我國港口節(jié)能減排技術現(xiàn)狀及應用

文_馬林英 武猛 神華粵電珠海港煤炭碼頭有限責任公司

習近平總書記的“兩山理論”重新界定了經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境之間的關系，并在黨的十八大及十九大等會議上多次強調(diào)要致力于促進經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的均衡發(fā)展。進入二十一世紀以來，生態(tài)與經(jīng)濟成為國家繁榮富強、改善人民生活質(zhì)量的鳥之雙翼，資源節(jié)約、環(huán)境友好成為各行各業(yè)共同追求的可持續(xù)發(fā)展目標。港口作為我國交通運輸體系中的重要組成部分，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G 等技術的支撐下逐漸成為智能化、自動化、高效化的物流平臺，并集運輸、配送、倉儲等功能于一身，其規(guī)模逐漸擴大，在我國經(jīng)濟發(fā)展中地位逐漸提升。但不可忽視其資源消耗仍然占據(jù)我國交通事業(yè)總資源消耗的較大比重，因此需要做好我國港口的節(jié)能減排工作，積極運用現(xiàn)代科學技術降低港口能耗，減輕港口運行中對生態(tài)環(huán)境的負面影響，提高港口運行的效率，以實現(xiàn)國家總體規(guī)劃中的節(jié)能目標。本文主要從技術層面出發(fā)，探究我國港口節(jié)能減排技術的現(xiàn)狀及其應用。

1 我國港口節(jié)能減排技術現(xiàn)狀

1.1 船舶岸電技術

隨著我國港口運輸事業(yè)的快速發(fā)展，?？吭诟劭诘拇皵?shù)量與密度顯著提升。船舶?？科陂g，仍然需要保持船舶發(fā)電機的運行與工作，為船舶上應急、裝卸等設備的有序運轉(zhuǎn)提供必要的電能。在傳統(tǒng)的船舶系統(tǒng)中，發(fā)電機依靠柴油、汽油等保持動力，船舶?？科陂g發(fā)動機不停止不僅會加大資源消耗量，還會對周邊環(huán)境造成影響。雖然當前大部分船舶采用電能運輸，但船舶上設備發(fā)電會干擾港口供電系統(tǒng)。為此，以岸基電源為供電方式的船舶岸電技術應運而生，可有效降低船舶?？科陂g的能源消耗，并降低船舶污染排放量。

船舶岸電技術以“以電代油”為基本理念，將傳統(tǒng)的化石能源轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂星鍧嵭缘碾娔埽粌H能保障船舶內(nèi)設備的穩(wěn)定運行，還能達到節(jié)能減排的目標。我國船舶岸電技術研究與實踐起步較晚，2009 年青島港首次嘗試船舶岸電技術的應用，開啟了我國岸電技術發(fā)展的新局面。2017 年，我國交通部印發(fā)《港口岸電布局方案》，提出在2020 年實現(xiàn)100%岸電泊位覆蓋率。至2019 年，已有大鏟灣碼頭、長江流域宜昌端等多個港口實現(xiàn)了岸電泊位的全面覆蓋，表明我國船舶岸電技術研究與實踐已取得顯著成效。

1.2 變頻技術

在港口裝卸過程中，裝卸設備不能長時間高負荷運轉(zhuǎn)，因此，引入變頻技術能夠保障裝卸設備的穩(wěn)定性，完全符合節(jié)能減排的要求。變頻技術主要包括計算機技術、電子技術和電機械設備等，這幾種技術相結合構成了性能較強的新型技術。變頻技術的工作原理就是使交流電先通過半導體，然后變?yōu)槠渌l率，再利用相關設備將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最后再利用逆變器實現(xiàn)對電流和電壓的調(diào)節(jié)和控制，該調(diào)速方式可以降低能耗，最大限度地節(jié)約能源，與此同時也保護了周圍的環(huán)境。變頻技術能夠依照實際的工作量來對速度進行更改和調(diào)整，工作負荷高提升速度，反之則降低速度。變頻技術可實現(xiàn)電流頻率對電機轉(zhuǎn)速的控制，從而有效控制裝卸設備，保障港口裝卸的安全性和穩(wěn)定性，提高裝卸工作效率。

變頻技術中的電路有4 部分，即整流、直流、控制和逆變。這4 個部分相互作用、相輔相成，一起完成對裝卸設備的控制。裝卸設備中應用變頻技術，可以提高機電設備的各項性能，提高其運行效率，降低能耗。隨著科學技術的不斷發(fā)展，變頻器的應用范圍也在不斷擴大，比如數(shù)字化、編程、通訊等，為變頻技術在船舶裝卸設備中的應用提供了可靠的依據(jù)。

1.3 諧波治理

港口的配電系統(tǒng)中通常采用電力電子技術，一方面，電力電子技術的應用能夠降低電能的消耗量，提高供電效率，并具有易操作的優(yōu)勢；另一方面，整流、能量回饋等電力電子技術的應用會產(chǎn)生諧波干擾，影響港口配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引發(fā)變頻器過熱、電容器功率因數(shù)降低等嚴重的設備問題。同時，諧波會使港口配電系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生過大的噪音，對周邊居民身心健康造成極為不良的影響。因此，諧波治理成為港口節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容之一。

2 我國港口節(jié)能減排技術的應用

2.1 港口船舶岸電系統(tǒng)建設

2.1.1 基本情況

某港口集團廣澳港區(qū)二期港口岸電建設工程，采用3MVA岸基電源系統(tǒng)，輸出電源電壓為6.6kV，輸出電源頻率可在50 ～60Hz 之間進行切換，能夠滿足國際和國內(nèi)船舶不同的電源需求。

此碼頭一期岸電項目給1個泊位提供用電，船舶噸位為10 萬t?？紤]船舶的?？壳闆r，采用一個泊位一套岸電系統(tǒng)兩套岸電箱的供電系統(tǒng)結構，即一套岸電系統(tǒng)兩個岸電箱只可以向一個泊位供電。

2.1.2 港口船舶岸電系統(tǒng)構成及功能

該港口船舶岸電系統(tǒng)采用四象限岸電電源，具有動態(tài)響應快、過載能力強、控制精度高、智能電網(wǎng)回饋等優(yōu)點，由括電網(wǎng)、高壓配電站、岸電電源系統(tǒng)、碼頭接線箱、船上電纜卷盤、開關柜、并網(wǎng)柜、船上發(fā)電機組等構成，具體如圖1 所示。

圖1 港口船舶岸電電源系統(tǒng)示意圖

2.2 基于PLC的變頻技術在港口起重設備中的應用

PLC 即可編程邏輯控制器，是自動化生產(chǎn)中重要的數(shù)字運算電子操作系統(tǒng)，將其與變頻技術結合應用于港口其中設備中，能夠自動化、智能化控制起重設備的運行功率，繼而降低起重設備運行能耗，提高設備控制的有效性。

變頻技術在港口起重設備中的應用，主要是使用變頻器來完成對旋轉(zhuǎn)機構和起重機行進機構的有效控制。由于起重機行進機構和旋轉(zhuǎn)機構的總電動機容量相同，因此可以達到良好的應用效果，有效地避免了結構在實際使用過程中的過載現(xiàn)象，從而減少了接觸器和電阻箱的整體變化。此外，矢量控制技術的應用促進了變頻技術的不斷改進，該技術將大量矢量技術與變頻電機集成在一起，滿足了低頻轉(zhuǎn)矩的調(diào)速硬度和轉(zhuǎn)矩特性，確保了變頻調(diào)速器的可靠性。在長時間低速運行中，可防止吊鉤在重負荷下行走，并大大提高了輕載和空鉤的效率，并且整體能耗下降了很多。變頻器在港口起重設備中的應用也顯示出強大的使用功能。通過引入變頻器，有效地連接了PLC 方向變頻器的控制端子和控制信號，提高了正反轉(zhuǎn)電機的控制效果和質(zhì)量。另外，在控制電動機時，內(nèi)部編程控制方法主要用于控制電動機中的不同檔位。為了提高無級調(diào)速的應用效果，可以將變頻器模擬量的主零信號和控制端子信號連接到變頻器上，從而大大提高了控制精度。

2.3 諧波治理在港口配電系統(tǒng)中的應用

當前港口配電系統(tǒng)諧波治理主要采用有源治理及無源治理兩種方式。以有源治理為例，主要通過有源諧波濾除裝置消除諧波對港口配電系統(tǒng)的干擾，主要原理為由電力電子元件構成電路，產(chǎn)生與系統(tǒng)諧波頻率、幅度相同，但相位相反的諧波電流，以此來抵消系統(tǒng)中的諧波電流。相對于無源治理來說，有源治理所需設備成本較為昂貴、系統(tǒng)組成更加復雜，但濾波效果遠好于有源治理。因此，有源治理在港口配電系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。圖2 為并聯(lián)有源濾波器結構。

圖 2 并聯(lián)有源濾波器結構圖

3 結語

當前我國港口的節(jié)能減排技術主要包括船舶岸電技術、變頻技術以及諧波治理技術。為了進一步降低港口運行能耗，減少港口對環(huán)境造成的不良影響，需要注重節(jié)能減排技術的應用與創(chuàng)新，加大節(jié)能減排的推廣力度，繼而實現(xiàn)“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”港口建設目標。