某型散货船岸电系统加装改造设计

2018-11-14史斌杰刘中银

船舶与海洋工程 2018年5期

史斌杰，刘中银，兰锋，刘赟

（上海船用柴油机研究所，上海 201108）

0 引言

大型船舶在靠泊装载期间，其主电网仍需维持船舶大功率机器和其他设备支撑系统正常运行[1]。船舶柴油发电机组在发电过程中会排放NOx、SOx、挥发性有机化合物（VOC）和颗粒物（PM）等污染物，对港口造成很大的污染。众多靠港船舶形成的“海上流动污染源”[2]会带来严重的环境污染问题。为解决该问题，美国、欧洲等相关国家或地区陆续制定船舶使用岸电、停用船电的鼓励性政策和强制性规定[3]。我国有关部门对此也高度重视，制定了一系列与岸电相关的政策，《中华人民共和国大气污染防治法》要求“船舶靠港后应当优先使用岸电”[4]；《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020）》提出：到2020年，珠三角、长三角和环渤海（京津冀）水域主要港口90%的港作船舶和公务船舶靠泊使用岸电，50% 的集装箱、客滚和邮船专业化码头具备向船舶供应岸电的能力[5]。本文就此对某型散货船（下称“目标船”）的岸电系统加装改造效益进行分析。

1 现有情况

目标船总长199.99m，型宽32.26m，设计吃水10.77m，设计航速13kn。船上主发电机组的额定功率为560kW，单台发电机组在100%负荷下的平均燃油消耗率为204.5g/(kW·h)。经电力负荷计算，目标船装卸货期间最高负荷为490kW。根据实际测算，船舶靠泊期间，发电机组在普通工况下的功率为250～300kW，在恶劣工况下的功率约为420kW。

目标船的目的港主要为南方各电厂的码头和长江南京段下游各港口，均拟建高压岸电插座箱。目标船的装货港主要为秦皇岛港、曹妃甸港、黄骅港和天津港等北方港口，其中：秦皇岛港已装配4个泊位的高压岸电插座箱，电压为AC6600V，容量为1300kV·A；黄骅港计划2018年启动高压岸电项目；曹妃甸港和天津港均已安装高压岸电插座箱。

2 改造方案

2.1 设备配置

该改造方案配置2台电缆管理系统和相应的岸电接入柜。根据船舶靠岸舷侧的情况，采用对应的电缆管理系统释放电缆，将电缆引至岸上的插座箱，实现船岸电源切换，由岸电为船舶供电，停止船舶自身供电。系统单线图见图1。

该方案的特点是使用方便、安全和操作简单。相对于1台电缆管理系统上船方案，无须增设结构平台和电缆导轨，船舶靠岸后即可将电缆送至岸上的岸电插座箱上。由于电缆管理系统是安放于船侧两舷的，可缩短电缆的有效长度，提高其操作性能；同时，缩短电缆长度可减小绞车的尺寸和重量，降低电缆管理系统对船舶安装空间的要求。该方案的安全性较高，操作性和可靠性都满足要求，故可行性较高。设备布置图见图2。

2.2 供电配置

目前国内外的船舶配电电压主要有低压（380～450V）和高压（6～10kV）2种[6]。供电电压的选择需考虑停靠船舶的用电参数需求和系统容量、接电安全性、码头岸电电压等级等多种因素。

目标船为干散货船，用电需求为低压 380V或440V。对于低压用电船舶，采用高压供电方式时需在船侧加装一个降压变压器，这会增加船侧改造成本，但可减小电缆线径，降低电缆管理系统的成本。低压供电方式则可直接为船舶提供低压电源，但其电流较大，需增大电缆线径，由此会增加电缆管理系统的成本。此外，岸电系统容量对供电参数也有一定影响。上船电压选择标准见表1。

图2 设备布置图

表1 上船电压选择标准

根据电力负荷计算书给出的数值，目标船在装卸货期间的持续功率为311kW，间歇功率为425kW，间歇功率同步系数为0.4；在装卸货期间的功率为490kW。经观察，船舶的用电功率一般为250～300kW。当某阶段的工况特殊时，例如夏季开启空调并采用供油单元电加热来代替锅炉的燃烧，用电功率应在420kW左右。由上述数据可知，计算得到的用电功率和实际用电功率基本相符。

采用岸电系统供电之后，可能增加的电力设备有电缆管理系统、岸电室通风系统、变压器和断路器柜等，估算功率为50kW。按同步系数为0.4计算，最终的功率为510kW，用电负荷可取为520kW。若船舶功率因数cosψ取值为0.8，则船舶视在功率计算值为650kV·A。根据标准规范规定，该项目所需岸电容量为650kV·A，＞630kV·A，可采用高压上船方式。

目标船所停靠装货港的岸电系统均配备为高压电制，卸货港也计划加装高压岸电系统岸基装置。根据停靠码头的现状，若目标船采用低压上船方式，目前还无法与码头岸基装置连接使用岸电，需对码头岸基部分进行改造，但码头改造涉及部门多，工程难度大，费用高，可实施性差。因此，目标船改造采用高压上船方式更合适。

根据中国船级社规范的要求，在高压岸电电压和频率满足条件的情况下，允许其与船舶电网短时并网，进行负载转移，实现无缝切换。因此，在船电与岸电切换过程中不会发生全船瞬时失电而使某些负载停止工作的情况。综合考虑各方面因素，目标船改造拟采用高压6.6kV/50Hz电制上船，岸电容量设定为650kV·A。

2.3 电缆配置

岸船连接电缆的根数和规格由船端负载决定，不同的功率对应不同根数和不同规格的电缆。根据容量和相关规范的要求，配置1根规格为“3×95mm2+1×50mm2+4×2.5mm2+ 6FO (62.5/125)μm”的动力与控制复合电缆，其中：“3×95mm2+1×50mm2”为动力电缆；“4×2.5mm2”为控制电缆；“6FO(62.5/125)μm”为通信光纤。

电缆作为传输电力的导体，为满足卷绕的应用工况，将其设计成高柔性并具备高抗拉性能。同时，电缆外护套材料具有抵抗海洋恶劣环境的能力。电缆长度的计算式为

式(1)中：L为电缆长度；A为电缆管理系统至船舷的距离，约为0m；B为船舷至码头前沿的距离，约为3.5m；C为船舷离码头面的最大高度，约为13m；D为电缆在码头上连接至岸电插座箱的长度，约为15m；E为备用长度，约为4m；F为安全固定圈（2圈）长度，约为7m。计算得到电缆长度约为50m（见图3）。

图3 电缆长度示意

3 效益分析

3.1 经济效益分析

目标船的岸电系统加装改造费用总计约437万元，其中设备购置费约325万元。根据有关规定[9]，若项目在2018年3月31日之前改造完成并成功使用，则项目所含设备投资最高可获得对应的财政补贴约为130万元。每年的岸电系统维护费用约为5万元。改造成本估算见表2。

表2 改造成本估算

在正常市场环境下，单艘船每年可航行约24个航次，在装货港停靠的时间为24h，在卸货港停靠的时间为48h。单艘船在卸货港靠港期间使用岸电的时间为46h，在装货港靠港期间使用岸电的时间为22h，单航次使用岸电时间共计68h。按照船舶靠泊时使用单台辅机的平均功率为275kW、燃油消耗率为204.5g/(kW·h)计算，每年燃油消耗量约为92t。若以目前国内船用柴油价格约为5000元/t计算，则安装岸电系统之后每年可节约燃油费用46万元。若向船舶收取电费的标准按照2016年底大客户直供电价0.77元/(kW·h)计算，则每年购电费用约为34.6万元。成本回收年限的计算式为

式(2)中：H为成本回收年限；A为投资金额，437万元；C为财政补贴，130万元；D为节约燃油费用，46万元/a；E为设备维护费用，5万元/a；F为采购电量费用，34.6万元/a。DEF- - 为年节约营运成本，计算得到为6.4万元/a；H=47.9a。根据计算结果，若以目前的油价计算，该项目成本回收年限较长，经济效益较差；但是，当国际油价上升时，即使电价上升也能有所收益。当柴油价格涨至7000元/t时，仅需12.4a即可回收成本。回收年限与油价单价之间的关系见图4。

图4 回收年限与油价单价之间的关系

3.2 社会效益分析

当船舶靠港装卸货物时，船舶辅机排放的废气会对港区和城区产生污染。根据国际海事组织公布的数据，全球以柴油为动力的船舶每年约向大气排放1000万t NOx和850万t SOx，这2种气体是破坏臭氧层的主要污染物[10]。

船舶使用岸电可减少大气污染物的排放。据有关部门统计，在美国洛杉矶港采用岸电为集装箱船供电，1艘3MV·A的集装箱船停靠1d，NOx、SOx和PM10的排放量分别可减少约1.03t、0.59t和0.043t[11]。采用岸电供电之后，根据该项计算，650kV·A的目标船在港1d，NOx、SOx和PM10的排放量分别减少0.223t、0.127t和0.0093t。使用岸电将对港区环境，乃至附近城市环境的改善起到重要作用，产生良好的社会效益。