓層頂部安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。門志勇等對大連港船舶岸電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，提高港口節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益。岳瑩等考慮分布式風(fēng)能在港口應(yīng)用，將綠色電能供應(yīng)港口生產(chǎn)使用，通過綜合分布式能源多能互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)港口節(jié)能減排。

國外港口在綠色能源使用方面已有比較成熟的成果。港口擁有優(yōu)良的光能和風(fēng)能應(yīng)用條件，阿姆斯特丹、東京等多個(gè)港口采用了光伏能源；圣地亞哥、舊金山等港口建設(shè)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而鹿特丹港、安特衛(wèi)普港等每年購入大量風(fēng)電能源。此外，港口可以利用可再生燃料和生物質(zhì)發(fā)電。生物燃料與其他化石燃料混合，可以降低溫室氣體排放。若2025年實(shí)現(xiàn)30%的生物燃料與柴油混合，貨物搬運(yùn)設(shè)備的二氧化碳排放量能下降30%。

與國外港口綠色能源使用情況相比，我國港口在提高綠色能源使用率方面有較大空間。目前研究多采取特定形式減少港口碳排放量，沒有對碼頭設(shè)備作業(yè)運(yùn)行以及能源使用進(jìn)行耦合研究。本文將各種綠色能源的港口應(yīng)用場景結(jié)合，設(shè)計(jì)碼頭設(shè)備智能運(yùn)行與綠色能源整體交互的流程，從而充分釋放港口減排潛力，助力低碳零碳港口建設(shè)。

1 碼頭用能設(shè)備及能源技術(shù)特色分析

上海港洋山四期自動(dòng)化碼頭的出口箱作業(yè)流程如圖1所示，集卡（含有人駕駛和無人駕駛）通過東海大橋到達(dá)碼頭堆場，由堆場內(nèi)部自動(dòng)化場橋?qū)⒓b箱從集卡卸下并堆垛到堆場上。出口箱出堆場時(shí)，由自動(dòng)化場橋?qū)⒓b箱從堆場裝卸搬運(yùn)到AGV 上，AGV 水平運(yùn)輸行駛至雙小車岸橋下，由碼頭海測的雙小車岸橋?qū)⒓b箱從AGV 上裝卸至集裝箱班輪上。進(jìn)口箱作業(yè)流程與出口箱作業(yè)流程相反。

圖1 出口箱作業(yè)流程

根據(jù)以上流程，梳理了集裝箱作業(yè)的用能設(shè)備，包括集卡（含有人和無人）、AGV、場橋和岸橋，以及協(xié)助集裝箱班輪靠離泊的拖輪。通過現(xiàn)場調(diào)研、文獻(xiàn)查閱等手段，梳理了上述設(shè)備的作業(yè)特點(diǎn)、供能方式，以及上海港洋山四期目前所采用的能源形式，如表1所示。

表1 用能設(shè)備分析

如表1所示，上海港洋山四期目前所使用的能源多為化石燃料產(chǎn)生的電能；只有少數(shù)設(shè)備如集卡、拖輪采用了“油改氣”技術(shù)；風(fēng)、光等綠色能源使用率較低?？紤]氫能、風(fēng)能、光伏等綠色能源，與上海港洋山四期目前使用的傳統(tǒng)電能以及LNG 進(jìn)行比對，分析各種能源的形式特點(diǎn)、能源儲存、排放、成本情況，具體如表2所示。氫能、風(fēng)能、光伏和LNG 的排放對于傳統(tǒng)電能有明顯優(yōu)勢，因此本文考慮盡可能地使用新型綠色能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。

表2 能源技術(shù)特色分析

2 碼頭設(shè)備綠色能源綜合應(yīng)用分析

為了港口多種分布式能源的接入，考慮港口微電網(wǎng)的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。微電網(wǎng)是港口內(nèi)的小型發(fā)電和配電系統(tǒng)，其目的是實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活高效應(yīng)用，解決并網(wǎng)問題。微電網(wǎng)的發(fā)展與拓展，為消費(fèi)者提供各種能源的高度可靠供給。

圖2 分布式微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[8]

風(fēng)能和光能以分布式電能的形式接入微電網(wǎng)；氫能以氫燃料電池的形式接入，與主配電網(wǎng)上的傳統(tǒng)電能一起，通過調(diào)配中心以及AC/DC 轉(zhuǎn)化器的控制，為港口設(shè)備提高電負(fù)荷。

在分布式微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，考慮各種碼頭作業(yè)設(shè)備使用綠色能源的方式以及設(shè)備充能作業(yè)流程，建立港口綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 港口綜合能源系統(tǒng)構(gòu)架

在港口綜合能源系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，梳理各種能源、設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及交互流程，形成能源—設(shè)備交互UML 類圖，如圖4所示，來描述港口綜合能源系統(tǒng)中能源、用能設(shè)備、供能設(shè)備以及管理系統(tǒng)的組成、屬性以及相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 設(shè)備-能源交互UML 類圖

該能源-設(shè)備交互UML 類圖主要描述的關(guān)系包含以下三個(gè)方面：

用能設(shè)備依賴能源進(jìn)行作業(yè)，能源給充能設(shè)備供能，充能設(shè)備給用能設(shè)備充能。三者均由管理系統(tǒng)監(jiān)督與控制。

能源大類包括風(fēng)能、光伏、氫能等能源。風(fēng)能、光能、傳統(tǒng)電能聚合形成微電網(wǎng)，微電網(wǎng)可以給岸用電源、大功率并網(wǎng)系統(tǒng)等供能；氫能以氫燃料電池的形式給集卡換電站供能；液化天然氣給LNG 充氣站充能。

AGV 換電站、大功率并網(wǎng)系統(tǒng)等構(gòu)成了充能設(shè)備。在管理系統(tǒng)控制下，AGV 能夠在換電站自動(dòng)換電；集卡在集卡換電站換電；混合動(dòng)力拖輪能在LNG 充氣站充氣，也能采用岸電充電；而分布式電能也能通過大功率并網(wǎng)系統(tǒng)給場橋和岸橋供能。

3 環(huán)保性分析

在環(huán)保性方面，在保障港口設(shè)備正常作業(yè)流程條件下，盡可能減少傳統(tǒng)能源的使用，降低棄光、棄風(fēng)率。將作業(yè)流程精確到各工況和各環(huán)節(jié)，若綠色能源能夠滿足該環(huán)節(jié)的需求，能源樞紐中心就可以通過智能調(diào)配，采用綠色能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)電能，從而保障港口設(shè)備的低碳環(huán)保。

4 結(jié)語

通過分析梳理港口設(shè)備的作業(yè)流程及能源的技術(shù)特色，結(jié)合各種設(shè)備的用能形式和供能方式，構(gòu)建了港口綜合能源系統(tǒng)。使用UML 類圖的表征方式，描述了設(shè)備-能源之間的交互關(guān)系，該UML 類圖給出了能源、管理系統(tǒng)、用能設(shè)備、充能設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為港口高效利用綠色能源提供了理論幫助。