港口船舶岸基供電技術(shù)方案淺析

王濤 陳何

上海市節(jié)能減排中心有限公司

0 引言

船舶岸基供電技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“岸電技術(shù)”）是指船舶在港口靠泊期間關(guān)閉主機(jī)、輔機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，轉(zhuǎn)而使用靠泊碼頭岸基專用電力設(shè)備供電，以維持船舶靠泊期間日常運(yùn)作，減少污染物排放的一項(xiàng)節(jié)能減排技術(shù)。從“十二五”起，交通運(yùn)輸部將“推廣靠港船舶使用岸電”作為節(jié)能減排領(lǐng)域“十大重點(diǎn)工程”之一予以推廣應(yīng)用。隨著近年來(lái)全國(guó)各港口對(duì)船舶岸基供電項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，岸基供電已在部分試點(diǎn)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，但是在實(shí)際運(yùn)行中仍存在著不少問(wèn)題和困難。在對(duì)國(guó)內(nèi)外岸電技術(shù)發(fā)展概況進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，分析岸電技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為進(jìn)一步推廣港口岸電技術(shù)提供支撐。

1 國(guó)內(nèi)外岸基供電發(fā)展歷程

1.1 國(guó)外岸基供電發(fā)展概況

歐洲各國(guó)從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始運(yùn)用岸基供電技術(shù)，根據(jù)其供電電壓的高低劃分和是否具有變頻功能，歷經(jīng)低壓供電、高壓供電以及高壓變頻供電3個(gè)階段。

1.1.1 低壓供電階段

該階段的標(biāo)志是1989年瑞典哥德堡港Stena Line公司首次成功運(yùn)用岸電系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)采用的是400V、50Hz低壓連接系統(tǒng)，其供電結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由于船舶用電設(shè)備大多僅需低壓供電，因此低壓岸電系統(tǒng)具有能與船舶用電設(shè)備直接連接的優(yōu)點(diǎn)，但其也有操作復(fù)雜（在保證同樣的電力容量下，低壓岸電系統(tǒng)需要9根電纜，而高壓岸電系統(tǒng)僅需1～2根電纜，因此使連接操作更為復(fù)雜）、供電效率低的缺點(diǎn)。

圖1 低壓岸電供電結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 高壓供電階段

2000年，瑞典哥德堡港成功建成了全球第一個(gè)高壓岸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將6kV～20kV的高壓電輸送到船上，再通過(guò)船舶甲板上的變壓器將其降壓至400V，以滿足靠泊時(shí)的電力需求。該系統(tǒng)主要供電對(duì)象是渡船，供電結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 高壓岸電供電結(jié)構(gòu)示意圖

高壓岸電技術(shù)解決了供電效率低、操作復(fù)雜的問(wèn)題，使岸電技術(shù)在一定程度上得到了廣泛的應(yīng)用。但該技術(shù)仍存在運(yùn)用局限性。主要原因是船舶用電頻率和港口供電頻率有差異。目前大部分歐洲和亞洲國(guó)家電網(wǎng)頻率主要為50Hz，而越來(lái)越多的船舶已采用60Hz的頻率。因此當(dāng)岸基使用50Hz的電力時(shí)，就無(wú)法為需求60Hz電力的船舶供電。

1.1.3 高壓變頻供電階段

電子電力技術(shù)不斷發(fā)展，高壓條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)變頻的技術(shù)也得到了提升。2008年，比利時(shí)安特衛(wèi)普港在SAMElectronics的支持下建設(shè)了全球首個(gè)高壓變頻岸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時(shí)提供50Hz/60Hz的電力，其供電結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 高壓變頻岸電提供60Hz電力時(shí)的供電結(jié)構(gòu)示意圖

此后，哥德堡港、于斯塔德港、鹿特丹港等國(guó)際化大港口，以及意大利Finacantieri船廠和新加坡裕廊等船廠都陸續(xù)安裝了高壓變頻岸電系統(tǒng)。從總體看，目前運(yùn)用高壓變頻岸電技術(shù)的港口仍然不多，一方面高壓變頻岸電系統(tǒng)成本較高（其核心組件變頻器成本高），另一方面在船舶負(fù)荷集聚變化的情況下，電力質(zhì)量會(huì)受到一定影響。表1列舉了國(guó)際上知名港口的高壓岸電使用情況。

表1 國(guó)外主要港口高壓岸電使用情況

1.2 國(guó)內(nèi)岸基供電發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)港口的船舶岸電技術(shù)研究尚處于起步階段，2009年以來(lái)國(guó)內(nèi)已有多個(gè)港口建立船用岸電試點(diǎn)工程。2009年，青島港招商局國(guó)際集裝箱碼頭有限公司首先完成了5 000t級(jí)內(nèi)貿(mào)支線集裝箱碼頭船舶岸電改造，該系統(tǒng)僅針對(duì)內(nèi)河船只，相對(duì)應(yīng)用面較窄；2010年，上海港外高橋二期集裝箱碼頭運(yùn)行移動(dòng)式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)，其主要是針對(duì)集裝箱船舶；同年，連云港首次將高壓船用岸電系統(tǒng)應(yīng)用于“中韓之星”郵輪；2011年和2012年，招商國(guó)際蛇口集裝箱碼頭先后安裝了低壓岸電系統(tǒng)與高壓岸電系統(tǒng)。目前，福建港、寧波港、天津港等國(guó)內(nèi)一些港口碼頭也正在積極進(jìn)行船舶岸電系統(tǒng)的建設(shè)和試驗(yàn)。

2 船舶用電情況分析

2.1 船舶用電負(fù)荷

船舶用電負(fù)荷與船舶類型有直接聯(lián)系，船舶類型不同，船上的主要電氣設(shè)備也存在差異，主要可分為以下幾類：

（1）動(dòng)力裝置用輔機(jī)：滑油泵、海水冷卻泵、淡水泵、鼓風(fēng)機(jī)等。

（2）甲板機(jī)械：錨機(jī)、絞纜機(jī)、舵機(jī)、起貨機(jī)、舷梯機(jī)和啟艇機(jī)等。

（3）艙室輔機(jī)：生活水泵、消防泵、艙底泵以及輔助鍋爐服務(wù)的輔機(jī)等。

（4）機(jī)修機(jī)械：車床、鉆床、電焊機(jī)、盤車機(jī)等。

（5）冷藏通風(fēng)：空調(diào)裝置、伙食冷庫(kù)等用的輔機(jī)和通風(fēng)機(jī)等。

（6）廚房設(shè)備：電灶、電烤爐等廚房機(jī)械用輔機(jī)和電茶爐等。

（7）照明設(shè)備：機(jī)艙照明、住艙照明、甲板照明等照明設(shè)備，還包括航行燈、信號(hào)燈以及電風(fēng)扇等。不同類型船舶靠泊期間的平均用電負(fù)荷詳見(jiàn)表2。

表2 各種類型船舶在泊位平均功率要求

洛杉磯港靠港集裝箱船平均功率需求為1 MW～4MW，最大功率需求達(dá)到7．5MW。我國(guó)大型碼頭掛靠的集裝箱船舶大于洛杉磯港，靠港集裝箱船的功率需求應(yīng)該大于洛杉磯港。在港期間，一艘滾裝船所需要使用的電力平均為5 000kWh～20 000kWh，平均停泊時(shí)間相對(duì)較短，每次約10h。

2.2 船舶用電特性

目前在全球220個(gè)國(guó)家和地區(qū)中，大多數(shù)國(guó)家使用50Hz電力，僅有43個(gè)國(guó)家和地區(qū)用電頻率為60Hz（其中日本部分地區(qū)用電頻率為60Hz）。其中與航運(yùn)關(guān)系密切的主要國(guó)家和地區(qū)有美國(guó)、日本、韓國(guó)、巴西、加拿大、墨西哥、菲律賓和我國(guó)臺(tái)灣。大多數(shù)國(guó)際航線航行船用電力頻率為60Hz，應(yīng)用50Hz電力的國(guó)家或地區(qū)，內(nèi)部運(yùn)輸船用電力為50Hz。集裝箱船用電電壓有380V、400V、440V、450V、6 600V等規(guī)格，其中國(guó)家或地區(qū)內(nèi)部運(yùn)輸船用通常采用較低電壓。2001年之后新建造的大型船開(kāi)始使用6 600V電力，目前制造的航行國(guó)際航線船舶較多使用6 600V電力。

3 岸基供電技術(shù)方案分析

大型集裝箱船舶的岸電箱較多配置以6．6kV/60Hz電源，然而我國(guó)電網(wǎng)一般采用50Hz交流電源，需完成50Hz電源向60Hz高壓電源的轉(zhuǎn)化，才能滿足現(xiàn)代化大型集裝箱船舶的用電需要。本文重點(diǎn)針對(duì)集裝箱船舶采取“高-低-高”變頻供電方案進(jìn)行比選分析。

3.1 技術(shù)方案介紹

“高-低-高”變頻供電方案初始電源（岸基電源）為6kV/50Hz或10kV/50Hz的交流電，通過(guò)降壓變壓器把初始電源降壓至380V/50Hz或690V/50Hz，再由低壓變頻器將其轉(zhuǎn)換為440V/60Hz的交流電，完成變頻過(guò)程。隨后，440V/60Hz電源通過(guò)升壓變壓器換為6．6kV/60Hz或11kV/60Hz的電源，經(jīng)碼頭岸電箱、船舶岸電箱（船舶岸電配電板）后，供船使用。高壓變頻岸基供電系統(tǒng)主要包括以下三部分：岸上供電系統(tǒng)、電纜連接設(shè)備和船舶受電系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)。

3.2 技術(shù)可行性分析

圖4 高壓變頻供電系統(tǒng)示意圖

從變頻技術(shù)上看，“高-低-高”方案實(shí)際上是一種低壓變頻技術(shù)，其關(guān)鍵設(shè)備（元件）為低壓IGBT器件。該方案具有技術(shù)成熟、可靠性強(qiáng)、投資相對(duì)低的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小負(fù)荷（一般在1MVA～8MVA之間）的船舶，如集裝箱船、滾裝船、散貨船等，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外集裝箱碼頭岸基供電的首選方案。高壓變頻岸電技術(shù)及相關(guān)設(shè)備制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均已相當(dāng)成熟。國(guó)際上可提供“高-低-高”岸基供電技術(shù)解決方案的公司主要有ABB、西門子、GE、施耐德、SAM等，其中最高單臺(tái)岸基供電系統(tǒng)容量可達(dá)到4MW；國(guó)內(nèi)可提供“高-低-高”岸電技術(shù)解決方案的有電動(dòng)工具研究所（成功案例有長(zhǎng)興重工5MW移動(dòng)式岸電系統(tǒng)）等，國(guó)電南自、國(guó)電南瑞企業(yè)等也均有提供岸電技術(shù)解決方案的實(shí)力，但目前尚缺乏實(shí)際案例。從產(chǎn)品提供方來(lái)看，低壓逆變器、整流器、饋電柜、開(kāi)關(guān)柜、變壓器、濾波器等電子設(shè)備的產(chǎn)品制造商、供應(yīng)商不勝枚舉，完全能夠滿足岸電對(duì)設(shè)備的相關(guān)要求。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，船舶上配備的發(fā)電機(jī)組基本上都是柴油發(fā)電機(jī)組，品牌主要有芬蘭瓦錫蘭、德國(guó)MTU、日本雅馬、日本大發(fā)、美國(guó)康明斯等，柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗率一般為200g/kWh～230g/kWh。根據(jù)IMO（國(guó)際海事組織）發(fā)布的《2012年船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算導(dǎo)則》，遠(yuǎn)洋船舶輔機(jī)發(fā)電在額定工況下的燃油消耗率取215g/kWh。

船舶靠港時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)會(huì)在部分負(fù)荷下運(yùn)行，功率一般為額定功率的30%～40%，此狀態(tài)下柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗率比額定工況下增加約5%，則船舶在靠泊期間的燃油消耗率為226g/kWh。由于船上發(fā)電機(jī)全部為同步發(fā)電機(jī)組，其效率一般為90%，遠(yuǎn)洋船舶柴油發(fā)電機(jī)組的柴油消耗率為251g/kWh。據(jù)此，在美元對(duì)人民幣的匯率為1:6．5的情況下，船東采用岸電與否完全取決于岸電服務(wù)費(fèi)和低硫油成本的關(guān)系，詳見(jiàn)圖5。在無(wú)政府干預(yù)的情況下，當(dāng)岸電服務(wù)費(fèi)與低硫油成本處于黑線時(shí)，采用岸電和采用低硫油的成本是相同的，船東選擇岸電或低硫油的概率相同；在黑線上方，即藍(lán)色區(qū)域時(shí)，船東將采用成本更低的低硫油；在黑線下方即黃色區(qū)域時(shí)，船東將采用成本更低的岸電。

圖5 岸電和低硫油的成本關(guān)系圖

此外，根據(jù)《上海港靠泊國(guó)際航行船舶岸基供電試點(diǎn)工作方案》，港口的岸電服務(wù)費(fèi)與國(guó)際船用燃油的價(jià)格相掛鉤，見(jiàn)表3。

表3 政府規(guī)定的岸電服務(wù)費(fèi)

按目前的油價(jià)為350美元進(jìn)行測(cè)算，岸電服務(wù)費(fèi)應(yīng)收取0．5元/kWh。

3.4 社會(huì)效益分析

根據(jù)鹿特丹港Euromax碼頭對(duì)來(lái)往船舶開(kāi)展的污染物排放調(diào)查結(jié)論，船用輕柴油（低硫油）和（高硫油）所產(chǎn)生的NOx、PM10、SO2的排放情況詳見(jiàn)表4。

表4 船舶輔機(jī)使用不同燃油的污染物排放情況

根據(jù)遠(yuǎn)洋船舶靠港期間柴油發(fā)電機(jī)組的燃油消耗率251g/kWh進(jìn)行測(cè)算，靠港期間船舶柴油發(fā)電機(jī)組的CO2排放量為8tCO2/萬(wàn)kWh。

靠港遠(yuǎn)洋船舶使用岸電替代燃油輔機(jī)發(fā)電，在節(jié)約能源、控制溫室排放和減少空氣污染物排放等方面的效果顯著(見(jiàn)表5)，表中“+”、“-”分別表示增加或減少。

美國(guó)西雅圖港2005年CO2排放來(lái)源分析結(jié)果表明，運(yùn)輸船舶靠港發(fā)電機(jī)發(fā)電、運(yùn)輸船舶港內(nèi)運(yùn)行以及港作船舶運(yùn)作排放的CO2分別占全港CO2排放的35%、4%和5%。洛杉磯在實(shí)施船舶岸電計(jì)劃后，NOx、SOx和PM10的排放量平均減少了95%。

船舶岸電的社會(huì)效益主要體現(xiàn)在港口全面推廣岸電技術(shù)之后，將基本消除船舶靠港期間有害氣體排放的問(wèn)題，還可消除輔機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的噪音污染，這不僅是適應(yīng)現(xiàn)代港口繁重的運(yùn)營(yíng)需要、促進(jìn)港口環(huán)保減排的關(guān)鍵技術(shù)，也是提升港口競(jìng)爭(zhēng)力和建設(shè)“綠色環(huán)保型港口”的重要舉措，具有重大社會(huì)效益。

4 結(jié)論與建議

從技術(shù)角度而言，我國(guó)已攻克了國(guó)際航行船舶由于供電制式不同等問(wèn)題，并已有較多岸電應(yīng)用成功的案例，但岸電在港口安裝后并沒(méi)有得到有效使用。其中原因?yàn)槿鄙僬畯?qiáng)有力的節(jié)能減排強(qiáng)制措施和經(jīng)濟(jì)上的扶持政策，雖然使用岸電費(fèi)用較燃油費(fèi)用低，但船東因船舶一次性安裝岸電設(shè)備投入高，大部分港口尚未施行強(qiáng)制減排措施，以及港口在岸電安裝后，即使沒(méi)有船舶使用也要向供電商定期購(gòu)買配電容量，增加了港口企業(yè)的經(jīng)營(yíng)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致岸電的使用被迫擱淺。

表5

隨著船舶排放控制政策的進(jìn)一步施行，航運(yùn)市場(chǎng)的盈利狀況如果在此期間仍未好轉(zhuǎn)，燃油價(jià)格進(jìn)一步攀升，船東們未來(lái)將面臨更嚴(yán)峻的市場(chǎng)，仍需承擔(dān)更重的社會(huì)責(zé)任。為此，政府部門應(yīng)加快出臺(tái)相關(guān)激勵(lì)政策和配套措施，一方面在國(guó)內(nèi)加強(qiáng)低硫燃油的生產(chǎn)和供應(yīng)，另一方面積極研究資金引導(dǎo)方案，對(duì)港口岸電、船舶改造升級(jí)等節(jié)能減排措施給予一定經(jīng)濟(jì)扶持，提高船東和港口雙方的減排積極性。