集装箱码头堆场照明综合节能系统的研究与应用

上海国际港务（集团）股份有限公司沈朗捷

集装箱码头堆场照明综合节能系统运用自动化节能管理控制技术精确控制系统运行来提高能源利用率，降低能耗。自动化节能管理控制技术与其他节能技术相结合的综合节能技术，现已在企业的节能降耗工作中得到越来越广泛的应用。

节能；堆场照明；降低电压；生产照明联动控制

0 前言

针对集装箱码头堆场的照明系统提出了新颖的节能模式。集装箱码头堆场照明综合节能系统是一个集电能控制、计算机远程控制与以太网集散控制的综合性项目。本文重点论述照明与生产计划联动控制技术、降低照明电压的节能技术与这些技术带来的节能效益。

本文研究对象为上海冠东国际集装箱码头有限公司码头堆场。洋山深水港区3、4号码头的岸线全长2600m，港区陆域纵深913m，陆域总面积238.13万m2，年总耗电2400万kWh(2009年统计数据)。

堆场共有高杆照明灯塔103座，每座灯塔安装有1kW钠灯18盏。按每座每小时耗电19.8kWh、每日平均开灯10小时计算，日耗电量20394kWh，年耗电量744.38万kWh。

集装箱码头堆场的照明控制影响着码头装卸生产是否能安全顺利的完成，它需要有一套科学的管理控制系统去完成所有的作业任务。因此堆场的照明节能管理控制系统是本文研究的重点。

另外，由于港区大型装卸设备的用电负荷特性要求，供电系统提供的电压往往偏高。对照明灯等用电设备来讲，电压偏高，除满足正常需求外，还会产生无效的能量损耗，既浪费电能，又缩短照明电器的使用寿命。为此对照明灯的降压节能也是本文的研究重点之一。

与生产计划联动进行合理的控制；针对码头用电电压偏高的现状采取科学的降压手段来控制照明灯的供电电压，从而达到节能的目的。

1 原堆场照明系统概况

1.1 堆场照明控制系统的系统结构

上海冠东国际集装箱码头有限公司堆场照明控制系统由现场控制层，中间层和监控层构成。现场层到中间层采用以太网通讯格式，用光纤相连接。中间层、监控层也用以太网通讯格式，用光纤连接。监管层的计算机、服务器通过交换机用以太网与中间层通讯，监控层交换机与上级网络系统连接。

（1）现场层：

每个灯塔分别有一套信号采集、控制的I/O设备，一套光电转换设备。I/O设备与交换机连接，通过光电转换设备与上级网络通讯，返回采集到的现场各种状态信号，接收中空开关信号。

（2）中间层：

12个变电所和闸口控制室分别有中间层设备，用于现场信号的集、转发、通讯格式转换。与现场层通过光纤连接，与监管层通过光纤以太网连接。

（3）监管层

有一台交换机，中间层设备、计算机、服务器、外部网络都通过这台交换机交换数据。配置两台监控计算机，通过以太网与中间层连接，实现控制功能。

1.2 系统的控制范围

上海冠东国际集装箱码头有限公司照明控制系统主要的控制范围包括：港区堆场照明的集中控制、港区路灯照明的集中控制。港区照明系统由103座照明灯塔组成。

2 生产计划联动的堆场照明控制的研究

2.1 控制流程

图1和图2分别为堆场照明打开和关闭控制流程图。

图1堆场照明打开控制流程图

图2堆场照明关闭控制流程图

2.2 控制理念的研究与改进

原堆场照明的控制模式缺少与现场作业的相互关联，系统只能呆板的打开和关闭堆场照明，不能针对生产情况及时调整现场照明，造成不必要的电能浪费。而基于生产计划联动的堆场照明控制系统的设计解决了这一难题。我们通过以太网通讯技术和数据库技术，在原先的控制系统中加入生产计划这一模块，通过这一模块的设计及运用，可以将现场照明与实际生产紧密结合起来。因此堆场照明控制就能精确到具体某一个时间段，即某一个堆场需要照明打开，根据现场生产的情况控制照明持续的时间，使照明控制更加合理。此项技术通过精确控制照明，减少了不必要的照明浪费，带来非常明显的节能效果。

2.3 基于生产计划联动的堆场照明控制系统的实现

基于以太网的生产计划系统通讯接口示意图见图3。

图3通讯接口示意图

随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现使得以太网在工业领域扮演着越来越重要的角色。以太网以其特有的低成本、高实效、高扩展性及高智能的魅力，因而使得人们可以用以太网设备去替代昂贵的工业网络设备。由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，随着工业以太网技术的发展将会取代现在的基于现场总线的工业网络，成为工业网络中的主流技术。以太网上的每台计算机都能独立运行，不存在中心控制器。连接到以太网的所有工作站都接入共享信令系统，又称为介质。要发送数据时，工作站首先监听信道，如果信道空闲，即可以以太帧或数据包格式传输数据。

3 码头照明灯电压分析与节能方案

3.1 码头照明灯电压分析

针对港区大型装卸设备的负荷特性，供电电压往往选用偏高，由此对照明灯等其他用电设备来讲，除因电压偏高，产生正常的照明所需能量转换外，还会产生无效的能量损耗，既浪费电能，又减少电器器件的使用寿命。据测量：公司的高杆灯上的灯电压达到230V，过高的电压也会使灯管使用寿命大为缩短。

3.2 降低电压的节能方案

降压节能原理如下：

在电压较平稳的情况下，节能原理如下：

根据P=U×I×COSΦ，设电网电压为U1，负载阻抗为Z（此处假定负载阻抗不随电压的变化而变化），负载原功率因数为COSΦ1，则原负载功耗：

式中，I1为负载电流

假设采用节电器后负载端电压为U2（U2＜U1），则此时负载功耗

式中，I2为负载电流，COSΦ2为降压后的负载功率因数。

一般情况下，COSΦ2略高于COSΦ1，以U1-U2=20V为例，COSΦ2- COSΦ1≈3%

则有：

节电率（即有功节省率）＝1—U22COSΦ2/ U12COSΦ1≈15%

其中U1＝220V，U2＝200V，COSΦ1＝0.80，COSΦ2＝0.83

综上所述，通过采用降压（220V降压至220V）节能的照明灯计算节能量为15%。

3.3 基于降低电压的省电设备工作特点

主回路中采用特制的节能电抗（见图4），没有可控硅元件，对电网没有谐波污染，耐浪涌电压冲击及耐瞬时大负载冲击能力强：没有变压器多级抽头，主回路没有触点，不发生打火现象。

采用的降压节能设备投入安装简便，无需更改配电线路，只需串入原有电路即可（见图5），节电器投入运行后无需维护，使用寿命15年以上。

图4降压节能设备工作原理

图5降压节能设备安装方案

4 节能分析

4.1 原系统能耗情况

以堆场为研究应用环境，共有103座高杆灯，每座灯塔安装有1kW钠灯18盏。按每座每小时耗电19.8kWh，每日平均开灯10小时计算，日耗电量20394kWh，年耗电量744.38万kWh。

4.2 系统改造投运后能耗与投资回收周期

（1）综合节能系统节能效果

将降压节能设备与生产计划联动的堆场照明控制系统相结合的集装箱码头综合节能系统能耗情况如下：

采取综合节能系统后，不但降低了照明灯用电电压，并且针对生产作业情况而自动控制的开灯时间、关灯时间、开灯数量等自动化控制方式得到了应用，该系统投入使用3个月内，测量统计出每座高杆灯每小时耗电量为4.14kWh。以此类推，103座高杆灯年总耗电量155.64万kWh，比原系统年耗电744.38万kWh要节约用电588.74万kWh/年。

（2）项目投资回收期

洋山地区计量电费为非夏季1.148元/kWh（运行9个月），夏季为1.205元/kWh（运行3个月）。年平均电价(1.148×9+1.205×3) /12=1.16225元/ kWh。

按投资金额531万元计算，投用后每年可节约电费：

1.16225 元/kWh×588.74万kWh=684万元/年，

投资收回期为：

531万元/684万元=0.776年，

折合为9.3个月收回投资。

5 总结与展望

集装箱码头堆场照明综合节能系统实施运行后，达到了明显的节能效果。且照明设备电压稳定，符合港区生产实际，降低了能源的消耗，用电设备寿命延长，在设备维护的上降低维修成本，大大提高了公司运营质量。

集装箱码头堆场照明综合节能系统可以推广至各码头或大型生产场所，其照明生产联动系统可以很好的在各种工况环境下应用。并且集装箱码头堆场照明综合节能系统随着以太网设备的发展可以进一步的加快运算与传输速度，具有很强的可复制性。

集装箱码头堆场照明综合节能系统是在原有的堆场照明控制系统上的优化，工控人员不仅能够做到远程控制现场的照明，同时能做到更加智能化，通过完善控制方法，提高通讯质量，与降压节能设备共同运作从而达到理想的节能效果。

由此可见，计算机监测监控技术与相应的节能技术共同应用在节能方面有广阔的发展前景，随着企业的节能降耗不断的深入，相信综合节能技术的研究与应用能够为社会产生力更大的经济效益。

德利用太阳能电解水制氢技术取得进展

最近，德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心和荷兰代尔夫特理工大学的研究人员联合组成的科研小组，成功研发出一种价格低廉的利用太阳能进行电解水制氢的方法，相关成果在近日出版的《自然通讯》杂志上发表。

科学家们开发的这套系统通过太阳光将水分解成氢气和氧气，以使太阳能可被转换成氢能并存储起来。当光线射入这个相对简单的具有金属氧化物层的硅薄膜电池时，系统会产生一个电压。金属氧化物层起光阳极的作用，成为氧形成的地方。它通过石墨导电桥连接到太阳能电池单元。由于只有金属氧化物层接触到电解液，所以太阳能电池单元的其他部分不会受到腐蚀。铂金线圈则被用作阴极，这是氢气形成的地方。粗略计算，以德国每平方米大约600瓦的太阳光能计算，100平方米的系统可在一小时日照下分离生成3千瓦时以氢气形式存储的能量。

（国家电网）

黄浦区举行首届节能技术推广会

近日，黄浦区举行首届节能技术推广会，进一步推动重点用能单位加大节能投入，推动用能企业、节能服务公司和绿色信贷银行三方对接。来福士广场等100余家区重点用能单位，上海市节能减排中心等14家节能服务企业参加了会议。

会议指出，节能先进技术推广应用是黄浦区低碳城区建设的重要内容，是企业降低成本、提高能源利用效率的有效途径，区政府将加强政策引导，加强示范项目宣传，激发企业节能改造的积极性。

会上，区重点用能单位——城市酒店介绍了节能改造先进经验，上海市建科院等进行了太阳能光伏、LED照明等节能新技术的展示，上海银行等进行了绿色金融的推广。通过交流，部分企业达成了节能合作意向，为深化、优化区节能工作探索了新的方向和途径。

（区节能办）

Research and Application of Lighting Energy-Saving System in Container Terminal Yard

Shen lang jie

With the increase of the price of energy,in order to carry out the energy-saving emission reduction in the container company further,using the technology of low power and high efficiency,and using automation-energy management,not only can reduce the labor and materials,but also can improve the accuracy of the energy control.Basing on this technology，the energy-saving projects with automation-energy management and other technology will become the mainstream of energy-saving emission reduction in the future.This paper will give the analysis to some problems about the container yard lighting system of container yards.Especially,it will give the research of working with lower voltage、production with lighting control,Ethernet and DCS control.

energy-saving,yard lighting,reducing voltage,production with lighting control.

文章针对码头堆场的照明综合节能系统进行分析，对生产照明联动控制、照明灯降低电压运作、以太网技术以及集散控制等方面的研究与应用进行论述。