智能岸电系统整体解决方案的实施

2011-06-13曹胜华徐大可王文强许高文

综合智慧能源 2011年11期

曹胜华，徐大可，王文强，许高文

(国电南京自动化股份有限公司，江苏南京210003)

1 问题的提出

我国是世界上最大的水运国家，港口货物年吞吐量达70多亿t，居世界之首。每年在我国沿海和内河港口靠泊装卸货物的船舶数量巨大，主要包括杂货船、散货船、集装箱船、汽车船、原木船、化工品船、液化气船、客轮和油轮等。由于全世界几乎所有的船舶均使用燃烧轻质或重质柴油的发电机自行发电，所以，船舶会排出大量二氧化碳、硫化物和氮化物，对大气环境造成严重影响。

随着我国经济的快速发展，环境问题变得日益突出，我国政府适时提出了“资源节约型、环境友好型”社会的建设目标。随着我国“资源节约型、环境友好型”社会建设工作的推进，交通运输已成为国务院确定的重点节能减排行业。所以，积极采取措施做好船舶的节能减排工作，对于促进我国整体节能减排、减轻港口地区的空气污染及履行有关气候变化的国际公约具有重要意义。

大型船舶特别是油船和集装箱船靠港时通常使用燃油制品发电来满足船舶用电需求。重油和柴油在燃烧过程中会产生大量硫化物和氮氧化物，对周边环境造成污染。船舶使用柴油发电机组产生的噪声也会对环境造成污染。目前，国际上一些先进港口已经采用陆地的电源对靠岸船舶供电来满足船舶用电需求，这种供电系统称为靠岸船舶供电系统(以下简称岸电系统)。岸电系统的使用可以达到节能、减排、降噪和提高经济效益的目的。

2 国内、外岸电系统现状

国外20世纪70年代就已经开始研究岸电系统，随着对节能环保的日益重视，有一些港口使用了岸电系统，据不完全统计，世界上已有20多个港口在其特定的泊位上配备了为船舶供应岸电的设施，结果见表1。

目前国外已有岸电项目都以直供电为主，如60Hz港口电网向60Hz船舶电网直接供电(美国)，50Hz港口电网向50Hz船舶电网直接供电(欧洲)，但均不涉及变频技术。而国内、外大部分船舶电网频率为60Hz，而我国港口岸电电网频率为50Hz，60 Hz的船舶电器不可能直接使用50Hz的交流电，否则会造成电器损毁和伤害，因此，必须利用变频稳压技术研制出适合我国的岸电系统。

上海港于2010年3月22日在外高桥二期集装箱码头进行了为集装箱班轮提供岸电的尝试(输入10.0kV/50Hz，输出440V/60Hz)，开启了我国港口为船舶供应岸电的历史。由于选用低压上船方案，船岸连接电缆多达9根，需要起重机辅助起吊电缆上船，接驳时间较长。

连云港港于2010年10月24日在#59泊位对靠泊在这里的“中韩之星”客货班轮进行了提供岸电的尝试输入10.0kV/50Hz，输出6.6kV/60Hz，开启了我国港口为船舶供应高压岸电的历史。该方案特点为“高压上船、一个接口、不间断供电”。由于选用高压上船方案，船岸连接电缆只要1根，接驳方便快捷，整个接驳过程仅用了20min。

综合国内、外现状，岸电系统研究近期取得了不少成果，但偏重于岸电系统设备研制，缺少岸电系统整体解决方案。

3 智能岸电系统整体解决方案的设计

智能岸电系统是国电南京自动化股份有限公司整合公司资源、以成熟技术和先进理念打造出的新一代靠岸船舶供电系统整体解决方案。智能岸电系统集岸电的监测、保护、控制、计费、设备管理和仿真于一体，在功能上又相互独立，通过灵活的配置和组态，能满足高电压等级的岸电接入自动化的要求。

系统主要功能有以下9个方面:

(1)电制转换。将港口电网10.0kV/50Hz，6.0 kV/50Hz交流电变换成适合于大型船舶使用6.6 kV/60Hz交流电，同时解决船供电对港口电网的污染问题，满足了船舶用电负荷突变的要求。

(2)高压上船。将6.6kV/60Hz交流电安全提供给船舶用电。

(3)快速保护。满足了港口岸电系统运行安全的要求。

(4)计量计费。满足了港口电能量高精度计量计费的要求。

(5)实时监控。满足了港口岸电系统运行自动化的要求。

(6)设备管理。满足了港口资产管理的要求。

(7)仿真培训。满足了港口人员业务培训的要求。

(8)用电分析。满足了港口科学管理的要求。

(9)信息发布。满足港口信息公开的要求。

智能岸电系统由综合自动化系统、高压变频配电系统、船舶受电系统组成，如图1所示。港口完成综合自动化系统、高压变频配电系统部分建设和改造。船舶完成船舶受电系统建设和改造。下面重点介绍港口所需的综合自动化系统、高压变频配电系统方案。

3.1 综合自动化系统

图1 智能岸电系统结构示意图

综合自动化系统保证岸电系统的安全、优质和经济运行，完成岸电设备的运行操作和事故处理，实现远动数据采集和远动控制;实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、智能用电设备的信息交互;实现系统数据管理、综合应用、多机群控、运行维护管理等功能。系统的特点如下:

(1)完整的岸电自动化解决方案。系统具有完整的岸电电气综合自动化功能，集岸电的监测、保护、控制、计费、设备管理和仿真于一体，减少了工程设计、生产运行、维护保养及系统扩展等各个环节的协调工作量。

(2)分层分布式系统结构。采用分层分布式系统结构可以大大减少电缆数量，缩短安装时间和现场调试时间。

(3)全以太网通信架构。从间隔层的单元设备就采用以太网的通信，配合设备内部的平衡通信，使得整个系统通信非常快捷。

(4)开放性设计思想。采用开放性设计思想和成熟的先进技术，如WindowsNT，unix系统，PowerPC处理器及以太网技术等。

(5)高标准的电磁兼容性能。从单元设备的系统输入、直流电源、开关量输入、开关量输出以及通讯等环节进行电磁兼容性设计。

(6)与第3方系统互联。该系统能够和第3方系统实现网络的无缝连接。

(7)完善的电能计量管理系统。完善的电能计量管理系统实现以下功能:

1)可实现自动、及时、准确、完整、安全的电能数据采集、存储和应用。

2)可实现电压合格率统计分析、供电可靠性统计分析、无功及功率因数统计分析、用电异常分析及用电考核分析。

3)实现丰富的表格、曲线、报表等数据显示，针对用户电费自动结算，定制报表输出，并提供丰富的管理功能。

3.2 高压变频配电系统

高压变频配电系统是智能岸电系统的核心系统，完成变频变压功能，高压变频配电系统由10.0 kV高压开关柜、10.0kV高压计量柜、移相变压器柜、功率柜、控制柜、隔离变压器、6.6kV高压开关柜、动力电缆和岸电高压接电箱组成，其中高压变频系统是核心。

高压变频系统是在国电南京自动化股份有限公司具有完全自主知识产权的高压变频技术基础上开发设计的新产品，在系统设计、功率模块设计、控制系统设计等方面具有鲜明的特点和独特的优势，采用相关技术的产品已在现场长时间稳定运行。高压变频系统主要包括由移相变压器柜、功率柜和控制柜组成，它采用了多个功率模块串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出，它具有系统可靠性高、操作界面友好、安保系统完善、维护简单等技术特点。以此高压变频系统为核心组成了功能全、可靠性高的高压变频配电系统。

3.3 方案实施

方案1。综合自动化系统安装在电力管理部门，高压变频配电系统安装在港口变电站，输出的6.6kV/60Hz电源通过电力电缆输送到码头前沿的6.6kV/60Hz岸电高压接电箱。当船舶靠岸后，采用高压上船方式只需将船上的1根专用的高压电缆投放至码头，再由操作人员接入6.6kV/60Hz岸电高压接电箱即可。

方案2。综合自动化系统安装在电力管理部门，高压变频配电系统放到岸边，用1根高压电缆接上岸边10.0kV/50Hz高压接电箱，输出的6.6kV/60Hz电源到6.6kV/60Hz岸电高压接电箱。当船舶靠岸后，采用高压上船方式时只需将船上的1根专用的高压电缆投放至码头，再由操作人员接入岸电高压接电箱即可。

4 节能减排分析

4.1 减排分析

船舶排放的废气中含有多种有害物质如氮氧化物(NOx)、氧化硫(SOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳氢(HC)和悬浮物(PM)等。排放物的典型分组如图2所示。

按船用柴油发电机组耗油典型值180g/(kW·h)和产生排放物典型值7680g/(kW·h)计算，其中:

(1)N2，O2，CO2，H2O的混合废气占99.7%，为7657g/(kW·h);

(2)NOx，SOx，HC，CO等有害物质占0.3%，为23g/(kW·h);

(3)船用柴油发电机的CO2排放数据，特定燃料消耗185g/(kW·h)时，CO2排放为610g/(kW·h)。

根据《2009年中国港口年鉴》公布的数据，截至2008年年底，我国拥有港口(包括内河港口)413个，生产泊位31050个，其中1000t级以上的泊位3625个，拥有水运船舶达18.42万艘、载重12416万t。此外，还有大量的外国船舶进出我国港口。随着我国水运基础设施的不断发展，在港口作业的船舶数量还会持续增加。目前通行的做法是，船舶在港口靠泊装卸货物时，均由其自身配备的发电机发电，以满足船舶电气和机械设备的用电需要。

图2 废气排放的典型组分

现在营运船舶的吨位主要是从1000t至30万t，根据航运经验估计，营运船舶的平均吨位为3万～5万t，这类吨位的船舶每天在泊位上用于发电的实际耗油量为2～3t。以3万～5万吨级的船舶为测算依据，平均每天在泊位上的耗油按2.5t、港口泊位使用天数每年按365d、泊位利用率按90%、港口泊位数按1000t级以上的泊位3625个计算，则每年1000t级以上的各类船舶在我国港口靠泊装卸货物期间消耗的燃油为2.5×365×90%×3625=2977031t≈298(万t)。

如果这些船舶在港口靠岸期间关停自身的燃油发电机而改用岸电系统给船舶供电，在优先使用水电、风电、核电等绿色电力的情况下，岸电系统推广应用到全国，每年将会减少:

(1)混合废气排放298×7657/180≈12677(万t);

(2)有害物质排放298×23/180≈38(万t);(3)CO2排放298×610/180≈1010(万t)。

如果再把我国14万艘1000t级以下的船舶计算进来，混合废气、有害物质、CO2(温室气体)减排的效果将会进一步大幅提高。岸电系统应用可以大大缓解船舶在港期间对港区大气环境的影响，有效改善区域环境。