船舶岸电系统建设研究＊

2020-06-01王小宇

科技与创新 2020年9期

关键词：泊位港口供电

王小宇

船舶岸电系统建设研究＊

王小宇

（武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 400063）

近几年来“节能减排”和“绿色港口”等意识深入人心，为了有效解决船舶靠港燃油发电带来的问题，改善港口周边环境，船舶岸电工程在不断地建设中。对国内外船舶岸电的建设现状及存在的问题进行了概述和研究。

船舶岸电；港口；节能减排；空气污染

1 船舶岸电发展背景

长期以来，港口是全球供应链的关键节点，对全球经济的发展有着极为重要的促进作用，但同时也是船舶污染物的主要来源。据估计[1]在船舶靠港停泊的过程中，为了维持正常的装载、卸载和照明等工作，大多数船舶使用自身的柴油机发电来提供电能，其排碳量占港口总排碳量的40%～70%，船舶工作所产生的有毒害污染物可随着气候等环境的作用扩散到周边1 000 km的范围甚至更远[2]，传统的柴油机发电方式会给港口及周边地区带来大规模的空气污染。此问题受到国内外组织和学者的高度重视，欧盟早在2006年颁布法令对所有在欧盟港口停靠的船舶进行排放控制。中国2018年交通运输部公布的《船舶大气污染物排放控制区实施方案》对进入控制区的船舶做出严格的排放要求，随即2019年交通部又发布《关于进一步共同推进船舶靠港使用岸电工作的通知》。使用船舶岸电成为减少港口泊位排放和缓解过度能源消耗等问题的有效措施，积极建设船舶岸电已成为港口实现可持续发展的必经之路。

2 船舶岸电

船舶岸电是一种清洁能源[3]，是指在船舶抵达港口之后，在作业期间不再使用船舶上的柴油发电机等船舶辅机，从港口电网获得船舶设备运转所需的电力[4]，其工作的根本是在靠港期间实现电能对化石燃料的替换，为“以电代油”的新能源使用模式[5]。

国内外的船舶岸电系统大体上由3个部分组成[6]：①岸端配电部分，使电能从高压变电站传输到港口的岸电连接点，主要包括主变电站和岸电箱；②岸电电缆连接部分，负责连接岸电端与接受电能的船舶，主要包括电缆管理系统；③船舶受电部分，包括船舶变压器和电缆装置等。

国内外船舶岸电系统整体构成如图1所示。

图1 国内外船舶岸电系统大体组成

3 船舶岸电建设的国内外发展

3.1 国内发展

中国岸电建设与北美、欧盟等港口相比起步较晚，技术方面的成熟度也略低。中国2009年在青岛港开始的首次岸电建设尝试，打开了中国岸电发展的新局面[7]。2010年开启岸电试点的总工作行程，当年在上海港完成首个集装箱码头的岸电系统安装，在连云港完成国内首次高压岸电系统的建设，岸电系统容量达到1.5 MVA，并完成对“中韩之星”船舶的岸电供电任务[8]。2012年招商局蛇口国际集装箱码头完成了高低压岸电系统的安装工作。在2013—2014年天津港建设完成了36个低压岸电装置和2个高压岸电装置[9]，随后江苏泗洪码头岸电投河工程投运，该岸电设施的使用可减少30%的船舶靠港成本，苏州港建成两座高压岸电装置，天津港20余个码头成功安装低压岸电接电箱，并且开始投入使用。2015年，连云港与蛇口港高压岸上电源逆变器成功投运，在电压和频率等技术方面超过国家要求，步入国际前列。2017年交通部印发的《港口岸电布局方案》中对专业泊位提供岸电的能力做出明确要求后，中国岸电建设逐步进入快速发展阶段。2018年日照港完成了2个泊位的岸电改造项目，截至年底中国已建成3 700多座港口岸电设施，覆盖了5 200余个船舶供电泊位。2019年大铲湾码头的岸电泊位覆盖率达到了100%，是华南地区第一个实现岸电全部覆盖的集装箱码头。天津港共建设完成了30个泊位的岸电基础设施建设，实现了港口作业船舶100%使用岸电的目标，长江流域宜昌端也已经实现了港口岸电的全覆盖，年底交通部发布《港口和船舶岸电管理办法》进一步全面完善岸电体系相关建设。2020年海南省交通运输厅发布《推进海南港口岸电建设实施方案》表明到年底完成65个岸电泊位的建设工作。在2017年发布的《港口岸电布局方案》中提到要在2020年争取实现100%的泊位岸电覆盖率，继续加大提倡船舶在港口使用岸电的力度，2020年是该方案计划的冲刺阶段，未达到要求的各大港口将会加快岸电设施的建设速度，中国的岸电会取得阶段性的建设成果。

3.2 国外发展

国外的岸电发展可大概分为3个阶段：低压供电阶段、高压供电阶段、高压变频供电阶段。在发展过程中不断弥补技术短板，岸电电力传输逐步实现了稳定和广泛的应用[10]。1988年瑞典的斯恃哥尔摩港完成了第一艘滚装船舶的低压岸电连接。作为世界上最早一批使用岸电技术的哥德堡港2000年安装完成了世界上第一座岸电系统，此系统有效地降低了该港口90%以上的船舶污染物排放。2004年在洛杉矶港实现了集装箱码头的首次岸电技术的应用。随后的几年间岸电技术便在欧美国家逐渐发展起来，相继完成了岸电系统的泊位建设，其中包括朱诺港、鹿特丹港、安特卫普港、圣弗朗西斯科港等。

美国加州颁布有关法律限制船舶污染物的排放，并要求预计到2020年80%的船舶靠港使用岸电，《EU Directive 2005/33/EC-2010》法令规定从2010年开始，船舶在靠港以及在内河流域船舶使用船舶岸电，限制所有燃油种类和燃烧设备。目前在欧洲和北美地区已有30多个港口建设安装了岸电装置[11]。在一些岸电相关的试验中国外已取得多次成功，美国的阿拉斯加州港成功安装并应用7 MW/6.6 kV 容量的岸电装置，ABB公司采用PCS100静态变频器等实现了对印度港口及船舶的升级工程[12]。

4 船舶岸电建设可解决的问题

4.1 污染物排放和环境污染问题

船舶辅机工作过程中会产生大量氮氧化合物、硫氧化合物、挥发性有机化合物和可吸入颗粒物等有害污染物，据国际海事组织统计[2]，每年大概有来自柴油动力船舶的1 850万吨的氮硫氧化物排放到大气中，还会因此导致酸雨、气候变化、光化学烟雾和水污染等严重危害生命健康的灾害形成。船舶岸电的使用基本上可以完全避免因以上污染物的产生而引发的巨大污染，改善港口附近环境，协调港口与城市和谐发展，对创建和谐港区和港口附近绿色的生态环境有较大的促进作用。

4.2 能源问题

全球能源储存量逐年减少，消耗量逐年增加，每年仅船舶靠港燃油流量高达70万吨[2]，并且利用传统的船舶辅机燃烧燃油供电的方式发电效率过低。一方面，由于船舶燃油发电受到船舶设备等的局限，燃烧过程中耗损严重；另一方面，对于产生的多余电能没有地方储存，造成了明显的能源浪费[13]，利用岸电直接提供船舶靠港作业期间的电能可提升能源的利用率，解决资源紧缺的问题，在港口的持续发展建设中有积极的正面影响。

4.3 噪声问题

在船舶柴油发电机运转时，发出巨大的噪声严重影响船员和港口附近居民的正常生产生活，给港口附近带来严重的噪声污染，岸电系统的使用取代了船舶辅机的运转，可以在噪声产生处消除因船舶电站工作产生的巨大噪声，有效改善了船员和居民的作息环境。

4.4 运营成本问题

传统的供电方式中，机器的持续运转会产生高额的燃料费用以及维护修理费用，加之近几年石油价格上调，使得船舶靠港作业的总成本升高，采取陆上电网供电后，船舶自身的发电设备不再工作，大大减少了船东方的运营成本。有资料显示[14]使用柴油发电机发电成本相对使用岸电成本高，港口方和船方在采用了船舶岸电设备后可获得较好的经济效益，降低了船舶的维修和运营成本。

5 展望与总结

船舶岸电的建设有效解决了港口能源消耗大、排放严重的问题，可以说是船舶行业的一次革命性进步，对中国的低碳交通的发展具有重要意义。但船舶岸电属于新兴技术行列，仍然存在众多待提升的方面。比如岸电容量问题，虽然在岸电的建设前期要对岸电容量进行确定，但是随着船舶行业不断大型化，所需的电力功率会越来越大，未来可能会出现岸电系统容量不足的情况。船岸交互问题，船舶电能与岸电电能的无缝衔接技术岸电供电的双频供电技术的建设还在发展中，目前建设完成的港口数量依然较少。目前是世界各国港口建设的重要转型期，加之近年来交通部以及国家有关部门不断出台新的政策来激励和促进岸电的建设和发展，岸电会更加快速地在中国各个港口大面积推进，实现港口全覆盖。

［1］周虹伯.船舶岸电系统技术研究［J］.仪表技术，2018（1）：1-5，40.

［2］洪清珍，詹志刚.船舶柴油机废气排放对大气污染的法律控制及其技术基础［J］.船海工程，2004（1）：34-36.

［3］邵勇，白玉峰.船舶岸电应用技术研究［J］.广州航海学院学报，2018，26（2）：25-28，32.

［4］崔浩.船舶岸电智能控制技术应用研究［D］.天津：天津大学，2015.

［5］BAO Q F.Research and application of on-shore power supply system for vessel in port of Shanghai［J］.Engineering Sciences，2012，10（4）：23-28.

［6］朱祥兵.船舶岸电故障诊断方法研究［D］.苏州：江苏科技大学，2018.

［7］张雷波，徐海栋，尹立峰，等.国内外岸电技术的应用及发展［J］.世界海运，2015，38（10）：13-16.

［8］王金旺.船舶岸电技术应用研究［D］.北京：华北电力大学，2015.

［9］韩贤贤，寿建敏.中国绿色港口岸电建设的前景与发展［J］.现代企业，2018（8）：49-50.

［10］王涛，陈何.港口船舶岸基供电技术方案浅析［J］.上海节能，2019（9）：788-793.

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［12］谈健，韩俊，归三荣，等.船舶岸电系统发展及应用［J］.上海海事大学学报，2017，38（3）：90-95.