包起帆

(上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司,上海 200080)

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、港口建設(shè)步伐的加快,越來(lái)越多的船舶?？扛劭?。上海港平均每天大型船舶就有169艘靠泊,小船更是不計(jì)其數(shù),這些到港船舶?？吭诖a頭需要燃燒大量重油(或柴油)發(fā)電,煙囪到處“流動(dòng)”,所產(chǎn)生的污染與城市環(huán)境保護(hù)的矛盾已經(jīng)越來(lái)越突出。據(jù)統(tǒng)計(jì),上海港每年由于靠港大型船舶油料發(fā)電排放的有害物質(zhì)3.38萬(wàn) t、CO291.24萬(wàn)t(計(jì)算依據(jù)見(jiàn)第6節(jié))。港口城市由于?？看坝土习l(fā)電產(chǎn)生的廢氣污染比其他城市平均多25%[1],國(guó)際港口中心城市節(jié)能減排的形勢(shì)更為嚴(yán)峻。岸電技術(shù)是國(guó)內(nèi)外港航界近年來(lái)備受關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù),即當(dāng)船舶?？看a頭時(shí),停止使用船舶的柴油發(fā)電機(jī),采用碼頭陸上的電網(wǎng)供電。使用岸電可大大減少港口城市及其附近的大氣和噪聲污染。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

各個(gè)國(guó)家的船舶(特種船除外),船舶的交流電制基本為三相交流450 V/60 Hz、三相交流6.6 kV/60 Hz和400 V/50 Hz,因此國(guó)際上現(xiàn)存的岸電方式大體上包括:低壓岸電/低壓船舶供電、高壓岸電/低壓船舶、高壓岸電/高壓船舶3種方式[2]。

1)低壓岸電/低壓船舶/60 Hz直接供電方式:如洛杉磯港采用躉船式的供電裝置,給少量集裝箱班輪供電。

2)高壓岸電/低壓船舶/50 Hz直接供電方式:如哥德堡港采用了碼頭固定式的供電裝置,給郵輪和滾裝船供電。

3)高壓岸電/高壓船舶/60 Hz直接供電方式:如長(zhǎng)灘港集裝箱碼頭、洛杉磯港部分集裝箱碼頭。

雖然各國(guó)岸電方案的系統(tǒng)工程組件略有差異,設(shè)計(jì)大體上可分為3個(gè)部分:岸上供電系統(tǒng)、電纜連接設(shè)備和船舶受電系統(tǒng)。

1)岸上供電系統(tǒng):岸上供電系統(tǒng)使電力從高壓變電站供應(yīng)到靠近船舶的連接點(diǎn)。

2)電纜連接設(shè)備:連接岸上連接點(diǎn)及船上受電裝置間的電纜和設(shè)備。電纜連接設(shè)備必須滿(mǎn)足快速連接和儲(chǔ)存的要求,不使用的時(shí)候儲(chǔ)存在船上、岸上或者駁船上。

3)船舶受電系統(tǒng):在船上固定安裝受電系統(tǒng),可包括電纜絞車(chē)、船上變壓器和相關(guān)的電氣管理系統(tǒng)等。

3 難點(diǎn)和方案分析

我國(guó)電網(wǎng)頻率為50 Hz,與大多數(shù)?？看a頭的船舶電制頻率不同,加上上海港業(yè)務(wù)繁忙,岸電供電工程不能對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)有大的改動(dòng),不宜采用固定式岸電或躉船式供電。因此,國(guó)際上的成功案例不能照搬到我國(guó)港口。研制適合我國(guó)電制的岸電變頻技術(shù),設(shè)計(jì)一套移動(dòng)式變頻變壓供電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)多個(gè)泊位或碼頭,將我國(guó)港口電網(wǎng)交流電變換成適合于外國(guó)船舶60 Hz交流電、國(guó)內(nèi)部分船舶50 Hz交流電,實(shí)現(xiàn)50 Hz/60 Hz雙頻供電是最佳方案。

中海集運(yùn)已對(duì)旗下33艘集裝箱班輪進(jìn)行了岸電受電改造,有28艘集裝箱船舶交流電制為三相450 V/60 Hz,其中,21艘4 250TEU船舶靠泊碼頭的實(shí)際平均負(fù)載約為1 100 kW,7艘5 688TEU船舶實(shí)際平均負(fù)載為1 100 kW。有數(shù)據(jù)表明,洛杉磯港口岸電供電的集裝箱船舶的平均負(fù)載為0.976 MW[3]。我國(guó)大多數(shù)集裝箱碼頭前沿為橋吊運(yùn)行均配備了10 kV/50 Hz/2 000 kV· A的高壓電箱,這些電源可提供功率不超過(guò)1 646 kW[3](2 000 kV·A ×0.9×0.92-10=1 646 kW,其中功率因素取0.9,變頻變壓電源裝置的綜合效率取0.92)的用電需求。因此,可選用碼頭富余的高壓電箱,無(wú)需對(duì)現(xiàn)有的集裝箱碼頭進(jìn)行改造,便于推廣應(yīng)用。值得注意的是,對(duì)船舶供岸電時(shí),碼頭應(yīng)先核算自身碼頭用電量的能力,確保安全供電。

3.1 方案設(shè)計(jì)

移動(dòng)式變頻變壓供電系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)采用港口標(biāo)準(zhǔn)配置集裝箱形式,便于港口吊運(yùn)設(shè)備(如集裝箱正面吊)搬運(yùn)移動(dòng),由于高低壓配電、柔性連接配置要求,電源主體宜分為主移動(dòng)艙和副移動(dòng)艙兩部分。變壓和變頻裝置、高壓電纜卷筒安裝在主移動(dòng)艙上,低壓電纜卷筒安裝在副移動(dòng)艙上,兩個(gè)移動(dòng)艙都可置于碼頭前沿。系統(tǒng)基本功能如下。

1)從裝有高壓電纜卷筒的主移動(dòng)艙中引出一根帶有快速接頭的電纜連接10 kV的岸電接電箱,電纜長(zhǎng)度為50 m。

2)主移動(dòng)艙為40 ft(1 ft=0.304 8 m)集裝箱,提供連接9個(gè)450 V/60 Hz快速接頭的插座箱。

3)副移動(dòng)艙為20 ft標(biāo)準(zhǔn)集裝箱,配3個(gè)低壓電纜卷筒,每個(gè)卷筒進(jìn)線和出線各3根電纜,進(jìn)線和出線的端頭都裝有快速插頭,輸入端連接主移動(dòng)艙,輸出端連接船上的受電箱。輸出電纜長(zhǎng)度為50 m,供電纜用吊車(chē)吊入船舶。

4)配置其他滿(mǎn)足設(shè)備在港口露天環(huán)境下正常使用的輔助功能。

供電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 The constructive diagram of the system

系統(tǒng)的基本工作原理如下。

1)10 kV/50 Hz進(jìn)入后先進(jìn)入主移動(dòng)艙內(nèi)高壓開(kāi)關(guān)柜,由高壓開(kāi)關(guān)柜控制高壓通斷。

2)10 kV/50 Hz經(jīng)高壓變壓器降壓至690 V/50 Hz。高壓變壓器為三繞組變壓器,其中一套繞組作為原繞組,另外兩套繞組作為副繞組,向變頻裝置輸出功率。高壓繞組是三角形接法,副繞組一個(gè)是星形接法且中心點(diǎn)引出,另一個(gè)是三角形接法,互差30°電角度,這種電路可以把整流電路的脈沖數(shù)由6脈沖提高到12脈沖,兩個(gè)整流橋產(chǎn)生的5、7、17、19…次諧波相互抵消。

3)690 V/50 Hz進(jìn)入低壓開(kāi)關(guān)柜,控制低壓輸出通斷。690 V/50 Hz進(jìn)入變頻器柜的整流柜、逆變柜進(jìn)行整流、逆變,將690 V/50 Hz變頻為450 V/60 Hz方波,再經(jīng)正弦波濾波器整流成450 V/60 Hz正弦波,最后輸出到隔離變壓器,變頻部分采集輸出450 V/60 Hz正弦波形成閉環(huán)控制,控制電壓頻率穩(wěn)定。

4)450 V/60 Hz正弦波輸出到隔離變壓器,能有效地防止船上負(fù)載電網(wǎng)和岸電電網(wǎng)的相互干擾,保護(hù)變頻電源裝置不會(huì)由于負(fù)載設(shè)備的故障而造成損壞。

5)隔離變壓器450 V/60 Hz輸出經(jīng)末端低壓開(kāi)關(guān)柜,通過(guò)副艙9根柔性電纜及快速插頭接至船舶的岸電主控制室,供船舶設(shè)施用電。

3.2 諧波抑制技術(shù)

采用變頻的電源均需整流,將產(chǎn)生因其非線性引起的高次諧波,而變頻器輸出側(cè)PWM控制產(chǎn)生的輸出電壓和輸出電流均含有諧波,這些諧波對(duì)電源的穩(wěn)定工作和其他儀器儀表是有害的,需采用補(bǔ)償方式進(jìn)行諧波抑制,確保輸出具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

1)變頻輸入側(cè)采用EMI濾波。

2)變頻輸入側(cè)接入交流限流器,抑制輸入側(cè)和變頻器內(nèi)部產(chǎn)生高頻擾動(dòng),同時(shí)改善變頻器輸入電流波形。

3)變頻采用12脈沖整流技術(shù),可消除11次以下的輸入諧波電流,抑制含量較大的諧波。

4)變頻輸出側(cè)采用正弦濾波器,消除方波中的高次諧波含量對(duì)電網(wǎng)的污染。

3.3 柔性連接技術(shù)

港口碼頭潮位落差變化會(huì)引起船舶上下、左右、前后搖擺,還有海風(fēng)大浪的影響,在岸基供電電源供電時(shí),會(huì)牽扯供電電纜,采用恒矩彈簧式電纜卷筒控制多根多組粗電纜(共9根、每根120 mm2)進(jìn)行柔性自動(dòng)收放,確保接電安全可靠。同時(shí)高壓進(jìn)線側(cè)可采用手動(dòng)電纜卷筒方式,接電收放線快速。

3.4 快速連接技術(shù)

各類(lèi)到港大型船舶靠岸時(shí)間短、船舶用電為斷續(xù)工作制、用電功率大,一般接電器件重量也較大,采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)快速軟接觸的插頭插座,實(shí)現(xiàn)快速連接,提高岸電上船電并網(wǎng)接電效率。

3.5 機(jī)電一體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

1)高低壓配電技術(shù)。大功率港口供電設(shè)備安全防護(hù)要求很高,進(jìn)線10 kV高壓開(kāi)關(guān)柜、變頻出線側(cè)低壓大電流開(kāi)關(guān)柜要求具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載、短路、缺相等保護(hù)功能,確保人員和設(shè)備安全。

2)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。所有變頻、變壓、高低壓通斷設(shè)備集成在標(biāo)準(zhǔn)艙內(nèi),整體設(shè)備要求適應(yīng)高溫、高濕、高腐蝕性、大負(fù)荷沖擊等惡劣使用環(huán)境,防護(hù)等級(jí)要求達(dá)到IP55。

3)工程優(yōu)化技術(shù)。碼頭泊位利用率高、停泊位置變化大,供電設(shè)備體積龐大、主副艙要求放入了標(biāo)準(zhǔn)集裝箱,具備可移動(dòng)性,不過(guò)多占用港口寶貴的空間資源。

4 實(shí)踐及數(shù)據(jù)分析

2010年3月22日至23日,中海集裝箱運(yùn)輸有限公司“新福州”輪停靠上海港外高橋二期集裝箱碼頭,由上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司和港迪電氣集團(tuán)聯(lián)合研制的移動(dòng)式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)為“新福州”輪提供陸上電源。

圖2 移動(dòng)式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)Fig.2 Movable voltage-variable&frequency-variable on shore power supply system

1)運(yùn)行環(huán)境。溫度-5～15℃(上海天氣變化)。相對(duì)濕度≤93%(船舶帶載大風(fēng)陣雨露天試驗(yàn))。

2)操作時(shí)間。供電系統(tǒng)與“新福州”輪接電時(shí)間:22日17:30-16:40=50 min;供電系統(tǒng)與“新福州”輪撤電時(shí)間:23日10:25-10:00=25 min。

3)接電操作過(guò)程見(jiàn)圖3。高壓電纜連接至岸電高壓接線端子后,配電房送高壓電。高壓接線過(guò)程見(jiàn)圖4。工人將高壓電纜連接至碼頭前沿的10 kV/2 000 kV· A/50 Hz的高壓電箱。

通過(guò)吊車(chē)將9根低壓電纜吊至船舶尾部的接電屏,連接過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖3 操作過(guò)程圖Fig.3 Operation flow

圖4 高壓接線過(guò)程圖Fig.4 Operation flow of high-voltage connection

圖5 低壓電纜連接船舶接電屏Fig.5 Low voltage cable connected the ship electric screen

4)為“新福州”輪提供岸電過(guò)程中,工作人員每半小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集,部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)輸出側(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)(部分)Table 1 Measured data(part)of the outlet side of the system

續(xù)表

根據(jù)全部記錄數(shù)據(jù)分析后可得:a.船舶帶載輸出電壓:AC434～443 V(電流1 361～1 905 A),電壓波動(dòng)0.2%;b.船舶帶載輸出頻率變化:59.98～59.99 Hz≤0.01 Hz;c.船舶帶載輸出電壓諧波總失真率:THDu=(0.8～2.8)＜4%;d.船舶帶載16.75 h總耗電量18 147 kW· h,船舶靠泊時(shí)的平均功率為1 083.4 kW。

以18:59測(cè)量數(shù)據(jù)為例,帶載數(shù)據(jù)圖見(jiàn)圖6。圖7為測(cè)量的船上用電負(fù)荷。

圖6 帶載數(shù)據(jù)圖(18:59)Fig.6 Pictures of measured data(18:59)

圖7 船上用電負(fù)荷曲線Fig.7 Electricity load curve of the vessel

5 國(guó)內(nèi)外岸電技術(shù)的比較

分析國(guó)內(nèi)外各大港口碼頭岸基高壓供電和低壓供電方式的技術(shù)特征,比較各種岸電技術(shù)先進(jìn)性、適應(yīng)性、應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn),見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外典型岸電供電技術(shù)比較Table 2 Typical cases comparison of on shore power supply technology at home and abroad

通過(guò)表2比較分析,對(duì)于配電電壓為6.6 kV/11 kV的高壓船舶,高壓岸電雖是較方便的方式,但國(guó)際上大多數(shù)船舶為450 V低壓,雙變頻低壓供電方式具有更多的優(yōu)點(diǎn),60 Hz/50 Hz任意選擇的變頻岸電能適應(yīng)更多的船舶供電,并具有較高的技術(shù)性能和可操作性,工程技術(shù)含量更高,應(yīng)用推廣前景廣闊。

6 生態(tài)與社會(huì)效益

根據(jù)船只廢氣排放國(guó)際規(guī)范,船只廢氣的排放包括多種有害物質(zhì)如 NOX、SOX、CO、CO2、HC 和懸浮粒子PM。排放物的典型組分見(jiàn)圖8。

圖8 廢氣排放的典型組分Fig.8 Flow process and typical exhaust gas composition

1)按船用柴油發(fā)電機(jī)組典型值7.68 kg/(kW·h)計(jì)算,其中:a.N2、O2、CO2、H2O 混合廢氣物占99.7%,7.657 kg/(kW· h);b.NOX、SOX、HC、CO有害物質(zhì)占0.3%,為23 g/(kW· h);c.船載柴油發(fā)電機(jī)的CO2排放數(shù)據(jù),特定燃料消耗185 g/(kW· h)時(shí),CO2排放為610 g/(kW·h)。

2)根據(jù)2009年上海國(guó)際港務(wù)集團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒,2008年全年大型船舶61 873艘[4],上海港平均每天大型船舶約169艘靠泊,每次靠泊按24 h,靠泊平均功率按1 000 kW供電計(jì)算,預(yù)算總排放量為每天小計(jì):CO2排放169艘×24 h×1 000 kW×610 g/(kW·h)=2 499.7 t;廢氣排放 169艘 ×24 h×1 000 kW ×7.68 kg/(kW· h)×99.7%=3.1萬(wàn)t;有害物質(zhì)排放169艘 ×24 h×1 000 kW ×23 g/(kW· h)=93.3 t。每年總計(jì):CO2排放2 499.7 t×365=91.24萬(wàn)t,折合標(biāo)準(zhǔn)煤91.24/2.493=36.6萬(wàn)t;廢氣排放總量 3.1 t×365=113 1.5萬(wàn) t;有害物質(zhì)排放93.3 t×365=3.38 萬(wàn) t。

統(tǒng)計(jì)分析,在優(yōu)先使用水電、風(fēng)電、核電等綠色電力的情況下,本岸電技術(shù)成果若推廣應(yīng)用至上海港所有到港的大型船舶,每年將減少有害物質(zhì)排放3.38萬(wàn)t,減少 CO291.24萬(wàn) t,節(jié)約36.6萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤,可以大大緩解船舶在港期間對(duì)港區(qū)、上海市區(qū)大氣環(huán)境的影響,有效改善區(qū)域環(huán)境。

7 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)式岸基船用變頻變壓電源裝備研制與應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,特別是其生態(tài)效益倍受?chē)?guó)際國(guó)內(nèi)環(huán)境組織、政府部門(mén)關(guān)注,船舶靠泊碼頭時(shí)使用岸電必將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。首套裝備投入試運(yùn)行成功后,上海港將不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),提升創(chuàng)新技術(shù),尋找港口與船公司的合作模式,尋找相關(guān)部門(mén)的政策支持,爭(zhēng)取更大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

[1]Miltion Korn P E,Michael Martin P E,Peter Wallace,et al.A maritime contribution to our environment[J].Transactions,2006,114.

[2]Navigation and Environment Committee of the American Association of Port Authorities(AAPA).Draft use of shore-side power for ocean-going vessels white paper[EB/OL].www.westcoastdiesel.org/files/sector-marine/AAPA-shorepower-050107.pdf.

[3]包起帆,黃細(xì)霞,葛中雄,等.上海港口外高橋六期碼頭岸電試點(diǎn)項(xiàng)目方案論證[J].港口科技,2009(12):6-11,14.

[4]上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司.2009年上海國(guó)際港務(wù)集團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].上海:上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司,2009.