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船舶及港口岸电发展和应用技术研究

发表时间：2020/9/23 来源：《基层建设》2020年第17期作者：梁淼森

[导读] 摘要：当前国际船舶限硫公约生效，国家进一步抓紧大气污染防治工作，正在推进绿色港口（港区）建设，发展绿色水运经济，陆续出台相关政策督促港口安装岸电设施和船舶靠泊港口使用岸电。

        广东中远海运重工有限公司广东东莞 523146
        摘要：当前国际船舶限硫公约生效，国家进一步抓紧大气污染防治工作，正在推进绿色港口（港区）建设，发展绿色水运经济，陆续出台相关政策督促港口安装岸电设施和船舶靠泊港口使用岸电。本文分析了船舶岸电和港口岸电发展的背景和相关标准，说明船舶岸电和港口岸电的区别，最后应用一艘散货船及港口加装低压岸电系统来说明两者的相关技术内容。
        关键词：船舶岸电；港口岸电；低压；高压；
        1.船舶及港口岸电发展的环境需求
        近代工业发展以来令到地球大气污染日益严重，为了保障人类经济社会可持续发展，世界上大多数国家参与缔结了《联合国气候变化框架公约》，世界各国政府尤其是发达国家高度重视保护环境、控制污染物、削减废气排放和温室气体排放，在各个行业严格执行和落实环保措施。国际海事组织的“限硫令”已经于2020年1月1日生效。中国交通运输部《港口和船舶岸电管理办法》自2020年2月1日起正式施行，提出加强船舶靠港期间大气污染防治，支持码头岸电设施改造和船舶受电设施安装，鼓励有关单位对使用岸电的船舶实施优先靠泊、减免岸电服务费、优先过闸或者优先通行等措施，规定在船舶大气污染排放控制区靠泊港口的船舶，需要满足大气污染排放要求，船舶靠港期间使用电能、LNG等新能源、清洁能源作为动力，或者关闭辅机等其他等效措施。
        在船舶上安装岸电（受电）系统来利用岸电，可以实现船舶靠港期间停止船上发电机，废气零排放，达到净化空气、减少大气污染、降低燃油成本、保护环境等多种功效，配合推进绿色港口建设，发展绿色水运经济，满足人民日益增长的优美生态环境需要。
        2.国内外的发展情况
        2.1国外的船舶及港口岸电发展情况
        国外的船舶岸电最早是在欧洲开始，因为欧洲对环保意识比较高，将环保理念应用于实际行动，从控制陆上工业废气排放到海上的废气排放。先从固定航线的船舶及港口开始配置岸电，逐步增加港口和船舶配置岸电系统；油价的上升也令到更多的船舶安装岸电来降低燃油成本。瑞典是最先应用船舶岸电的国家，1989 年，在哥德堡港安装了400 V 低压连接系统，将岸电电源供给3艘客滚轮渡使用，船用岸电技术第一次得到实际应用。2000 年，哥德堡港又在渡船码头安装了ABB公司的高压岸电系统，在滚装轮渡安装6.6 kV/10kV 的高压岸电系统。随后欧盟的主要港口、美国的邮轮陆续应用船舶岸电技术。
                表1国外主要应用岸电技术的码头

        2.2国内的船舶及港口岸电发展情况
        国内的船舶岸电技术应用较晚，我国积累的技术底蕴还不够强，对船舶废气排放的环保政策约束还不够强，经过近几年政府积极推动和补贴政策，港口岸电建设已经取得比较大的成绩，但是船舶岸电正处于推广阶段，已经有不少船舶加装岸电接收系统。
        2010 年10 月，连云港港口首次将高压船用岸电系统安装应用于客货两用滚装船“中韩之星”邮轮。2011 年，神华中海航运公司为其46 000 t 散货船安装6 kV/50 Hz 的高压岸电系统，通过置于船上的变压器降压为船舶需要的低压电力，并向中国船级社申请AMPS 入级符号。截至2019年底，按交通运输部水运局发布的《港口岸电布局方案》，显示全国已建成港口岸电设施5400多套，覆盖泊位7000多个（含水上服务区），总体完成率达81%。
        中国交通运输部的《港口和船舶岸电管理办法》要求满足大气污染排放的措施中，只有加装船舶岸电接收系统是快速可行的，其他两种措施的成本比较大，因此，随着国家对沿海港口加快推进岸电的建设，将会有越来越多的船东公司对船舶加快安装船舶岸电系统。
                     表2部分国内港口岸电设施情况

        3.岸电技术标准和规范
        目前行业上对船舶岸电还没形成一个统一的标准和规范，但是有涉及船舶岸电内容的标准和规范，而港口岸电按陆上电源输入和增加变频器输出适应船舶用电标准。由于船舶的多样式，国内和国外的电制不同，并且船舶都是流动性、跨区域航行，大部分的船舶不会有固定的航线，船舶还会存在买卖、租售交易而变更航线和港口，众多的复杂因素难以使港口和船东达成统一的用电标准。
        国际电工委员会、国际标准化组织、美国电气和电子工程师协会的IEC/ISO/IEEE 80005-1 (2012年)《在港设施第一部分：高压岸电系统一般要求》标准里有高压岸电连接系统内容，有岸基部分及船上部分的技术要求，其中对电缆卷车、高压连接电缆等关键船上设备提出了明确的规定。
        中国船级社CCS在《钢质海船入级规范》第四篇中对普通岸电有比较详细的要求，包含了低压船舶岸电的范畴；《船舶高压岸电系统检验指南》（2012年）针对额定电压大于1kV、小于15Kv的交流高压岸电系统, 囊括了全套船载设备、审图、安装检验和试验内容。除此之外，交通部的JT/T814-2012《港口船舶岸基供电系统技术条件》、JT/T 815-2012《港口船舶岸基供电系统操作技术规程》对船舶低压岸电有规定。
        4.船舶岸电和港口岸电的区别和关联
        港口岸电系统是指将岸上电力供应给靠泊港口的船舶使用。整套供电系统包括变电站、岸基供电系统、船岸连接系统，在码头的电力系统某处分出接线电缆，铺设到码头边布置的一个配电房里，将陆上高压交流电变频、变压后，输送到码头一个电力接口，供应给码头的船舶连接岸电。
        船舶岸电是指船舶停靠码头的时候使用码头供应的电力来装卸货、维持大型设备运转。船上的配电板一般都配置有连接岸电低压的功能，主要是生活区使用，但是满足不了船舶装卸货作业的设备使用需求，需要另外增加一套受电系统来连接港口供应的电力，包括电缆盘、船上变压器和相关电气管理系统。

        图 1 港口与船舶的岸电连接示图
        船舶岸电和港口岸电是互相关联、互相发展的。船舶电站容量较小、电网输电线路短、电力稳定性要求高，船舶岸电和港口岸电的最大区别是各自的电制不同，船舶要接受港口岸电需要港口岸电能将电压和频率调到符合船舶电制一致，如果不能一致则不能接受和使用。船舶的电制也是比较多样，一般散货船、集装箱船、油轮的是交流电，国外船舶额定电压和频率一般是440V（60Hz），我国船舶一般是380V（50Hz），直流电的电压有110V、220V，还有设备是660V或更大的高压，所以，船舶要使用岸电要看自身的电制和港口能提供的电制是否匹配。
        5.散货船和港口加装岸电设计方案
        一艘7万多吨的散货船设计加装低压岸电，靠港期间为了维持生活区用电、装卸货作业设备以及机舱不能停止设备的运转，按电力负荷计算书计算需要500kW，设计可以采用低压岸电440V（60Hz）--与船舶电制一致，用以替代原船启动一台570kW发电机的发电量，船上增加接受岸电设备。靠泊的港口需在码头前沿增设岸电设施，输送适合该船舶的电力。船舶和港口完成新的电力设施安装之后，需要进行设备调试和接收岸电试验。各自的岸电工程主要内容如下：
        5.1船舶电气技术工程内容
        船上增加岸电受电系统，需要在不改动和影响原船设备及工作使用的情况下，所以在主甲板尾部的烟囱后面寻找空间来布置新增加的岸电接收设备和平台等。
        （1）通过技术分析和设计，新增一台电缆绞车和电缆平台来收放电缆，在尾部左舷和右舷各布置一台电缆抛缆机，以适应船舶在满载和轻载时的高底吃水，保证连接岸电的电缆能处于松弛状态。电缆绞车采取液力耦合控制式，使用中可随着船舶升降自动调节电缆长度，并且在船舶异常离开码头的情况下，可以自动切断岸电，从而保证船舶电力使用安全。
        （2）新加一套岸电受电系统，采用并电切换模式，最大接受功率700kW。在主甲板左侧工作间安装新的甲板岸电箱、UPS不间断电源，在机舱集控室安装新的岸电控制箱，同时对配电板汇流排进行改造，接入新增的500KW岸电系统。当岸电与船舶辅机并网时，变频电源具有主动切换方式，做到船舶保证不停电，实现无缝切换。采用并电切换模式可以使得配电系统对岸电的瞬态和静态的各种参数值进行实时监控，出现故障会发出声光报警显示，并根据情况采取适当的自动保护动作，确保岸电使用安全。
        （3）船上新加的这些电气设备需铺设新的电缆从原船的电力系统接入用电，保证在连接过程中的用电，所需电缆都是常规电缆，而新的电缆绞车上的接收岸电电缆是特殊电缆，由电缆绞车厂家配套提供。
        5.2船舶舾装技术工程内容
        由于船舶上空间有限，从安全防电角度考虑，利用烟囱尾部缆机上方空间加装设备平台和人员通道，从而避开主甲板的日常人员活动区域。将电缆绞车设计布置在横剖面的船中部，将抛缆机设计布置在左右舷侧，都需要增加操作平台，中部和左右舷侧布置电缆托辊平台，整个平台和通道使用圆钢管支撑，支撑点尽可能地落在主甲板强档结构上，减少在反面增加结构加强的地方。在电缆绞车、抛缆机平台的后部增加600mm宽的通道平台，方便人员走动和操作。
        5.3港口加装岸电技术工程内容
        本方案是在船舶上设计抛缆机来控制岸电连接电缆，因此在该港口不用增加专门的电缆输送机，主要是在码头前沿设计一个供电房间，房间需配备低压变压器、变频器、电箱、电表、电力监控系统等等，除此之外，为了维持配电间的正常运转，还需配置空调来降温，放置一些消防用的二氧化碳灭火瓶。
        在前沿码头每个泊位布置输送电缆连接头，连接头是罩式防雨，可方便人员打开，连接电缆要方便卡套和卸扣。从变频房间输出的电缆需绕过比较长的一段距离来到码头前沿的连接头，而前沿码头装卸作业矿物掉落比较多粉尘，因此新增加的电缆托架需设计成密闭盖式来保护输送电缆。
        6.结论和展望
        从以上各种分析可以看到，船舶岸电的发展和港口岸电建设是紧密相关的，它们的发展是相辅相成的；岸电由低压到高压，由低容量到高容量，从满足生活区用电到满足全船用电需求，岸电技术的发展越来越成熟和高级。我国经过近三十年的发展已经积累了一定的技术标准，船舶及港口岸电技术将会形成统一的标准，在国家配套政策鼓励下，随着港口建设岸电增多，大量的船舶将会加装岸电装置，进而实现船舶靠港停泊期间的废气零排放，达到节能减排和防治大气污5染的目的。
        参考文献：
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        [4] 霍伟强. 港口岸电技术及其推广分析［J］.能源与节能. 2017(2)：2-5
        [5] 中国船级社．《钢质海船入级规范》［P］. 第四篇.2018
        [6] 交通运输部．港口和船舶岸电管理办法[Z],中国，2019.12.09
        作者简介：梁淼森（1982—），男，本科，工程师，主要从事船舶与海洋工程技术设计工作