適用于內河船舶的岸電供電系統研究

劉震宇，朱思穎，糜長軍，黃 堃，董海濤

(1.無錫市航道管理處，江蘇 無錫 214023；2.江蘇蘇科暢聯科技有限公司，江蘇 南京 210017；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

適用于內河船舶的岸電供電系統研究

劉震宇1，朱思穎2，糜長軍2，黃 堃3，董海濤2

(1.無錫市航道管理處，江蘇 無錫 214023；2.江蘇蘇科暢聯科技有限公司，江蘇 南京 210017；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

船舶在靠港期間開啟船舶發動機發電，引發港口污染的問題已經引起了廣泛的關注。現有的岸電技術主要針對大型海港碼頭的遠洋船舶提供岸邊電源，在內河航道上仍然處于一片空白。圍繞著無錫新安水上服務區建設的內河船舶岸電系統，詳細闡述了設備構成、通信傳輸方式、電力供應方式等，并分析了系統的經濟效益、社會效益，以及應用和推廣過程中存在的問題。研究表明：內河岸電供電系統作為社會公益性的服務舉措，提供安全潔凈的能源，改善內河船戶的生活質量，提升內河航道空氣質量，對于建設綠色航道有著重要意義。

航道工程；內河航道；岸電；供電系統

0 引 言

水路運輸作為傳統的交通運輸方式，對生態環境的影響極大。根據國際海事組織(IMO)的數據顯示，全世界以柴油為動力的各類艦船每年向大氣排放1 000萬噸氮氧化物和850萬噸硫氧化物。船舶在靠港期間，需要開啟船舶發電機燃油發電的方式，因此給港口城市帶來了集中式的大氣污染，成為了航運污染治理的重中之重[1-2]。

港口岸電即是指讓靠泊船只關閉船舶自備發電機，轉而使用港口方提供的清潔能源向主要船載系統供電的技術。相較于傳統的柴油發電方式，岸電可以有效緩解港口碼頭的污染，減少船舶停靠期間氮氧化物與硫化物的排放，對節能減排起著積極的促進作用[3-4]。

船舶岸電系統最早應用于瑞典堡哥德堡港，用于對大型滾裝輪渡供電。隨著技術的普及，截止到2008年，美國國內就已經有洛杉磯港等6個港口建設并使用船舶供岸電系統。國外船舶岸電技術應用范圍也快速擴大，其安裝范圍也由最初的滾裝、油輪碼頭擴大到集裝箱和油碼頭等[5-7]。

我國港口船舶岸電技術尚處于起步研究階段。2009年，青島港招商局成功完成了一艘5 000 t級支線集裝箱船舶供岸電的改造，是我國船舶岸電技術方面的首次嘗試。隨后，國內多家科研單位繼續開展研究，現已經在天津港等大型港口安裝上國內自研的岸電系統[8-10]。

現有的岸電技術有明顯的局限性，即主要針對于海港碼頭等大型遠洋貨輪進行供配電。而對內河航道小型船舶在靠港停泊期間的供配電上，研究甚少[11]。筆者研究基礎為江蘇省交通運輸廳2014年科研項目——內河船舶岸電供電系統研究項目，以無錫市新安水上服務區為依托，進行內河航道船舶岸電供電系統的研究。

1 需求分析

為了解船戶實際需求，使系統功能與市場需求相貼合，課題組進行了用戶調研。其中走訪了無錫市新安水上服務區、宜興水上服務區及江陰船閘(全部為京杭運河蘇南段)，對船戶及相關現場工作人員進行調研，調研過程中發放問卷37份，回收有效問卷23份。調研后對數據表格匯總整理后得出如下結果：

1) 船舶一般配置1～3臺的柴油輔助發電機，備用電瓶容量在200 AH。在靠岸過程中，戶主會開啟輔助電機燃油供生活用電，尤其在夏季高溫天氣開啟頻繁，電力需求量大。

2) 所有船戶電力需求類型為普通生活用電。約83%的船戶更希望岸電直接提供220 V/50 Hz的家用電，不愿意接入380 V電力再由船用變電箱轉為220 V使用。

3) 所調研船戶中，已有電器總功率最大可達8.5 kW，最少為1 kW。

4) 約76%的船戶可以接受夏季岸電價格≯2 元/kWh。

2 系統架構

在實現系統內容的基礎上，系統應為服務者提供如圖1的操作流程。在本次流程設計中，考慮到用戶使用的流暢性，集成入了刷卡裝置，即通過刷卡操作完成取用電。

圖1 系統操作流程Fig.1 Operation flow of the system

結合用戶需求調研，確定岸電系統輸出電制以220 V/50 Hz的家庭用電為主，380 V三相岸電樁供電為輔。而在功率上，結合調研數據，并考慮到遠期的需求擴展，對于220 V電力輸出接口提供最大負載10 kW，380 V電力輸出接口提供最大負載20 kW。

根據標準，內河船舶寬度不得超過10 m。考慮到系統建設成本以及從岸電樁到船舶的線纜距離，岸電樁按照“一帶二”的供電方式，即一個岸電樁可以同時對兩艘船舶進行供配電。同時，系統內設置專門的配電柜，以供后期調試使用。搭建的系統電力拓撲見圖2。通信結構內設置了一個以太網集線器，對所有岸電樁的通信信號收集后放大，傳輸給后臺。岸電樁之間擬采用CAN口通信的方式，在室外通信線路的選擇上，項目組全部采用RS485屏蔽4芯信號線進行通信傳輸。通信系統拓撲如圖3。

圖2 系統電力拓撲Fig.2 Power network topology

圖3 系統通信拓撲Fig.3 Communication network topology

3 岸電樁體研究

岸電樁作為系統內核心設備，直接面對船舶進行供配電。

3.1 岸電樁內部電路

根據需求，單相電采用220 V單相直接上船的方式，則岸電樁本身內部一級電氣結構設計如圖4，圖中Wh1與Wh2為電能表，用于統計電量；QF1、QF2、QF1、QF2為斷路器；KM1、KM2為接觸器；EMC為濾波模塊；BLQ為強電防雷模塊。

圖4 單相電氣結構Fig.4 Single phase electric circuit diagram

1) 斷路器是用于實現對整體電路的保護。在系統發生故障時能與保護裝置和自動裝置相配合，迅速切斷故障電流，從而保證系統安全運行。

2) 電表是對兩個接口的用電情況進行監測，計算每個接口消耗電能，并將數據定時發送至后臺。

3) 接觸器則是與刷卡裝置聯通。用戶通過刷卡次數控制接觸器，實現電路開或者閉，并聯動電能表開始計費與停止計費。

4) EMC濾波模塊是對輸送電流的波形進行整合過濾，去除雜波，以接入整體控制信號模塊(即二級回路)。設置濾波模塊的目的是減少雜波對控制精密元件的影響。

5) 強電防雷模塊在一個箱體中只設有一個，掛在總線上。信號防雷模塊則與控制模塊一起進行集成，不再在強電回路中體現。

除此之外，電路整體還設有其他保護措施。如防止傾倒元件(QD)、防止電路浸水元件(SJ)以及手動緊急停止控制按鈕(TA)。這3種急停控制元件串聯，搭建的二級保護電路如圖5，一旦出現了其中一種突發情況，系統立刻緊急斷電，以保證電力供應安全。

圖5 二級保護電路Fig.5 Secondary protective circuit

與單相電氣結構相似，三相電也采用同樣的“一進兩出”電氣邏輯結構。其內部原理如圖6，圖6中，TA1、TA2為電流互感器，TV1、TV2為電壓互感器。用于配合電表實現電量的精確統計。

圖6 三相電內部電氣結構Fig.6 Three-phase electric circuit diagram

3.2 岸電樁進出電纜規格計算

根據前期參數確認，單相岸電樁單口輸出額定功率為10 kW，三相岸電樁單口輸出額定功率可達20 kW。根據以上數據進行計算從場區變電箱至岸邊樁體供電電纜規格。

電纜規格的選取以計算電流為指標，計算公式如下：

Ijs=Pe×Kx/(Ue×cosφ)

(1)

式中：Ijs為計算電流，計算負荷在額定電壓下的電流；Pe為設備容量；Kx為需求系數；Ue為電壓；cosφ為功率因數值。

以下對單相與三相岸電樁進線電流進行計算如下。

1) 單相岸電樁

單相岸電樁輸出額定功率應達到20 kW。即

Pe=20 kW

需求系數取0.8，則計算負荷：

Pjs=Pe×Kx=16 kW

對于單相岸電樁，箱體進線仍然是380 V三相電，Ue取線電流，即

則根據計算電流公式式(1)，如果岸電箱內部不存在功率損耗，則單相岸電樁輸入電纜計算電流至少應達到：

2) 三相岸電樁

而對于三相岸電樁輸出額定功率應達到40 kW。即

Pe=40 kW

需求系數取0.8，則計算負荷

Pjs=Pe×Kx=32 kW

Ue在三相電情況下，取線電流，即

則根據計算電流公式式(1)，如果岸電箱內部不存在功率損耗，則三相岸電樁輸入電纜計算電流至少應達到：

3.3 配套基礎研究

由于岸電樁布置在碼頭岸邊，所受力主要為風力與船-岸連接電纜的拉扯力。出于安全的考慮，基礎采用水泥混凝土澆筑，并通過內置鋼筋籠與地腳螺栓提高基礎安全性。

岸電樁基礎接地圖紙見圖7，對基礎設計參數如下：

1) 岸電樁基礎為長方體，每個岸電樁基礎旁配置有一個手井。

2) 基礎采用C30商品混凝土一次澆筑。

3) 混凝土基礎高出地面200 mm，地腳螺栓高于基礎上平面30 mm。

4) 基礎內部鋼筋籠采用φ12螺紋鋼筋，采用細鐵絲綁扎成形，綁扎間距為10 cm。綁扎完成后放入模內一次澆筑成型。

5) 接地體、接地線、螺栓等金屬物件必須鍍鋅，焊接處應涂防銹油漆。

6) 接地母線為鍍鋅扁鋼，沿基礎外側打入地下。接地扁鋼上端與地腳螺栓焊接。在施工過程中使用接地搖表進行實時測量，務必使整體接地電阻在4 Ω以下。

圖7 岸電樁基礎接地圖紙Fig.7 Cement base drawings of shore power pile

4 效益分析

4.1 環境效益

內河港口岸電供電系統建設的意義最主要體現在對港口環境的保護作用上。用岸電供電代替船舶自帶柴油發電機供電能夠有效減少顆粒物、二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放，從而減少對港口城市的空氣污染。

根據GB 20891—2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》中規定，自2015年10月1日起，所有非道路移動機械用柴油機，其排放污染物必須滿足表1的標準。

表1 非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值Table 1 Emission limits of diesel engine exhaust pollutants for non road moving machinery g/kWh

在內河船舶靠港期間，一般采用10～15 kW的輔助發電機發電。以無錫新安服務區進行計算。新安服務區共計24個船舶停靠位，安裝岸電系統后，可同時對24條船舶進行岸電供電。

假定每臺船舶輔機額定功率12 kW，每艘船舶每天開啟輔機3 h，新安服務區滿位率80%，一年365 d計算。

最大CO排放量為

5.5×12×3×24×0.8×365=1.39 (t)

最大排放量為

4.7×12×3×24×0.8×365=1.18 (t)

最大PM排放量為

0.025×12×3×24×0.8×365=6.31 (kg)

如果強制要求所有停靠在新安服務區的船舶使用岸電，則每年新安服務區一年最多將避免1.39 t一氧化碳，1.18 t氮氧化物，6.31 kg的PM可吸入顆粒污染。由此可見，如果能夠擴大內河岸電系統應用范圍，在內河水系形成規模化的船舶岸電供電網絡，將對提升內河航道空氣質量，構建綠色低碳的生態航道提供極大的助益。

4.2 經濟效益

在實際調研期間，了解到內河船舶一般配置的輔助柴油發電機出場時標注的油耗率在200～250 g/kWh。

在船戶靠岸期間電器負載平均每小時可達到4 kW(1臺柜式空調3 kW，1臺電磁爐2 kW，1臺電熱水壺1.8 kW，按照0.6的利用系數，取4 kW)，即單個船戶1小時用電4 kWh。

則如果采用柴油發電，按照常規使用的發電機油耗率220 g/kWh進行計算，市面上0號柴油密度為0.84 g/ml，船舶每小時耗油量為0.22×4/0.84=1.05 (L)。按照2015年12月底實時柴油價格(約6 元/L)進行計算，每小時柴油發電成本為1.05×6=6.3(元)。

按照江蘇省2015年銷售電價，大工業用電價格不超過1 元/kWh。如果服務區按照船戶普遍可接受的2 元/kWh進行供電，則對于船戶而言，用電成本為2×4=8(元)，對于船戶而言成本并不會有所降低。

以上數據均是基于理論計算，未考慮到發電機長期使用后因磨損增加的額外油耗、遠期用電需求的增減等因素。如果僅考慮經濟因素，則船戶用電行為受市場規律的影響，如果無強制使用規定或政府額外津貼，很難保證岸電使用率。而對于建設方，就遠期成本回收而言，所需周期也將比較漫長。所以整體項目仍然為公益性項目，且社會效益大于經濟效益。

4.3 社會效益

在服務區建設內河岸電供電系統，是一項帶有社會公益性的服務性舉措。其社會效益主要體現在以下幾個方面。

1) 其最主要的效益體現在對港口環境的改善上。用岸電供電代替船舶自帶柴油發電機供電能夠有效減少顆粒物、二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放，對改善內河航道環境有重大作用。

2) 為船戶提供安全、潔凈的能源，降低其用電風險。

3) 如果遠期將系統進行推廣，在內河航道上形成岸電供電網絡，將顯著改變船戶生活方式。原先船戶在內河航行過程中，由于用電困難，極力簡化生活方式，節省行船開銷。在岸電形成網絡化供應時，船戶的用電需求也會增長，內河船戶生活質量將有所提高。

5 問題探討

1) 岸電供應價格的制定

岸電價格制定是在系統建設完成后，投入運營前必須要面對的問題。而關于電價的相關規定與政策方面，國家及省級尚未頒布針對內河航道岸電電力的價格指導文件。現有的相關的文件，如《對十二屆全國人大一次會議第6217號建議的答復》(發改建議[2013]613號)則針對大型海港船舶岸電技術計量及收費規則的建議。文件中明確“船用岸電是市場化行為，屬于港口對停靠船舶提供的增值服務，考慮到各個港口所屬地區經濟發展水平及價格因素，其供電收費規則可由港口根據供電成本自行核定，并向船舶公示，由船舶自愿選擇。用電計量規則應符合國家相關標準和規定。”

在價格制定方面，也亟需相關政府部門出臺相關的政策與法規，為系統的普及打下基礎。

2) 標準化的工作的進行

在國內現有的關于岸電供電技術的規范中，已有個別規范，如JTS 155—2012《碼頭船舶岸電設施建設技術規范》，主要適用于新建、擴建和改建的集裝箱碼頭、干散貨碼頭、游輪碼頭和客滾船碼頭船舶岸電設施建設。迄今為止，還沒有專門針對于內河船舶靠港用電的技術規范。如果內河岸電建設不能形成統一標準，對后期內河岸電網絡的搭建將形成阻力。而技術及插座接口不能做到標準一致，對于船舶而言，岸電樁的便利性能無法得到體現，從而降低了岸電供電技術的應用價值[12]。

3) 省級岸電監管平臺的建設

省級岸電監管平臺的建設是對岸電系統的補充與管理。從長遠來看，隨著岸電系統的不斷建設，內河岸電供電網絡體系的也逐漸形成，從上層對岸電供電資源進行整合與監管則是順應管理需求的。該平臺的建設將為岸電系統點對點的信息交互，減少岸電接口的空置率，依托于航線形成電力資源供應鏈提供了可能。同時，在出現突發事件時，可以及時調動平臺資源，采取可靠的應急處置措施。

6 結 語

對于內河船舶岸電供電系統而言，其社會效益遠大于其經濟效益。遠期如果能夠在內河沿線形成岸電系統建設點的廣泛建設，形成岸電供應網絡，則可以顯著改善內河船戶的生活質量，也降低了內河沿線的碳排放，對于建設綠色航道有著重要意義。

[1] 紀瀟，王鑫.60 Hz岸電電源電壓自動調整技術研究[J].能源與節能，2014(4)：166-168.

JI Xiao，WANG Xin.Research on automatic voltage regulation technology of 60 Hz electronic static shore power supply[J].EnergyandEnergyConservation，2014(4)：166-168.

[2] 苗鳳娟.防治到港船舶污染的岸電技術研究[D].上海：上海海事大學，2010：4-23.

MIAO Fengjuan.ShorePowerTechnologyResearchonthePreventionandControlofPollutionfromShipsintheHarbor[D].Shanghai：Shanghai Maritime University，2010：4-23.

[3] 李輝.京杭運河宿遷段水上服務區規劃研究[D].南京：東南大學，2005：10-31.

LI Hui.StudyontheWaterServiceAreaPlanningofSuqianSectionofBeijing-HangzhouCanal[D].Nanjing：Southeast University，2005：10-31.

[4] 李建科，王金全，金偉一，等.船舶岸電系統研究綜述[J].船電技術，2010，30(10)：12-15.

LI Jianke，WANG Jinquan，JIN Weiyi，et al.A review of shore power system[J].MarineElectric&ElectronicTechnology，2010，30 (10)：12-15.

[5] 李慶祥.船舶接岸電技術在港口的應用和探討[J].交通信息與安全，2009，27(3)：69-71.

LI Qingxiang.Application and discussion of ship grounding power technology in port[J].TrafficInformationandSecurity，2009，27(3)：69-71.

[6] 李瑞通.船用柴油機排放污染物的控制[J].天津航海，2001(1)：15-16.

LI Ruitong.Emission control of marine diesel engine[J].SailinginTianjin，2001(1)：15-16.

[7] 許宏綱，唐慧.到港船舶接用岸電技術的應用[J].交通信息與安全，2009，27(3)：72-74，77.

XU Honggang，TANG Hui.Application of shore power technology to port ships[J].TrafficInformationandSecurity，2009，27(3)：72-74，77.

[8] 黃細霞，包起帆，葛中雄，等.典型港口岸電比較及對中國港口岸電的啟示[J].交通節能與環保，2009(4)：2-5.

HUANG Xixia，BAO Qifan，GE Zhongxiong，et al.Comparison of typical port shore power and its enlightenment to china’s port shore power[J].TransportEnergyConservationandEnvironmentalProtection，2009(4)：2-5.

[9] 袁慶林，黃細霞，張海龍.港口船舶岸電供電技術的研究與應用[J].上海造船，2010(2)：35-37，48.

YUAN Qinglin，HUANG Xixia，ZHANG Hailong.Research and application of power supply technology of port ship[J].ShanghaiShipbuilding，2010(2)：35-37，48.

[10] 盧明超，劉汝梅，石強，等.國、內外港口船舶岸電技術的發展和應用現狀[J].港工技術，2012，49(3)：41-44.

LU Mingchao，LIU Rumei，SHI Qiang，et al.Development and application of technology for shore power supply for vessels in port in china and abroad[J].PortEngineeringTechnology，2012，49(3)：41-44.

[11] 楊海榮，卞華，姜曄.內河水上服務區功能與布局形式研究[J].現代交通技術，2008，5(3)：86-90.

YANG Hairong，BIAN Hua，JIANG Ye.Study on functions and lay out of inland river-way service centre[J].ModernTransportationTechnology，2008，5(3)：86-90.

[12] 袁塵因.航道服務區若干重要問題的探索[J].現代交通技術，2009，6(3)：95-98.

YUAN Chenyin.Research on problems in waterway service district[J].ModernTransportationTechnology，2009，6(3)：95-98.

(責任編輯：譚緒凱)

Shore Power Supply System Adapt to Inland Waterway Boats

LIU Zhenyu1，ZHU Siying2，MI Changjun2，HUANG Kun3，DONG Haitao2

(1.Wuxi Channel Management Branch，Wuxi 214023，Jiangsu，P. R. China；2.Jiangsu Union of Science and Technology Co. Ltd.，Nanjing 210017，Jiangsu，P. R. China；3.Nari Technology Development Limited Company，Nanjing 211106，Jiangsu，P. R. China)

The problem of port pollution caused by ships which start ship engines to generate electricity during the berth time at port has attracted widespread attention.However，the current shore power technology mainly provides power for the ocean-going ships，which has nothing to do with inland waterway.The equipment composition，transmission mode of communication，power supply mode and some other aspects of shore power system for inland ships which locates at Xin’an river-way service center in Wuxi were elaborated.And the economic and social benefits of the system were analyzed，and the problems in the application and promotion process of the system were also discussed.The research shows that：the shore power system for inland ships，as a social public welfare service initiative，can provide safe and clean energy，improve the quality of boatmen’s daily life as well as improve the air quality of inland waterway，which is of great significance for the construction of green waterway.

waterway engineering；inland waterway；shore power；electronic system

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.12

2016-01-01；

2016-12-11

劉震宇(1970—)，男，江蘇無錫人，高級工程師，主要從事航道水運管理方面的研究。E-mail：Wxgz101@163.com。

U653.95

A

1674-0696(2017)08-063-07