港口船舶岸基供电技术方案浅析

王涛 陈何

上海市节能减排中心有限公司

0 引言

船舶岸基供电技术（以下简称“岸电技术”）是指船舶在港口靠泊期间关闭主机、辅机等动力设备，转而使用靠泊码头岸基专用电力设备供电，以维持船舶靠泊期间日常运作，减少污染物排放的一项节能减排技术。从“十二五”起，交通运输部将“推广靠港船舶使用岸电”作为节能减排领域“十大重点工程”之一予以推广应用。随着近年来全国各港口对船舶岸基供电项目的不断推进，岸基供电已在部分试点项目中得到应用，但是在实际运行中仍存在着不少问题和困难。在对国内外岸电技术发展概况进行梳理的基础上，分析岸电技术方案的经济效益和社会效益，为进一步推广港口岸电技术提供支撑。

1 国内外岸基供电发展历程

1.1 国外岸基供电发展概况

欧洲各国从上世纪80年代末开始运用岸基供电技术，根据其供电电压的高低划分和是否具有变频功能，历经低压供电、高压供电以及高压变频供电3个阶段。

1.1.1 低压供电阶段

该阶段的标志是1989年瑞典哥德堡港Stena Line公司首次成功运用岸电系统。当时采用的是400V、50Hz低压连接系统，其供电结构见图1。由于船舶用电设备大多仅需低压供电，因此低压岸电系统具有能与船舶用电设备直接连接的优点，但其也有操作复杂（在保证同样的电力容量下，低压岸电系统需要9根电缆，而高压岸电系统仅需1～2根电缆，因此使连接操作更为复杂）、供电效率低的缺点。

图1 低压岸电供电结构示意图

1.1.2 高压供电阶段

2000年，瑞典哥德堡港成功建成了全球第一个高压岸电系统。该系统将6kV～20kV的高压电输送到船上，再通过船舶甲板上的变压器将其降压至400V，以满足靠泊时的电力需求。该系统主要供电对象是渡船，供电结构示意图见图2。

图2 高压岸电供电结构示意图

高压岸电技术解决了供电效率低、操作复杂的问题，使岸电技术在一定程度上得到了广泛的应用。但该技术仍存在运用局限性。主要原因是船舶用电频率和港口供电频率有差异。目前大部分欧洲和亚洲国家电网频率主要为50Hz，而越来越多的船舶已采用60Hz的频率。因此当岸基使用50Hz的电力时，就无法为需求60Hz电力的船舶供电。

1.1.3 高压变频供电阶段

电子电力技术不断发展，高压条件下实现平稳变频的技术也得到了提升。2008年，比利时安特卫普港在SAMElectronics的支持下建设了全球首个高压变频岸电系统，该系统可以同时提供50Hz/60Hz的电力，其供电结构示意图见图3。

图3 高压变频岸电提供60Hz电力时的供电结构示意图

此后，哥德堡港、于斯塔德港、鹿特丹港等国际化大港口，以及意大利Finacantieri船厂和新加坡裕廊等船厂都陆续安装了高压变频岸电系统。从总体看，目前运用高压变频岸电技术的港口仍然不多，一方面高压变频岸电系统成本较高（其核心组件变频器成本高），另一方面在船舶负荷集聚变化的情况下，电力质量会受到一定影响。表1列举了国际上知名港口的高压岸电使用情况。

表1 国外主要港口高压岸电使用情况

1.2 国内岸基供电发展概况

国内港口的船舶岸电技术研究尚处于起步阶段，2009年以来国内已有多个港口建立船用岸电试点工程。2009年，青岛港招商局国际集装箱码头有限公司首先完成了5 000t级内贸支线集装箱码头船舶岸电改造，该系统仅针对内河船只，相对应用面较窄；2010年，上海港外高桥二期集装箱码头运行移动式岸基船用变频变压供电系统，其主要是针对集装箱船舶；同年，连云港首次将高压船用岸电系统应用于“中韩之星”邮轮；2011年和2012年，招商国际蛇口集装箱码头先后安装了低压岸电系统与高压岸电系统。目前，福建港、宁波港、天津港等国内一些港口码头也正在积极进行船舶岸电系统的建设和试验。

2 船舶用电情况分析

2.1 船舶用电负荷

船舶用电负荷与船舶类型有直接联系，船舶类型不同，船上的主要电气设备也存在差异，主要可分为以下几类：

（1）动力装置用辅机：滑油泵、海水冷却泵、淡水泵、鼓风机等。

（2）甲板机械：锚机、绞缆机、舵机、起货机、舷梯机和启艇机等。

（3）舱室辅机：生活水泵、消防泵、舱底泵以及辅助锅炉服务的辅机等。

（4）机修机械：车床、钻床、电焊机、盘车机等。

（5）冷藏通风：空调装置、伙食冷库等用的辅机和通风机等。

（6）厨房设备：电灶、电烤炉等厨房机械用辅机和电茶炉等。

（7）照明设备：机舱照明、住舱照明、甲板照明等照明设备，还包括航行灯、信号灯以及电风扇等。不同类型船舶靠泊期间的平均用电负荷详见表2。

表2 各种类型船舶在泊位平均功率要求

洛杉矶港靠港集装箱船平均功率需求为1 MW～4MW，最大功率需求达到7．5MW。我国大型码头挂靠的集装箱船舶大于洛杉矶港，靠港集装箱船的功率需求应该大于洛杉矶港。在港期间，一艘滚装船所需要使用的电力平均为5 000kWh～20 000kWh，平均停泊时间相对较短，每次约10h。

2.2 船舶用电特性

目前在全球220个国家和地区中，大多数国家使用50Hz电力，仅有43个国家和地区用电频率为60Hz（其中日本部分地区用电频率为60Hz）。其中与航运关系密切的主要国家和地区有美国、日本、韩国、巴西、加拿大、墨西哥、菲律宾和我国台湾。大多数国际航线航行船用电力频率为60Hz，应用50Hz电力的国家或地区，内部运输船用电力为50Hz。集装箱船用电电压有380V、400V、440V、450V、6 600V等规格，其中国家或地区内部运输船用通常采用较低电压。2001年之后新建造的大型船开始使用6 600V电力，目前制造的航行国际航线船舶较多使用6 600V电力。

3 岸基供电技术方案分析

大型集装箱船舶的岸电箱较多配置以6．6kV/60Hz电源，然而我国电网一般采用50Hz交流电源，需完成50Hz电源向60Hz高压电源的转化，才能满足现代化大型集装箱船舶的用电需要。本文重点针对集装箱船舶采取“高-低-高”变频供电方案进行比选分析。

3.1 技术方案介绍

“高-低-高”变频供电方案初始电源（岸基电源）为6kV/50Hz或10kV/50Hz的交流电，通过降压变压器把初始电源降压至380V/50Hz或690V/50Hz，再由低压变频器将其转换为440V/60Hz的交流电，完成变频过程。随后，440V/60Hz电源通过升压变压器换为6．6kV/60Hz或11kV/60Hz的电源，经码头岸电箱、船舶岸电箱（船舶岸电配电板）后，供船使用。高压变频岸基供电系统主要包括以下三部分：岸上供电系统、电缆连接设备和船舶受电系统(见图4)。

3.2 技术可行性分析

图4 高压变频供电系统示意图

从变频技术上看，“高-低-高”方案实际上是一种低压变频技术，其关键设备（元件）为低压IGBT器件。该方案具有技术成熟、可靠性强、投资相对低的优点，适用于中小负荷（一般在1MVA～8MVA之间）的船舶，如集装箱船、滚装船、散货船等，是当前国内外集装箱码头岸基供电的首选方案。高压变频岸电技术及相关设备制造技术在国内外均已相当成熟。国际上可提供“高-低-高”岸基供电技术解决方案的公司主要有ABB、西门子、GE、施耐德、SAM等，其中最高单台岸基供电系统容量可达到4MW；国内可提供“高-低-高”岸电技术解决方案的有电动工具研究所（成功案例有长兴重工5MW移动式岸电系统）等，国电南自、国电南瑞企业等也均有提供岸电技术解决方案的实力，但目前尚缺乏实际案例。从产品提供方来看，低压逆变器、整流器、馈电柜、开关柜、变压器、滤波器等电子设备的产品制造商、供应商不胜枚举，完全能够满足岸电对设备的相关要求。

3.3 经济效益分析

目前，船舶上配备的发电机组基本上都是柴油发电机组，品牌主要有芬兰瓦锡兰、德国MTU、日本雅马、日本大发、美国康明斯等，柴油发电机的燃油消耗率一般为200g/kWh～230g/kWh。根据IMO（国际海事组织）发布的《2012年船舶能效设计指数计算导则》，远洋船舶辅机发电在额定工况下的燃油消耗率取215g/kWh。

船舶靠港时，柴油发电机会在部分负荷下运行，功率一般为额定功率的30%～40%，此状态下柴油发电机的燃油消耗率比额定工况下增加约5%，则船舶在靠泊期间的燃油消耗率为226g/kWh。由于船上发电机全部为同步发电机组，其效率一般为90%，远洋船舶柴油发电机组的柴油消耗率为251g/kWh。据此，在美元对人民币的汇率为1:6．5的情况下，船东采用岸电与否完全取决于岸电服务费和低硫油成本的关系，详见图5。在无政府干预的情况下，当岸电服务费与低硫油成本处于黑线时，采用岸电和采用低硫油的成本是相同的，船东选择岸电或低硫油的概率相同；在黑线上方，即蓝色区域时，船东将采用成本更低的低硫油；在黑线下方即黄色区域时，船东将采用成本更低的岸电。

图5 岸电和低硫油的成本关系图

此外，根据《上海港靠泊国际航行船舶岸基供电试点工作方案》，港口的岸电服务费与国际船用燃油的价格相挂钩，见表3。

表3 政府规定的岸电服务费

按目前的油价为350美元进行测算，岸电服务费应收取0．5元/kWh。

3.4 社会效益分析

根据鹿特丹港Euromax码头对来往船舶开展的污染物排放调查结论，船用轻柴油（低硫油）和（高硫油）所产生的NOx、PM10、SO2的排放情况详见表4。

表4 船舶辅机使用不同燃油的污染物排放情况

根据远洋船舶靠港期间柴油发电机组的燃油消耗率251g/kWh进行测算，靠港期间船舶柴油发电机组的CO2排放量为8tCO2/万kWh。

靠港远洋船舶使用岸电替代燃油辅机发电，在节约能源、控制温室排放和减少空气污染物排放等方面的效果显著(见表5)，表中“+”、“-”分别表示增加或减少。

美国西雅图港2005年CO2排放来源分析结果表明，运输船舶靠港发电机发电、运输船舶港内运行以及港作船舶运作排放的CO2分别占全港CO2排放的35%、4%和5%。洛杉矶在实施船舶岸电计划后，NOx、SOx和PM10的排放量平均减少了95%。

船舶岸电的社会效益主要体现在港口全面推广岸电技术之后，将基本消除船舶靠港期间有害气体排放的问题，还可消除辅机发电机组运行产生的噪音污染，这不仅是适应现代港口繁重的运营需要、促进港口环保减排的关键技术，也是提升港口竞争力和建设“绿色环保型港口”的重要举措，具有重大社会效益。

4 结论与建议

从技术角度而言，我国已攻克了国际航行船舶由于供电制式不同等问题，并已有较多岸电应用成功的案例，但岸电在港口安装后并没有得到有效使用。其中原因为缺少政府强有力的节能减排强制措施和经济上的扶持政策，虽然使用岸电费用较燃油费用低，但船东因船舶一次性安装岸电设备投入高，大部分港口尚未施行强制减排措施，以及港口在岸电安装后，即使没有船舶使用也要向供电商定期购买配电容量，增加了港口企业的经营负担，导致岸电的使用被迫搁浅。

表5

随着船舶排放控制政策的进一步施行，航运市场的盈利状况如果在此期间仍未好转，燃油价格进一步攀升，船东们未来将面临更严峻的市场，仍需承担更重的社会责任。为此，政府部门应加快出台相关激励政策和配套措施，一方面在国内加强低硫燃油的生产和供应，另一方面积极研究资金引导方案，对港口岸电、船舶改造升级等节能减排措施给予一定经济扶持，提高船东和港口双方的减排积极性。