自動化集裝箱碼頭綠色能源綜合應用分析

張嘉昭，黃花葉，田宇，祖巧紅，馬楓

（1.武漢理工大學交通與物流工程學院，湖北 武漢 430063;2.上海國際港務（集團）股份有限公司，上海 201208）

海洋港口作為國際貿易與海洋開發的戰略要地和關鍵樞紐，具有十分重要的戰略意義。由于港口能源消耗量巨大，是交通領域大氣污染的主要來源地之一。因此，在保障港口作業效率的前提下，降低溫室氣體排放和提高能源效率迫在眉睫。

目前，國內外對港口節能減排十分重視，我國低碳港口建設尚處于起步階段。耿鑫等通過在青島港修建太陽能照明裝飾并在碼頭樓層頂部安裝太陽能光伏發電系統，達到節能減排的目的。門志勇等對大連港船舶岸電系統進行設計研究，提高港口節能減排及經濟效益。岳瑩等考慮分布式風能在港口應用，將綠色電能供應港口生產使用，通過綜合分布式能源多能互補，實現港口節能減排。

國外港口在綠色能源使用方面已有比較成熟的成果。港口擁有優良的光能和風能應用條件，阿姆斯特丹、東京等多個港口采用了光伏能源；圣地亞哥、舊金山等港口建設有風力發電機，而鹿特丹港、安特衛普港等每年購入大量風電能源。此外，港口可以利用可再生燃料和生物質發電。生物燃料與其他化石燃料混合，可以降低溫室氣體排放。若2025年實現30%的生物燃料與柴油混合，貨物搬運設備的二氧化碳排放量能下降30%。

與國外港口綠色能源使用情況相比，我國港口在提高綠色能源使用率方面有較大空間。目前研究多采取特定形式減少港口碳排放量，沒有對碼頭設備作業運行以及能源使用進行耦合研究。本文將各種綠色能源的港口應用場景結合，設計碼頭設備智能運行與綠色能源整體交互的流程，從而充分釋放港口減排潛力，助力低碳零碳港口建設。

1 碼頭用能設備及能源技術特色分析

上海港洋山四期自動化碼頭的出口箱作業流程如圖1所示，集卡（含有人駕駛和無人駕駛）通過東海大橋到達碼頭堆場，由堆場內部自動化場橋將集裝箱從集卡卸下并堆垛到堆場上。出口箱出堆場時，由自動化場橋將集裝箱從堆場裝卸搬運到AGV 上，AGV 水平運輸行駛至雙小車岸橋下，由碼頭海測的雙小車岸橋將集裝箱從AGV 上裝卸至集裝箱班輪上。進口箱作業流程與出口箱作業流程相反。

圖1 出口箱作業流程

根據以上流程，梳理了集裝箱作業的用能設備，包括集卡（含有人和無人）、AGV、場橋和岸橋，以及協助集裝箱班輪靠離泊的拖輪。通過現場調研、文獻查閱等手段，梳理了上述設備的作業特點、供能方式，以及上海港洋山四期目前所采用的能源形式，如表1所示。

表1 用能設備分析

如表1所示，上海港洋山四期目前所使用的能源多為化石燃料產生的電能；只有少數設備如集卡、拖輪采用了“油改氣”技術；風、光等綠色能源使用率較低?？紤]氫能、風能、光伏等綠色能源，與上海港洋山四期目前使用的傳統電能以及LNG 進行比對，分析各種能源的形式特點、能源儲存、排放、成本情況，具體如表2所示。氫能、風能、光伏和LNG 的排放對于傳統電能有明顯優勢，因此本文考慮盡可能地使用新型綠色能源代替傳統能源。

表2 能源技術特色分析

2 碼頭設備綠色能源綜合應用分析

為了港口多種分布式能源的接入，考慮港口微電網的應用，其結構如圖2所示。微電網是港口內的小型發電和配電系統，其目的是實現分布式電源的靈活高效應用，解決并網問題。微電網的發展與拓展，為消費者提供各種能源的高度可靠供給。

圖2 分布式微電網結構[8]

風能和光能以分布式電能的形式接入微電網；氫能以氫燃料電池的形式接入，與主配電網上的傳統電能一起，通過調配中心以及AC/DC 轉化器的控制，為港口設備提高電負荷。

在分布式微電網的基礎上，考慮各種碼頭作業設備使用綠色能源的方式以及設備充能作業流程，建立港口綜合能源系統架構如圖3所示。

圖3 港口綜合能源系統構架

在港口綜合能源系統構架的基礎上，梳理各種能源、設備之間的關聯關系以及交互流程，形成能源—設備交互UML 類圖，如圖4所示，來描述港口綜合能源系統中能源、用能設備、供能設備以及管理系統的組成、屬性以及相互之間的關聯關系。

圖4 設備-能源交互UML 類圖

該能源-設備交互UML 類圖主要描述的關系包含以下三個方面：

用能設備依賴能源進行作業，能源給充能設備供能，充能設備給用能設備充能。三者均由管理系統監督與控制。

能源大類包括風能、光伏、氫能等能源。風能、光能、傳統電能聚合形成微電網，微電網可以給岸用電源、大功率并網系統等供能；氫能以氫燃料電池的形式給集卡換電站供能；液化天然氣給LNG 充氣站充能。

AGV 換電站、大功率并網系統等構成了充能設備。在管理系統控制下，AGV 能夠在換電站自動換電；集卡在集卡換電站換電；混合動力拖輪能在LNG 充氣站充氣，也能采用岸電充電；而分布式電能也能通過大功率并網系統給場橋和岸橋供能。

3 環保性分析

在環保性方面，在保障港口設備正常作業流程條件下，盡可能減少傳統能源的使用，降低棄光、棄風率。將作業流程精確到各工況和各環節，若綠色能源能夠滿足該環節的需求，能源樞紐中心就可以通過智能調配，采用綠色能源代替傳統電能，從而保障港口設備的低碳環保。

4 結語

通過分析梳理港口設備的作業流程及能源的技術特色，結合各種設備的用能形式和供能方式，構建了港口綜合能源系統。使用UML 類圖的表征方式，描述了設備-能源之間的交互關系，該UML 類圖給出了能源、管理系統、用能設備、充能設備之間的關聯關系，為港口高效利用綠色能源提供了理論幫助。