船舶港口岸电技术及其应用

林 翔

（南京金陵船厂有限公司 南京210015）

引 言

许多大型船舶（如油船、集装箱船）靠港时通常采用船舶辅机发电，所用燃料一般为重油、柴油，以满足船舶日常用电需求。然而，发电机中燃料柴油和重油在燃烧使用过程中会排放许多污染物。据国际海事组织（IMO）数据报告表明，污染物的主要成分是二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。在全球范围内，以柴油为动力的船舶每年向大气排放约1 000万吨氮氧化物以及860万吨硫氧化物，这些污染物在气候风力作用下可传播至1 000 km外的区域，对生态环境造成严重污染；此外，辅机运转时会产生较大噪声和振动，给船员和邻近社区居民的工作和生活带来极大困扰。

因此，为了生态环境的保护和资源的合理利用，引入并推广船舶岸电技术十分迫切。当前国内船用岸电技术发展并不多，中压供电源主要集中在大型港口和货物集散地，跑国际航线的船舶安装船用岸电系统的比较多。因此，研究船用岸电技术及其电站管理等相关问题，是一项促进船用岸电技术及其电站管理进一步发展和推广有重要意义的工作，在技术、经济和社会效益等多方面都具有重大意义。

1 船上电站管理系统国内外现状

据统计，从2001年至今，美国、英国、比利时、德国、荷兰和挪威等国已有约26个港口使用岸电电源系统，200余艘船舶都配备相应的岸电连接系统。美、英两国最先要求在码头使用岸电对靠港船舶进行供电，且通过法律进行了强制性规定，对新老码头岸电设备进行了替换和更新。

中国是世界上最大的海运国，但国内港口船舶岸电技术尚处于研究起步阶段，如今正越来越受到国家和交通部的高度重视。据中国港口年鉴公布的报告：“截止到2018年底，我国所有港口（包括内外河港口）293个，生产泊位26 330个，其中万吨级及以上泊位2 444个，拥有水运船舶达13.70万艘。”此外，大量的外国船舶常常进出入我国港口。如今随着我国港口设施的不断发展和扩大，可以预计船舶在港口作业的数量将会继续增加。不过，国内许多港口对于岸电技术的使用还没有推广，仍需要政策法规的制订、技术标准的建立、技术难度的突破等发展。

2 船用岸电系统的概念、分类和比较

2.1 船用岸电

船舶岸电系统（alternative marine power system，AMP System）也称为“冷铁”系统，是指允许装有特殊设备的船舶在停泊码头时接入码头的岸电电源，船舶可以从岸电系统获得其泵组、通风、照明、通讯和其他设施所需电力，而关闭自身的柴油或燃油发电机组，从而阻止船舶发电机组将柴油和燃油燃烧污染物及温室气体持续排放到港口空气中，达到改善港口空气质量的目的。

AMP系统主要由岸上供电系统、电缆连接设备和船舶受电系统三部分组成。岸上供电系统由高压接电箱和传输6.6 kV、50～60 Hz的高压电缆构成，作用是将陆上电压输出的6.6 kV电压引入港口码头边的高压接电箱内。电缆连接设备由高压电缆、通信电缆以及高压电缆卷车构成，高压电缆卷筒定于船舶两侧的舷边，以便将高压电缆从船上链接到岸电高压接电箱。船舶受电系统包括船上变压器和船舶岸电箱，它们将岸上6.6 kV转换为440 V电压，用作船上靠港供电电源［5］。

2.2 船用岸电分类和比较

岸电电源的输入一般是当地的电网电力，其输出需要满足不同船舶的不同要求。我国的船舶电制一般采用的是440 V/50 Hz或者380 V/50 Hz，而国际上的船舶用电频率以60 Hz居多，电压为440 V或者6.6 kV等。一般来说，岸上的主变电站用来变压和变频，然后把电力通过码头上的电缆输送到码头的岸电箱，再用岸电连接系统把电力送往停靠的船舶［4］。按港口岸电电压不同一般可分为高压岸电系统和低压岸电系统。

低压岸电系统由岸上变压器将陆上6.6 kV/10 kV高压先降压为低压440 V、50 Hz，再经船上设备接入船上的应急配电板或岸电控制屏，先使岸电与船上发电机功率、电压、相位三者一致，将母排联络开关闭合，让岸电和发电机并网运行；在20 s内，无任何报警和故障情况下，断开发电机端与电网的连接，实现岸电电源给船舶供电。

高压岸电系统，是由岸上变压器将陆上6.6 kV/10 kV高压直接通过船上连接设备接入船上的岸电控制屏，岸电控制屏根据船上设备所需要电压分别接入侧推等高压设备或降压后接入主配电板；在保证岸电与船上发电机功率、电压和相位三个相同一致时，将母排联络开关闭合，让岸电和发电机并网运行；在20 s的时间内，无任何报警和故障情况下，断开发电机端与电网的连接，实现岸电电源对船舶供电。

目前随着高压船舶不断普及，高压岸电系统远比低压岸电系统更有现实优势、更具市场竞争力。高压岸电系统优势在于基本采用中压等级电压，电流较低，接插头的操作过程比低压电制AMP系统用时短，操作更加安全可靠，船电与岸电所要连接的电缆数量少，操作简单，因此缩短了船舶靠岸所需时间，从而提高了港口码头的利用率。［2］

3 2 500标准箱集装箱船岸电系统设计方案和要点

3.1 2 500标准箱岸电系统

本船采用的是6.6 kV高压岸电系统型式，系统安装总容量为600 kW。船尾左右舷各布置1套电缆卷轴绞车，将两路高压岸电接入岸电设备间的1套6.6 kV岸电接入屏，并配备一台6.6 kV/0.4 kV的1 000 kVA的干式变压器，从而将高压6.6 kV降低至0.4 kV，并接入配电板上的低压岸电控制屏，给全船提供岸电电源，且可实现与发电机不断电并车。系统原理概图见图1。

图1 岸电系统单线图

3.2 本船岸电系统容量确定方法以及与使用传统燃料船舶电站的优势对比

表1为本船电站配置表。

表1 2 500箱电站配置表

船舶靠港时要经过进出港、停泊、装卸货三种不同工况，这三种不同工况下的所需负荷也不尽相同，需结合电力负荷计算书。查得不装冷箱时，相应工况的负载总负荷，见表2。

表2 电站使用情况估算

由表2可知：该船在使用传统燃料船舶电站时，装卸货工况下所需功率约为450 kW，船舶接入岸电后，主发电机和备用发电机都可以停机，部分为主发电机服务的泵以及供油单元等用电设备也可以停止运行，因而所需功率低于1台运行发电机的功率840 kW。但是，考虑到今后船舶停泊期间用电负荷的增加和装卸货时部分冷藏集装箱需要供电，最终确定岸电容量按照600 kW设计。

式中：P为设备输出功率，kW；U为设备的额定电压6.6 kV；I为设备的额定电流， A；cosθ为设备的功率因数为0.8。

由式（1）可得出：岸电系统接入端电流I=P/由 此可见，电流很小。本船使用电压等级为6.6 kV，若使用400 V，则根据功率相同，由式（2）和式（3）可得出此时的额定电流：

可以得出：使用400 V的电压等级，所需岸电系统的额定电流达到1 089 A，这与采用高压6.6 kV电压岸电供电电流只需66 A相比，大了16倍，则相应岸电接入屏等设备需要配备更加昂贵的断路器等保护检测装置，岸电接入的电缆数量也会增多，造成电缆卷轴绞车变大，因而也证实了高压岸电比低压岸电的优势所在，体现出使用高压岸电的便捷和经济。

图2为本船配电板上预留岸电屏的系统图和外形图，通过岸电电源降压为380 V可提供岸电给配电板使用，并将岸电预留屏内元器件安装到位，电缆敷设到位，方便后期船东完成岸电系统施工完善。

图2 配电板上岸电预留屏系统图和外形图

靠港装卸货供电方式参数比较见图3。

图3 靠港装卸货供电方式参数比较

可见，在两种供电方式的三种参数比较下，很明显地看出AMP岸电系统供电方式具有电压高、电流低的优势，可以降低短路保护设备的成本以及电缆选用数量的成本；此外，AMP岸电系统供电消耗功率很低，污染很少，只有电磁辐射污染，属于绿色能源供电方式，故选用此供电方式是明智之举。

供电方式污染和经济指标比较参见下页图4。

由此可见，船舶在港口靠泊期间关停自身的燃油发电机而改用岸电，每年可减少CO2排放约917 t ，减少二氧化硫排放12.6 t，减少氮化物排放19.5 t，噪声大大降低，并且每天可节省燃油燃料费约26 600美元，使船东大幅节省开支，也强有力地遏制了环境污染。

图4 供电方式污染和经济指标比较

3.3 船舶岸电系统小设计中需要考虑的要点

3.3.1 相关规范的要求

本船入级CCS船级社，对照需要满足《钢制海船入级规范》第8篇 第19章 第3节以及《钢制海船建造规范》第4篇 第2章 第14节中相关交流高压岸电的内容。本船在签订技术协议时，预留配电板上的岸电配电屏时需确保至少配备如下元器件的规范要求：

（1）2只电压表*：1个测量岸电各相电压，1个测量汇流排电压；

（2）1只电流表：分别测量岸电各相电流；

（3）2只频率表*：1个测量岸电频率，1个测量汇流排频率；

（4）相序指示器；

（5）同步设备；

（6）应急切断按钮等。

*：若将岸电电源连接于汇流排时，操作人员易于观察到汇流排的电压和频率，则岸电接入控制屏可仅设置一只电压表和一只频率表。［1］

3.3.2 电缆敷设的要求

中压岸电电缆需要与其他电缆保证在100 mm间距以上，因此尽量单独敷设电缆路径，减少从机舱等电缆集中处穿越。中压岸电电缆线芯需要配有通信线芯连接至岸电接入屏，以确保岸基与船端的有效通信，也可以监测电缆承受的机械应力在超过允许值时切断岸电回路。

4 电站管理实现岸电和发电机组并网和不断电切换的操作步骤

为使船舶在后期停泊在具备岸电供电港口时关闭发电机，使用岸电供电，本船岸电通过手动同步和半自动同步［3］向电网供电的操作步骤如下。

4.1 手动同步模式下

船舶靠港后切换到岸电供电：

（1）首先确认岸电的电压、频率和相序是否已满足同步条件。

（2）将配电板控制模式选择手动控制。

（3）将同步选择开关选择SHORE档。

（4）手动调节同步屏上在网发电机的调速选择开关。

（5）待调节一致同步表旋转至接近12点钟方向时，按下岸电开关的合闸按钮。

（6）当岸电开关手动同步合上闸后，在网的主发电机开关会在1 s后自动分闸。电网转为由岸电供电。

船舶需离港切换到发电机供电：

（1）首先起动待并网的发电机。

（2）将配电板控制模式选择手动控制。

（3）将同步选择开关选择需要并网的发电机档。

（4）手动调节同步屏上在网发电机的调速选择开关。

（5）待调节一致同步表旋转至接近12点钟方向时，按下需要并网的发电机ACB开关合闸按钮。

（6）当发电机开关手动同步合上闸后，在网的岸电开关会在1 s后自动分闸。电网转为由发电机供电。

4.2 半自动同步模式下

船舶靠港后切换到岸电供电：

（1）首先确认岸电的电压、频率和相序是否已满足同步条件；

（2）将配电板控制模式选择半自动控制；

（3）手动按下同步屏上岸电部分的半自动连接岸电按钮；

（4）待岸电开关半自动同步合上闸后，在网的主发电机开关会在1 s后自动分闸。电网转为由岸电供电。

船舶需离港切换到发电机供电：

（1）首先起动待并网的发电机。

（2）将配电板控制模式选择半自动控制。

（3）手动按下同步屏上需要并网的发电机的半自动同步按钮。

（4）待对应发电机开关半自动同步合上闸后，在网的岸电开关会在1 s后自动分闸。电网转为由发电机供电。

4.3 半自动同步模式时，不间断供电原理

本项目主要依靠配电板中的DEIF模块（FAS-113DG），见图5标注①。比较电网上母排电源的电压、频率、相位待并网电源三个参数是否一致，一致则输出合闸信号，将待并网电源并入母排。在手动同步模式，主要依靠图5中标注②的三块仪表，通过值班人员手动调整、判断电源三个参数的一致进行合闸并网操作， 确保船舶电网不间断供电、切换。

图5 半自动同步模式原理图

5 结 语

随着人们环境保护意识越来越强，要求安装AMP系统的船舶越来越多，船厂需要为船东设计或者预留岸电系统的船舶也会不断递增，能提供AMP岸基电源的码头港口也日益增加。可以预见，随着AMP系统应用的不断扩大和深入，可替换船用电力系统——AMP系统必将成为船舶停靠时低碳、零排放、有利于环境保护的最经济有效的方法。