港口船舶岸基供電技術方案淺析

王濤 陳何

上海市節能減排中心有限公司

0 引言

船舶岸基供電技術（以下簡稱“岸電技術”）是指船舶在港口靠泊期間關閉主機、輔機等動力設備，轉而使用靠泊碼頭岸基專用電力設備供電，以維持船舶靠泊期間日常運作，減少污染物排放的一項節能減排技術。從“十二五”起，交通運輸部將“推廣靠港船舶使用岸電”作為節能減排領域“十大重點工程”之一予以推廣應用。隨著近年來全國各港口對船舶岸基供電項目的不斷推進，岸基供電已在部分試點項目中得到應用，但是在實際運行中仍存在著不少問題和困難。在對國內外岸電技術發展概況進行梳理的基礎上，分析岸電技術方案的經濟效益和社會效益，為進一步推廣港口岸電技術提供支撐。

1 國內外岸基供電發展歷程

1.1 國外岸基供電發展概況

歐洲各國從上世紀80年代末開始運用岸基供電技術，根據其供電電壓的高低劃分和是否具有變頻功能，歷經低壓供電、高壓供電以及高壓變頻供電3個階段。

1.1.1 低壓供電階段

該階段的標志是1989年瑞典哥德堡港Stena Line公司首次成功運用岸電系統。當時采用的是400V、50Hz低壓連接系統，其供電結構見圖1。由于船舶用電設備大多僅需低壓供電，因此低壓岸電系統具有能與船舶用電設備直接連接的優點，但其也有操作復雜（在保證同樣的電力容量下，低壓岸電系統需要9根電纜，而高壓岸電系統僅需1～2根電纜，因此使連接操作更為復雜）、供電效率低的缺點。

圖1 低壓岸電供電結構示意圖

1.1.2 高壓供電階段

2000年，瑞典哥德堡港成功建成了全球第一個高壓岸電系統。該系統將6kV～20kV的高壓電輸送到船上，再通過船舶甲板上的變壓器將其降壓至400V，以滿足靠泊時的電力需求。該系統主要供電對象是渡船，供電結構示意圖見圖2。

圖2 高壓岸電供電結構示意圖

高壓岸電技術解決了供電效率低、操作復雜的問題，使岸電技術在一定程度上得到了廣泛的應用。但該技術仍存在運用局限性。主要原因是船舶用電頻率和港口供電頻率有差異。目前大部分歐洲和亞洲國家電網頻率主要為50Hz，而越來越多的船舶已采用60Hz的頻率。因此當岸基使用50Hz的電力時，就無法為需求60Hz電力的船舶供電。

1.1.3 高壓變頻供電階段

電子電力技術不斷發展，高壓條件下實現平穩變頻的技術也得到了提升。2008年，比利時安特衛普港在SAMElectronics的支持下建設了全球首個高壓變頻岸電系統，該系統可以同時提供50Hz/60Hz的電力，其供電結構示意圖見圖3。

圖3 高壓變頻岸電提供60Hz電力時的供電結構示意圖

此后，哥德堡港、于斯塔德港、鹿特丹港等國際化大港口，以及意大利Finacantieri船廠和新加坡裕廊等船廠都陸續安裝了高壓變頻岸電系統。從總體看，目前運用高壓變頻岸電技術的港口仍然不多，一方面高壓變頻岸電系統成本較高（其核心組件變頻器成本高），另一方面在船舶負荷集聚變化的情況下，電力質量會受到一定影響。表1列舉了國際上知名港口的高壓岸電使用情況。

表1 國外主要港口高壓岸電使用情況

1.2 國內岸基供電發展概況

國內港口的船舶岸電技術研究尚處于起步階段，2009年以來國內已有多個港口建立船用岸電試點工程。2009年，青島港招商局國際集裝箱碼頭有限公司首先完成了5 000t級內貿支線集裝箱碼頭船舶岸電改造，該系統僅針對內河船只，相對應用面較窄；2010年，上海港外高橋二期集裝箱碼頭運行移動式岸基船用變頻變壓供電系統，其主要是針對集裝箱船舶；同年，連云港首次將高壓船用岸電系統應用于“中韓之星”郵輪；2011年和2012年，招商國際蛇口集裝箱碼頭先后安裝了低壓岸電系統與高壓岸電系統。目前，福建港、寧波港、天津港等國內一些港口碼頭也正在積極進行船舶岸電系統的建設和試驗。

2 船舶用電情況分析

2.1 船舶用電負荷

船舶用電負荷與船舶類型有直接聯系，船舶類型不同，船上的主要電氣設備也存在差異，主要可分為以下幾類：

（1）動力裝置用輔機：滑油泵、海水冷卻泵、淡水泵、鼓風機等。

（2）甲板機械：錨機、絞纜機、舵機、起貨機、舷梯機和啟艇機等。

（3）艙室輔機：生活水泵、消防泵、艙底泵以及輔助鍋爐服務的輔機等。

（4）機修機械：車床、鉆床、電焊機、盤車機等。

（5）冷藏通風：空調裝置、伙食冷庫等用的輔機和通風機等。

（6）廚房設備：電灶、電烤爐等廚房機械用輔機和電茶爐等。

（7）照明設備：機艙照明、住艙照明、甲板照明等照明設備，還包括航行燈、信號燈以及電風扇等。不同類型船舶靠泊期間的平均用電負荷詳見表2。

表2 各種類型船舶在泊位平均功率要求

洛杉磯港靠港集裝箱船平均功率需求為1 MW～4MW，最大功率需求達到7．5MW。我國大型碼頭掛靠的集裝箱船舶大于洛杉磯港，靠港集裝箱船的功率需求應該大于洛杉磯港。在港期間，一艘滾裝船所需要使用的電力平均為5 000kWh～20 000kWh，平均停泊時間相對較短，每次約10h。

2.2 船舶用電特性

目前在全球220個國家和地區中，大多數國家使用50Hz電力，僅有43個國家和地區用電頻率為60Hz（其中日本部分地區用電頻率為60Hz）。其中與航運關系密切的主要國家和地區有美國、日本、韓國、巴西、加拿大、墨西哥、菲律賓和我國臺灣。大多數國際航線航行船用電力頻率為60Hz，應用50Hz電力的國家或地區，內部運輸船用電力為50Hz。集裝箱船用電電壓有380V、400V、440V、450V、6 600V等規格，其中國家或地區內部運輸船用通常采用較低電壓。2001年之后新建造的大型船開始使用6 600V電力，目前制造的航行國際航線船舶較多使用6 600V電力。

3 岸基供電技術方案分析

大型集裝箱船舶的岸電箱較多配置以6．6kV/60Hz電源，然而我國電網一般采用50Hz交流電源，需完成50Hz電源向60Hz高壓電源的轉化，才能滿足現代化大型集裝箱船舶的用電需要。本文重點針對集裝箱船舶采取“高-低-高”變頻供電方案進行比選分析。

3.1 技術方案介紹

“高-低-高”變頻供電方案初始電源（岸基電源）為6kV/50Hz或10kV/50Hz的交流電，通過降壓變壓器把初始電源降壓至380V/50Hz或690V/50Hz，再由低壓變頻器將其轉換為440V/60Hz的交流電，完成變頻過程。隨后，440V/60Hz電源通過升壓變壓器換為6．6kV/60Hz或11kV/60Hz的電源，經碼頭岸電箱、船舶岸電箱（船舶岸電配電板）后，供船使用。高壓變頻岸基供電系統主要包括以下三部分：岸上供電系統、電纜連接設備和船舶受電系統(見圖4)。

3.2 技術可行性分析

圖4 高壓變頻供電系統示意圖

從變頻技術上看，“高-低-高”方案實際上是一種低壓變頻技術，其關鍵設備（元件）為低壓IGBT器件。該方案具有技術成熟、可靠性強、投資相對低的優點，適用于中小負荷（一般在1MVA～8MVA之間）的船舶，如集裝箱船、滾裝船、散貨船等，是當前國內外集裝箱碼頭岸基供電的首選方案。高壓變頻岸電技術及相關設備制造技術在國內外均已相當成熟。國際上可提供“高-低-高”岸基供電技術解決方案的公司主要有ABB、西門子、GE、施耐德、SAM等，其中最高單臺岸基供電系統容量可達到4MW；國內可提供“高-低-高”岸電技術解決方案的有電動工具研究所（成功案例有長興重工5MW移動式岸電系統）等，國電南自、國電南瑞企業等也均有提供岸電技術解決方案的實力，但目前尚缺乏實際案例。從產品提供方來看，低壓逆變器、整流器、饋電柜、開關柜、變壓器、濾波器等電子設備的產品制造商、供應商不勝枚舉，完全能夠滿足岸電對設備的相關要求。

3.3 經濟效益分析

目前，船舶上配備的發電機組基本上都是柴油發電機組，品牌主要有芬蘭瓦錫蘭、德國MTU、日本雅馬、日本大發、美國康明斯等，柴油發電機的燃油消耗率一般為200g/kWh～230g/kWh。根據IMO（國際海事組織）發布的《2012年船舶能效設計指數計算導則》，遠洋船舶輔機發電在額定工況下的燃油消耗率取215g/kWh。

船舶靠港時，柴油發電機會在部分負荷下運行，功率一般為額定功率的30%～40%，此狀態下柴油發電機的燃油消耗率比額定工況下增加約5%，則船舶在靠泊期間的燃油消耗率為226g/kWh。由于船上發電機全部為同步發電機組，其效率一般為90%，遠洋船舶柴油發電機組的柴油消耗率為251g/kWh。據此，在美元對人民幣的匯率為1:6．5的情況下，船東采用岸電與否完全取決于岸電服務費和低硫油成本的關系，詳見圖5。在無政府干預的情況下，當岸電服務費與低硫油成本處于黑線時，采用岸電和采用低硫油的成本是相同的，船東選擇岸電或低硫油的概率相同；在黑線上方，即藍色區域時，船東將采用成本更低的低硫油；在黑線下方即黃色區域時，船東將采用成本更低的岸電。

圖5 岸電和低硫油的成本關系圖

此外，根據《上海港靠泊國際航行船舶岸基供電試點工作方案》，港口的岸電服務費與國際船用燃油的價格相掛鉤，見表3。

表3 政府規定的岸電服務費

按目前的油價為350美元進行測算，岸電服務費應收取0．5元/kWh。

3.4 社會效益分析

根據鹿特丹港Euromax碼頭對來往船舶開展的污染物排放調查結論，船用輕柴油（低硫油）和（高硫油）所產生的NOx、PM10、SO2的排放情況詳見表4。

表4 船舶輔機使用不同燃油的污染物排放情況

根據遠洋船舶靠港期間柴油發電機組的燃油消耗率251g/kWh進行測算，靠港期間船舶柴油發電機組的CO2排放量為8tCO2/萬kWh。

靠港遠洋船舶使用岸電替代燃油輔機發電，在節約能源、控制溫室排放和減少空氣污染物排放等方面的效果顯著(見表5)，表中“+”、“-”分別表示增加或減少。

美國西雅圖港2005年CO2排放來源分析結果表明，運輸船舶靠港發電機發電、運輸船舶港內運行以及港作船舶運作排放的CO2分別占全港CO2排放的35%、4%和5%。洛杉磯在實施船舶岸電計劃后，NOx、SOx和PM10的排放量平均減少了95%。

船舶岸電的社會效益主要體現在港口全面推廣岸電技術之后，將基本消除船舶靠港期間有害氣體排放的問題，還可消除輔機發電機組運行產生的噪音污染，這不僅是適應現代港口繁重的運營需要、促進港口環保減排的關鍵技術，也是提升港口競爭力和建設“綠色環保型港口”的重要舉措，具有重大社會效益。

4 結論與建議

從技術角度而言，我國已攻克了國際航行船舶由于供電制式不同等問題，并已有較多岸電應用成功的案例，但岸電在港口安裝后并沒有得到有效使用。其中原因為缺少政府強有力的節能減排強制措施和經濟上的扶持政策，雖然使用岸電費用較燃油費用低，但船東因船舶一次性安裝岸電設備投入高，大部分港口尚未施行強制減排措施，以及港口在岸電安裝后，即使沒有船舶使用也要向供電商定期購買配電容量，增加了港口企業的經營負擔，導致岸電的使用被迫擱淺。

表5

隨著船舶排放控制政策的進一步施行，航運市場的盈利狀況如果在此期間仍未好轉，燃油價格進一步攀升，船東們未來將面臨更嚴峻的市場，仍需承擔更重的社會責任。為此，政府部門應加快出臺相關激勵政策和配套措施，一方面在國內加強低硫燃油的生產和供應，另一方面積極研究資金引導方案，對港口岸電、船舶改造升級等節能減排措施給予一定經濟扶持，提高船東和港口雙方的減排積極性。