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(guó)際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司，上海 201208）

海洋港口作為國(guó)際貿(mào)易與海洋開(kāi)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(lái)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(guó)內(nèi)外對(duì)港口節(jié)能減排十分重視，我國(guó)低碳港口建設(shè)尚處于起步階段。耿鑫等通過(guò)在青島港修建太陽(yáng)能照明裝飾并在碼頭樓層頂部安裝太陽(yáng)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(duì)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(guò)綜合分布式能源多能互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)港口節(jié)能減排。

國(guó)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(gòu)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(guó)外港口綠色能源使用情況相比，我國(guó)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(méi)有對(duì)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(chǎng)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(wú)人駕駛）通過(guò)東海大橋到達(dá)碼頭堆場(chǎng)，由堆場(chǎng)內(nèi)部自動(dòng)化場(chǎng)橋?qū)⒓b箱從集卡卸下并堆垛到堆場(chǎng)上。出口箱出堆場(chǎng)時(shí)，由自動(dòng)化場(chǎng)橋?qū)⒓b箱從堆場(chǎng)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(cè)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(wú)人）、AGV、場(chǎng)橋和岸橋，以及協(xié)助集裝箱班輪靠離泊的拖輪。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)，分析各種能源的形式特點(diǎn)、能源儲(chǔ)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(duì)于傳統(tǒng)電能有明顯優(yōu)勢(shì)，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(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)大功率并網(wǎng)系統(tǒng)給場(chǎng)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(guò)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(yǔ)

通過(guò)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。