高壓岸電系統(tǒng)在集裝箱船的應用與節(jié)能分析

尹旭軍

浙江天地環(huán)保科技股份有限公司

0 引言

近年來全球氣候變暖和環(huán)境污染問題日益嚴峻，我國也采取了更強有力的政策和措施，力爭在2030 年前實現(xiàn)碳達峰、努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和，綠色航運和綠色港口相關(guān)技術(shù)得到越來越多的關(guān)注。

高壓岸電系統(tǒng)是指船舶在靠港時停止使用船舶發(fā)電機，在不中斷服務的情況下，改由岸上高壓電源向船舶供電的系統(tǒng)。通常岸上輸入的是6 kV 50 Hz或10 kV 50 Hz的交流電，經(jīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到船舶所需的電源。

2010 年，國際海事組織（IMO）《國際防止船舶和港口設施污染公約》（MARPOL）第VI 條修訂草案執(zhí)行，其中規(guī)定船舶在停泊岸港期間采用岸電供電，以減少船用柴油機的排放造成大氣污染和溫室氣體排放。

高壓岸電是一種高效、環(huán)保、安全的船用電源，目前已被廣泛用于客滾、油輪和集裝箱船中。

1 高壓岸電系統(tǒng)原理和特點

高壓岸電系統(tǒng)通常分為岸上供電系統(tǒng)和船載受電系統(tǒng)兩部分。岸上供電系統(tǒng)包括變壓器和變頻裝置(若有)等部件，這些部件將岸上電源轉(zhuǎn)換為標準所規(guī)定的電壓和頻率，再通過標準接插件為船舶供電；船載受電系統(tǒng)通過配套標準接插件的高壓電纜將岸電引入船舶配電系統(tǒng)。

集裝箱船配套的高壓岸電系統(tǒng)包括電纜管理系統(tǒng)、岸電變壓器(若有)、岸電連接屏、岸電接入屏及控制系統(tǒng)等，安裝方式分為固定式安裝和移動式安裝兩種。固定式安裝所有設備都固定在甲板或艙室內(nèi)部（見圖1）。移動式安裝主要設備如電纜管理系統(tǒng)、岸電變壓器和岸電連接屏等固定在集裝箱內(nèi)，可臨時吊上船舶使用（見圖2）。

圖1 固定式高壓岸電系統(tǒng)示意圖

圖2 移動式高壓岸電系統(tǒng)示意圖

高壓岸電系統(tǒng)具有如下特點：

1) 高效節(jié)能。高壓岸電系統(tǒng)采用高效的變壓器、電纜、插頭等設備，使船舶停泊期間從岸端直接獲得電力，減少了船舶發(fā)電機組的使用，提高了能源利用效率。

2)環(huán)保安全。高壓岸電系統(tǒng)可減少船用柴油機的排放，減少了大氣污染和溫室氣體排放，保護了海洋環(huán)境。此外，高壓岸電系統(tǒng)使用插頭式連接避免了漏電和船舶斷電等安全隱患。

3)方便實用。高壓岸電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的電源使通信設備和其他電器設備等得以穩(wěn)定運行。

2 高壓岸電系統(tǒng)應用案例

某4 800 TEU 集裝箱，原船配電板AC440 V 60 HZ，擬采用可移動式集裝箱。高壓岸電系統(tǒng)單線圖見圖3。

圖3 高壓岸電系統(tǒng)單線圖

系統(tǒng)主要包括：AMP 可移動式集裝箱1 套、固定安裝插座箱2 套、三屏高壓岸電轉(zhuǎn)接屏1 套、高壓變壓器、低壓接入屏、同步屏、船上固定敷設電纜等。

2.1 AMP可移動式集裝箱

AMP 可移動式集裝箱包括連接岸側(cè)電源的電纜絞車、高壓連接屏、監(jiān)控屏、UPS 和連接船上插座箱的儲纜絞車（見圖4、圖5）。

圖4 AMP 可移動式集裝箱俯視圖、斷面圖

圖5 AMP 可移動式集裝箱

2.2 固定安裝插座箱

固定安裝插座箱是為方便HVSC、HV 和AUX電纜的連接。插座箱安裝在船舶PORT 或STBD 位置，可方便6.6 kV 電纜在移動式岸電集裝箱中的快速連接及低壓電纜的連接，確保用電的安全。

高壓插頭規(guī)格為350 A 7 200 V，設置了聯(lián)鎖裝置，以防插頭和插座通電時的插拔。

固定安裝插座箱詳圖見圖6、圖7。

圖6 三相插頭插座觸點分配圖

圖7 固定安裝插座箱

2.3 高壓岸電轉(zhuǎn)接屏

碼頭岸電可從船舷左側(cè)或右側(cè)的插座箱連接到高壓岸電轉(zhuǎn)接屏，匯總后輸出一路到變壓器高壓側(cè)。

高壓岸電轉(zhuǎn)接屏接線圖見圖8，轉(zhuǎn)接屏視圖見圖9。

圖8 高壓岸電轉(zhuǎn)接屏接線圖

圖9 高壓岸電轉(zhuǎn)接屏視圖

2.4 低壓接入屏和同步屏

在原船AC440 V 60 HZ 配電板一端新增一面低壓岸電接入屏以實現(xiàn)岸電接入、不斷電切換、手動/自動同步并車等功能。低壓接入屏和同步屏見圖10。

圖10 低壓接入屏和同步屏圖

2.5 其他注意事項

1)等電位連接要求

船舶應設有將船體與岸地（或躉船上接地裝置）等電位連接的設施。當岸電、船電配電系統(tǒng)采用中性點直接接地的交流三相系統(tǒng)時，應設置船體與岸地相連接。

船體接地保護連接銅導線截面積應不小于16 mm2，接地電阻不大于4 Ω。

等電位連接不應改變船舶原配電系統(tǒng)接地原理。

等電位裝置需接入安全回路，并進行監(jiān)控和報警。

2)負載切換要求

岸電和船舶配電系統(tǒng)之間的負載切換可通過先斷電后切換或短時并聯(lián)再切換方式進行。

當采用先斷電后切換方式進行負載切換時，應采取聯(lián)鎖保護等措施避免船舶發(fā)電機和岸電同時供電。

當采用短時并聯(lián)再切換方式進行負載切換時，應滿足以下條件：

（1）船舶配電系統(tǒng)電壓和頻率瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)波動符合要求。

（2）配置船舶配電系統(tǒng)和岸電系統(tǒng)同步裝置。

（3）負載切換如采用自動方式，還應具備手動功能。

（4）在負載安全切換的前提下，應盡可能縮短并聯(lián)運行時間。

（5）當負載切換超過規(guī)定時間限值時，應立即停止切換，斷開連接岸電的斷路器，并向值班人員報警。

（6）負載切換應配置逆功率保護。

（7）配電板上應設置岸電測量的儀表，如電壓表、電流表、頻率表、相序指示器等。

3)應急切斷功能要求

應設置應急切斷功能，以確保快速斷開岸上和船上的連接斷路器。應急切斷系統(tǒng)應按故障安全原則設計，應能防止被誤觸動，如發(fā)生下列情況時應自動觸發(fā)應急切斷：

·等電位連接斷開；

·電纜管理系統(tǒng)報警；

·岸電系統(tǒng)控制和監(jiān)測線路故障；

·岸電連接插頭帶電拔出。

應急切斷按鈕至少應設置在以下位置和處所：

·岸電連接配電柜(板)所在處所；

·電纜管理系統(tǒng)操作位置；

·岸電接入控制屏所在處所。

應急切斷動作時，應在有人值班處發(fā)出聽覺和視覺報警信號。

應急切斷發(fā)生后，非經(jīng)人工復位，斷路器不能再次閉合。

3 節(jié)能減排分析

4 800 TEU集裝箱船供電容量3 500 kVA，每次靠港平均2 d，靠港用電量=3 500×0.8×2×24=134 400 kWh，折合電費約100 000 元人民幣（各地岸電收費標準不一，取中間值0.8元/kWh，岸電收費低于1.73 元/kWh 都是經(jīng)濟的）［1］，每次靠港用電量折合成CO2減排量=134 400×0.997 kg≈134 t。

目前我國發(fā)電主力是燃煤電廠，沿海城市基本屬于重點區(qū)域。根據(jù)GB13223《火電廠大氣污染物排放標準》，對應的主要污染物排放見表1、表2。

表1 燃煤電廠污染物排放折算表

表2 使用岸電的減排比較表

除節(jié)能和減少污染外，高壓岸電系統(tǒng)還可提高港口作業(yè)效率，減少船舶停泊時間，為港口作業(yè)提供更多的靈活性，這在當今日漸緊縮的國際貿(mào)易環(huán)境下，速度和效率非常關(guān)鍵，而高壓岸電系統(tǒng)可滿足這些需求。

4 結(jié)論

隨著環(huán)保意識的提高，高壓岸電系統(tǒng)在集裝箱船等船舶中的應用越來越被關(guān)注，通過實際數(shù)據(jù)分析比較可得出：高壓岸電系統(tǒng)的應用有助于減少船舶發(fā)電機組的使用，降低污染物排放，提高作業(yè)效率，實現(xiàn)節(jié)約成本和保護環(huán)境的目的。

但高壓岸電系統(tǒng)也存在一些問題，如建設成本和維護成本較高、某些港口電力質(zhì)量不穩(wěn)定、安裝需港口管理部門配合等。

因此，高壓岸電系統(tǒng)應用中需加強技術(shù)創(chuàng)新，加強與港口的協(xié)作，使高壓岸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行，發(fā)揮其應有的節(jié)能減排效益和經(jīng)濟效益。