上海港岸基船用供電系統研究與實踐

包起帆

(上海國際港務(集團)股份有限公司,上海 200080)

1 前言

隨著經濟的快速發展、港口建設步伐的加快,越來越多的船舶停靠港口。上海港平均每天大型船舶就有169艘靠泊,小船更是不計其數,這些到港船舶停靠在碼頭需要燃燒大量重油(或柴油)發電,煙囪到處“流動”,所產生的污染與城市環境保護的矛盾已經越來越突出。據統計,上海港每年由于靠港大型船舶油料發電排放的有害物質3.38萬 t、CO291.24萬t(計算依據見第6節)。港口城市由于停靠船舶油料發電產生的廢氣污染比其他城市平均多25%[1],國際港口中心城市節能減排的形勢更為嚴峻。岸電技術是國內外港航界近年來備受關注的一項技術,即當船舶停靠碼頭時,停止使用船舶的柴油發電機,采用碼頭陸上的電網供電。使用岸電可大大減少港口城市及其附近的大氣和噪聲污染。

2 國內外現狀

各個國家的船舶(特種船除外),船舶的交流電制基本為三相交流450 V/60 Hz、三相交流6.6 kV/60 Hz和400 V/50 Hz,因此國際上現存的岸電方式大體上包括:低壓岸電/低壓船舶供電、高壓岸電/低壓船舶、高壓岸電/高壓船舶3種方式[2]。

1)低壓岸電/低壓船舶/60 Hz直接供電方式:如洛杉磯港采用躉船式的供電裝置,給少量集裝箱班輪供電。

2)高壓岸電/低壓船舶/50 Hz直接供電方式:如哥德堡港采用了碼頭固定式的供電裝置,給郵輪和滾裝船供電。

3)高壓岸電/高壓船舶/60 Hz直接供電方式:如長灘港集裝箱碼頭、洛杉磯港部分集裝箱碼頭。

雖然各國岸電方案的系統工程組件略有差異,設計大體上可分為3個部分:岸上供電系統、電纜連接設備和船舶受電系統。

1)岸上供電系統:岸上供電系統使電力從高壓變電站供應到靠近船舶的連接點。

2)電纜連接設備:連接岸上連接點及船上受電裝置間的電纜和設備。電纜連接設備必須滿足快速連接和儲存的要求,不使用的時候儲存在船上、岸上或者駁船上。

3)船舶受電系統:在船上固定安裝受電系統,可包括電纜絞車、船上變壓器和相關的電氣管理系統等。

3 難點和方案分析

我國電網頻率為50 Hz,與大多數停靠碼頭的船舶電制頻率不同,加上上海港業務繁忙,岸電供電工程不能對基礎建設有大的改動,不宜采用固定式岸電或躉船式供電。因此,國際上的成功案例不能照搬到我國港口。研制適合我國電制的岸電變頻技術,設計一套移動式變頻變壓供電系統對應多個泊位或碼頭,將我國港口電網交流電變換成適合于外國船舶60 Hz交流電、國內部分船舶50 Hz交流電,實現50 Hz/60 Hz雙頻供電是最佳方案。

中海集運已對旗下33艘集裝箱班輪進行了岸電受電改造,有28艘集裝箱船舶交流電制為三相450 V/60 Hz,其中,21艘4 250TEU船舶靠泊碼頭的實際平均負載約為1 100 kW,7艘5 688TEU船舶實際平均負載為1 100 kW。有數據表明,洛杉磯港口岸電供電的集裝箱船舶的平均負載為0.976 MW[3]。我國大多數集裝箱碼頭前沿為橋吊運行均配備了10 kV/50 Hz/2 000 kV· A的高壓電箱,這些電源可提供功率不超過1 646 kW[3](2 000 kV·A ×0.9×0.92-10=1 646 kW,其中功率因素取0.9,變頻變壓電源裝置的綜合效率取0.92)的用電需求。因此,可選用碼頭富余的高壓電箱,無需對現有的集裝箱碼頭進行改造,便于推廣應用。值得注意的是,對船舶供岸電時,碼頭應先核算自身碼頭用電量的能力,確保安全供電。

3.1 方案設計

移動式變頻變壓供電系統主體結構采用港口標準配置集裝箱形式,便于港口吊運設備(如集裝箱正面吊)搬運移動,由于高低壓配電、柔性連接配置要求,電源主體宜分為主移動艙和副移動艙兩部分。變壓和變頻裝置、高壓電纜卷筒安裝在主移動艙上,低壓電纜卷筒安裝在副移動艙上,兩個移動艙都可置于碼頭前沿。系統基本功能如下。

1)從裝有高壓電纜卷筒的主移動艙中引出一根帶有快速接頭的電纜連接10 kV的岸電接電箱,電纜長度為50 m。

2)主移動艙為40 ft(1 ft=0.304 8 m)集裝箱,提供連接9個450 V/60 Hz快速接頭的插座箱。

3)副移動艙為20 ft標準集裝箱,配3個低壓電纜卷筒,每個卷筒進線和出線各3根電纜,進線和出線的端頭都裝有快速插頭,輸入端連接主移動艙,輸出端連接船上的受電箱。輸出電纜長度為50 m,供電纜用吊車吊入船舶。

4)配置其他滿足設備在港口露天環境下正常使用的輔助功能。

供電系統構成如圖1所示。

圖1 系統構成圖Fig.1 The constructive diagram of the system

系統的基本工作原理如下。

1)10 kV/50 Hz進入后先進入主移動艙內高壓開關柜,由高壓開關柜控制高壓通斷。

2)10 kV/50 Hz經高壓變壓器降壓至690 V/50 Hz。高壓變壓器為三繞組變壓器,其中一套繞組作為原繞組,另外兩套繞組作為副繞組,向變頻裝置輸出功率。高壓繞組是三角形接法,副繞組一個是星形接法且中心點引出,另一個是三角形接法,互差30°電角度,這種電路可以把整流電路的脈沖數由6脈沖提高到12脈沖,兩個整流橋產生的5、7、17、19…次諧波相互抵消。

3)690 V/50 Hz進入低壓開關柜,控制低壓輸出通斷。690 V/50 Hz進入變頻器柜的整流柜、逆變柜進行整流、逆變,將690 V/50 Hz變頻為450 V/60 Hz方波,再經正弦波濾波器整流成450 V/60 Hz正弦波,最后輸出到隔離變壓器,變頻部分采集輸出450 V/60 Hz正弦波形成閉環控制,控制電壓頻率穩定。

4)450 V/60 Hz正弦波輸出到隔離變壓器,能有效地防止船上負載電網和岸電電網的相互干擾,保護變頻電源裝置不會由于負載設備的故障而造成損壞。

5)隔離變壓器450 V/60 Hz輸出經末端低壓開關柜,通過副艙9根柔性電纜及快速插頭接至船舶的岸電主控制室,供船舶設施用電。

3.2 諧波抑制技術

采用變頻的電源均需整流,將產生因其非線性引起的高次諧波,而變頻器輸出側PWM控制產生的輸出電壓和輸出電流均含有諧波,這些諧波對電源的穩定工作和其他儀器儀表是有害的,需采用補償方式進行諧波抑制,確保輸出具有良好的可靠性和穩定性。

1)變頻輸入側采用EMI濾波。

2)變頻輸入側接入交流限流器,抑制輸入側和變頻器內部產生高頻擾動,同時改善變頻器輸入電流波形。

3)變頻采用12脈沖整流技術,可消除11次以下的輸入諧波電流,抑制含量較大的諧波。

4)變頻輸出側采用正弦濾波器,消除方波中的高次諧波含量對電網的污染。

3.3 柔性連接技術

港口碼頭潮位落差變化會引起船舶上下、左右、前后搖擺,還有海風大浪的影響,在岸基供電電源供電時,會牽扯供電電纜,采用恒矩彈簧式電纜卷筒控制多根多組粗電纜(共9根、每根120 mm2)進行柔性自動收放,確保接電安全可靠。同時高壓進線側可采用手動電纜卷筒方式,接電收放線快速。

3.4 快速連接技術

各類到港大型船舶靠岸時間短、船舶用電為斷續工作制、用電功率大,一般接電器件重量也較大,采用國際標準快速軟接觸的插頭插座,實現快速連接,提高岸電上船電并網接電效率。

3.5 機電一體優化設計技術

1)高低壓配電技術。大功率港口供電設備安全防護要求很高,進線10 kV高壓開關柜、變頻出線側低壓大電流開關柜要求具有過流、過壓、過載、短路、缺相等保護功能,確保人員和設備安全。

2)可靠性設計技術。所有變頻、變壓、高低壓通斷設備集成在標準艙內,整體設備要求適應高溫、高濕、高腐蝕性、大負荷沖擊等惡劣使用環境,防護等級要求達到IP55。

3)工程優化技術。碼頭泊位利用率高、停泊位置變化大,供電設備體積龐大、主副艙要求放入了標準集裝箱,具備可移動性,不過多占用港口寶貴的空間資源。

4 實踐及數據分析

2010年3月22日至23日,中海集裝箱運輸有限公司“新福州”輪停靠上海港外高橋二期集裝箱碼頭,由上海國際港務(集團)股份有限公司和港迪電氣集團聯合研制的移動式岸基船用變頻變壓供電系統(見圖2)為“新福州”輪提供陸上電源。

圖2 移動式岸基船用變頻變壓供電系統Fig.2 Movable voltage-variable&frequency-variable on shore power supply system

1)運行環境。溫度-5～15℃(上海天氣變化)。相對濕度≤93%(船舶帶載大風陣雨露天試驗)。

2)操作時間。供電系統與“新福州”輪接電時間:22日17:30-16:40=50 min;供電系統與“新福州”輪撤電時間:23日10:25-10:00=25 min。

3)接電操作過程見圖3。高壓電纜連接至岸電高壓接線端子后,配電房送高壓電。高壓接線過程見圖4。工人將高壓電纜連接至碼頭前沿的10 kV/2 000 kV· A/50 Hz的高壓電箱。

通過吊車將9根低壓電纜吊至船舶尾部的接電屏,連接過程見圖5。

圖3 操作過程圖Fig.3 Operation flow

圖4 高壓接線過程圖Fig.4 Operation flow of high-voltage connection

圖5 低壓電纜連接船舶接電屏Fig.5 Low voltage cable connected the ship electric screen

4)為“新福州”輪提供岸電過程中,工作人員每半小時進行一次數據采集,部分數據見表1。

表1 系統輸出側測量數據(部分)Table 1 Measured data(part)of the outlet side of the system

續表

根據全部記錄數據分析后可得:a.船舶帶載輸出電壓:AC434～443 V(電流1 361～1 905 A),電壓波動0.2%;b.船舶帶載輸出頻率變化:59.98～59.99 Hz≤0.01 Hz;c.船舶帶載輸出電壓諧波總失真率:THDu=(0.8～2.8)＜4%;d.船舶帶載16.75 h總耗電量18 147 kW· h,船舶靠泊時的平均功率為1 083.4 kW。

以18:59測量數據為例,帶載數據圖見圖6。圖7為測量的船上用電負荷。

圖6 帶載數據圖(18:59)Fig.6 Pictures of measured data(18:59)

圖7 船上用電負荷曲線Fig.7 Electricity load curve of the vessel

5 國內外岸電技術的比較

分析國內外各大港口碼頭岸基高壓供電和低壓供電方式的技術特征,比較各種岸電技術先進性、適應性、應用優缺點,見表2。

表2 國內外典型岸電供電技術比較Table 2 Typical cases comparison of on shore power supply technology at home and abroad

通過表2比較分析,對于配電電壓為6.6 kV/11 kV的高壓船舶,高壓岸電雖是較方便的方式,但國際上大多數船舶為450 V低壓,雙變頻低壓供電方式具有更多的優點,60 Hz/50 Hz任意選擇的變頻岸電能適應更多的船舶供電,并具有較高的技術性能和可操作性,工程技術含量更高,應用推廣前景廣闊。

6 生態與社會效益

根據船只廢氣排放國際規范,船只廢氣的排放包括多種有害物質如 NOX、SOX、CO、CO2、HC 和懸浮粒子PM。排放物的典型組分見圖8。

圖8 廢氣排放的典型組分Fig.8 Flow process and typical exhaust gas composition

1)按船用柴油發電機組典型值7.68 kg/(kW·h)計算,其中:a.N2、O2、CO2、H2O 混合廢氣物占99.7%,7.657 kg/(kW· h);b.NOX、SOX、HC、CO有害物質占0.3%,為23 g/(kW· h);c.船載柴油發電機的CO2排放數據,特定燃料消耗185 g/(kW· h)時,CO2排放為610 g/(kW·h)。

2)根據2009年上海國際港務集團統計年鑒,2008年全年大型船舶61 873艘[4],上海港平均每天大型船舶約169艘靠泊,每次靠泊按24 h,靠泊平均功率按1 000 kW供電計算,預算總排放量為每天小計:CO2排放169艘×24 h×1 000 kW×610 g/(kW·h)=2 499.7 t;廢氣排放 169艘 ×24 h×1 000 kW ×7.68 kg/(kW· h)×99.7%=3.1萬t;有害物質排放169艘 ×24 h×1 000 kW ×23 g/(kW· h)=93.3 t。每年總計:CO2排放2 499.7 t×365=91.24萬t,折合標準煤91.24/2.493=36.6萬t;廢氣排放總量 3.1 t×365=113 1.5萬 t;有害物質排放93.3 t×365=3.38 萬 t。

統計分析,在優先使用水電、風電、核電等綠色電力的情況下,本岸電技術成果若推廣應用至上海港所有到港的大型船舶,每年將減少有害物質排放3.38萬t,減少 CO291.24萬 t,節約36.6萬 t標準煤,可以大大緩解船舶在港期間對港區、上海市區大氣環境的影響,有效改善區域環境。

7 結語

移動式岸基船用變頻變壓電源裝備研制與應用是一項復雜的系統工程,特別是其生態效益倍受國際國內環境組織、政府部門關注,船舶靠泊碼頭時使用岸電必將成為未來發展的趨勢。首套裝備投入試運行成功后,上海港將不斷總結經驗,提升創新技術,尋找港口與船公司的合作模式,尋找相關部門的政策支持,爭取更大規模的推廣應用。

[1]Miltion Korn P E,Michael Martin P E,Peter Wallace,et al.A maritime contribution to our environment[J].Transactions,2006,114.

[2]Navigation and Environment Committee of the American Association of Port Authorities(AAPA).Draft use of shore-side power for ocean-going vessels white paper[EB/OL].www.westcoastdiesel.org/files/sector-marine/AAPA-shorepower-050107.pdf.

[3]包起帆,黃細霞,葛中雄,等.上海港口外高橋六期碼頭岸電試點項目方案論證[J].港口科技,2009(12):6-11,14.

[4]上海國際港務(集團)股份有限公司.2009年上海國際港務集團統計年鑒[M].上海:上海國際港務(集團)股份有限公司,2009.