国内外码头岸电系统技术应用及发展综述

刘 纯，唐苇苇，姚建新

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

1 国内外岸电系统的发展历程

1.1 欧美岸电的发展历程

从2000年开始，瑞典哥德堡港首次将高压岸电技术应用在渡船码头，靠港船舶使用岸电技术受到业界的关注。随后，欧洲的主要国家德国、比利时、挪威、荷兰及芬兰等都在各自的渡船码头进行了应用。由于渡船码头非常靠近市区，采用岸电系统之后，大大降低了城市污染。从2010年开始，欧洲更多的国家开始将港口岸电系统列入港口现代化的实施计划之内，并对靠港船舶提出越来越严格的要求。2018年，3个欧盟国家塞浦路斯、希腊及斯洛文尼亚组合联合体在希腊基利尼港(Port of Killini)尝试采用油电混合的客滚装船，并新建渡船码头岸电系统，此试验项目获得2018年GREEN4SEA 创新大奖。

2001年，美国朱诺港(Juneau Port)首次将岸电系统应用在豪华邮轮码头。至2017年，美国已有10个港口给邮轮、集装箱船等提供高压岸电系统，6个港口给拖轮、渔船等提供低压岸电系统。

欧美国家在码头岸电系统上的不断投入，一方面为所在的港口赢得了可持续发展、绿色环保的口碑，另一方面也使航运公司的船舶在靠泊期间降低大气污染，减少温室气体、氮氧化物和硫氧化物排放，从而符合国际海事组织(IMO)越来越严格的国际防止船舶造成污染公约(MARPOL公约)附则VI的要求。

1.2 中国岸电的发展及现状

与欧洲渡船码头分布在大城市的情况类似，在中国吞吐量排名靠前的主要港口都分布在长三角、珠三角、环渤海(京津冀)等的一二线城市。在很长一段时间里，港口对所在地区的污染一直被人忽视。直到2009年，尽管只是采用低压岸电系统服务5 000 吨级内贸支线船舶，青岛港还是率先完成了码头岸电系统改造；2010年，上海港外高桥二期集装箱码头配置了全球首台移动式岸基船用变频变压供电系统；半年后，连云港港首次在邮轮上使用高压岸电系统。随着岸电系统写入“十二五”规划，交通运输部从2012年开始加快了相关工作的部署。《中华人民共和国大气污染防治法(2018年修订稿)》中第六十三条明确“新建码头应当规划、设计和建设岸基供电设施；已建成的码头应当逐步实施岸基供电设施改造。船舶靠港后应当优先使用岸电。”但是，直至目前，国内岸电技术的研究和应用还处在初步阶段。

2 国内外岸电系统法律法规及技术规范

2.1 欧美岸电系统法律法规

欧盟在2005年就通过了指令Directive200533EU，从2010年1月1日起，所有停泊欧盟港口的船舶使用的燃料硫含量不得超过0.1%。同时，在Directive201494EU替代燃料基础设施指令中强制要求，从2025年起，靠泊欧盟港口的船舶必须使用岸电[1]。

美国加州法律At-berthregulation(《靠港船舶规则》)要求，2014—2020年加州港口采用岸电的比例由50%提升至80%以上，并在2019年通过更加严格的修正案[2]，分阶段控制氮氧化物、硫氧化物以及温室气体的排放。

2.2 欧美岸电系统技术规范

2011年起，欧洲的国际电工委员会(IEC)、国际标准化组织(ISO)独立或协同美国的电气和电子工程协会(IEEE)联合发布了IECISOIEEE 80005系列及IEC62613系列等标准，构建了相对完整的技术规范体系，覆盖工程设计、施工到配套产品等，并在过去5年里不断更新，紧扣相关法律法规的要求。

2.3 国内岸电系统法律法规及技术规范

2015年，交通运输部发布了《港口污染防治专项行动实施方案(2015—2020年)》(简称《实施方案》)，要求大力推动靠港船舶使用岸电，推动建立船舶使用岸电的供售电机制和激励机制，降低岸电使用成本，引导靠港船舶使用岸电，并开展码头岸电示范项目建设，加快港口岸电设备设施建设和船舶受电设施设备改造。

在《实施方案》发布前，交通运输部2012年就发布了JTS 155—2012《码头船舶岸电设施建设技术规范》和JTT 814—2012《港口船舶岸基供电系统技术条件》。前者明确规定码头船舶岸电系统设计应与码头工程各阶段的设计深度相一致，但在2019年修订版中删除了此条强制性规定[3-4]；后者于2019年1月废止，替代为GBT 36028.1—2018《靠港船舶岸电系统技术条件》。此后，国家相关部门又在2018—2019年度集中发布了一系列行业及国家规范。

3 岸电系统的组成和设计

3.1 岸电系统的组成

码头岸电设施主要由3个部分组成，即岸基船舶供电系统、船岸接口以及船舶受电系统(图1)。

1)岸基船舶供电系统。提供船舶所需岸电系统最近的电源点，在此完成变压、变频、不停电切换及集中配置相关安全保护措施。

2)船岸接口。用于连接岸基船舶供电系统和船舶受电系统，是电源和负荷的中间部分，包含电缆、连接设备等。

3)船舶受电系统。在船上原有配电系统的基础上改造或者新设的岸电接入系统。船舶上发电机等级分为高压和低压2种。

图1 码头岸电设施构成

3.2 典型岸电系统设计

典型的岸电系统主要分高压岸电系统(参照IEC 80005-1)和低压岸电系统(参照IEC 80005-3)2种。码头船舶岸电系统输出的电压和频率主要参照表1[5]。

表1 码头船舶岸电系统输出电压和频率

其中，全球最常用的高压岸电系统为6.6(6)kV，低压岸电系统为450(400)V。

除了电压之外，全球各个港口为船舶提供的频率不尽相同，如北美地区港口提供岸电的频率为60 Hz，欧洲大部分国家则为50 Hz。另一方面，不同类型、不同吨级船舶上的电压、频率也不相同。因此，与到港船舶配电网络的匹配是码头岸电系统需要重点解决的问题之一。

对常见的码头岸电系统电压进行选择时，建议如下：

1)集装箱码头：单个泊位容量630 kVA及以上常采用高压岸电系统方案；单个泊位容量630 kVA以下常采用低压岸电系统方案。例如，上海洋山深水港及外高桥集装箱码头。

2)邮轮码头：常采用高压岸电系统方案。例如，上海吴淞口邮轮码头。

3)滚装船码头：常采用高压岸电系统方案。例如，瑞典哥德堡港滚装船码头。

3.3 岸电系统设计流程

一般情况下，码头岸电系统的设计可以按照下列顺序进行(图2)[6]。

图2 码头岸电系统设计流程

根据以上流程，在以色列海法新港项目的岸电系统设计中，结合上港集团提供的近3年岸电系统运营数据和以色列港务局提供的各类资料，经反复沟通，最终确定在集装箱码头实施2套容量分别为5 MVA和8 MVA的码头岸电系统，此系统建成后将成为东地中海地区第一个集装箱码头岸电系统。

4 码头岸电系统的发展

4.1 专利数量大起大落

根据相关统计[7],1997年之前仅有为数不多的国外公司来华申请了岸电技术专利，1997—2012年国外公司在中国申请的岸电技术专利一直稳步增长，但是从2014年开始专利数量持续下降，2016年和2017年连续2年专利数量保持在个位数以内(图3)。与此相对应的是，中国公司在海外申请的岸电技术数量从2000年开始至2014年持续增长，2015年和2016年连续2年下跌之后，2017年专利数量降为1个(图4)。可能的原因是岸电系统的技术突破遇到了瓶颈，例如柔性电缆、大容量岸电电源的研究、变频变压技术的应用等。

图3 2009—2017年国外公司在中国申请的岸电技术专利数量

图4 2009—2017年中国公司在海外申请的岸电技术专利数量

4.2 不同种类的码头面对多种类型的船舶

即使在国内码头，靠泊的船舶配电系统频率不同，电压等级也不尽相同。一方面，船舶受电系统改造成本高、受电系统稳定性与安全性存在隐患，即使成功接上岸电，和码头之间还存在岸电电价标准的争议等；另一方面，码头运营方为了适应多种船型，且预留未来发展余量，常常追求更大容量的码头岸电系统。大容量岸电系统设备体积庞大，无论是新建码头还是改装码头，在安放时既要满足船舶供电需求，又不能影响码头运营，岸电系统模块化设计显得格外重要。

4.3 国内外技术应用和实际效果存在差异

2000年以来，欧美国家一直保持严格的法律法规和不断更新的技术规范，以加拿大政府为代表的一些国家甚至一直采取政府补贴的方式发展岸电系统。即便如此力度，美国加州港口从船舶开始使用岸电到成功全面推广，也历时近20 a。

我国码头岸电系统技术应用刚刚跨过第1个十年，由于发展初期规范有强制性要求，中央和各地政府都采取各类补贴政策，岸电系统的数量在最初几年增长速度较快。统计数据[8]表明：在正常使用的情况下，船舶使用岸电的成本与船舶自发电的成本基本相当，采用岸电系统的港口节能减排效果明显。但是最早一批岸电系统设计时并未科学地与码头近、远期规划及船舶需求相结合，导致已建成的很多码头岸电系统使用率非常低，码头运营方在岸电系统上使用和再投资的意愿很快下降。截至2018年底，我国共建成2 400余套码头岸电供电系统[9]，但是目前这些系统大多长期闲置，没有实际投入使用。以某沿海大型港口为例，2015—2018年，该港口共投资6 354万元，陆续建设完成了6套大容量岸电供电设备系统，但截至2018年底，仅有8次靠港船舶使用岸电。

5 结论

1)在目前国内外岸电技术专利总量不断下降的大背景下，国内企业须加大研发投入，突破技术瓶颈，掌握更多自主知识产权及核心技术。

2)须进一步研究码头岸电系统与到港船舶配电网络的匹配问题，提高供电电源的品质，同时满足船舶对供电质量的要求，在提高码头岸电系统使用率的同时，提高船舶使用岸电系统的主动性和积极性。加强船岸互动、不断创新是未来发展的需要。

3)2019年底，交通运输部颁布《港口和船舶岸电管理办法》，明确了码头工程项目单位应当按照法律法规和强制性标准等要求，同步设计、建设岸电设施，港口经营人对已建码头逐步实施改造。企业要通过科学研究，推动岸电技术的进一步应用，从而降低大气污染、减少温室气体、氮氧化物和硫氧化物排放，建设绿色环保、可持续发展的港口。