王小宇

船舶岸電系統(tǒng)建設研究＊

王小宇

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 400063）

近幾年來“節(jié)能減排”和“綠色港口”等意識深入人心，為了有效解決船舶靠港燃油發(fā)電帶來的問題，改善港口周邊環(huán)境，船舶岸電工程在不斷地建設中。對國內(nèi)外船舶岸電的建設現(xiàn)狀及存在的問題進行了概述和 研究。

船舶岸電；港口；節(jié)能減排；空氣污染

1 船舶岸電發(fā)展背景

長期以來，港口是全球供應鏈的關鍵節(jié)點，對全球經(jīng)濟的發(fā)展有著極為重要的促進作用，但同時也是船舶污染物的主要來源。據(jù)估計[1]在船舶靠港停泊的過程中，為了維持正常的裝載、卸載和照明等工作，大多數(shù)船舶使用自身的柴油機發(fā)電來提供電能，其排碳量占港口總排碳量的40%～70%，船舶工作所產(chǎn)生的有毒害污染物可隨著氣候等環(huán)境的作用擴散到周邊1 000 km的范圍甚至更遠[2]，傳統(tǒng)的柴油機發(fā)電方式會給港口及周邊地區(qū)帶來大規(guī)模的空氣污染。此問題受到國內(nèi)外組織和學者的高度重視，歐盟早在2006年頒布法令對所有在歐盟港口?？康拇斑M行排放控制。中國2018年交通運輸部公布的《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》對進入控制區(qū)的船舶做出嚴格的排放要求，隨即2019年交通部又發(fā)布《關于進一步共同推進船舶靠港使用岸電工作的通知》。使用船舶岸電成為減少港口泊位排放和緩解過度能源消耗等問題的有效措施，積極建設船舶岸電已成為港口實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

2 船舶岸電

船舶岸電是一種清潔能源[3]，是指在船舶抵達港口之后，在作業(yè)期間不再使用船舶上的柴油發(fā)電機等船舶輔機，從港口電網(wǎng)獲得船舶設備運轉(zhuǎn)所需的電力[4]，其工作的根本是在靠港期間實現(xiàn)電能對化石燃料的替換，為“以電代油”的新能源使用模式[5]。

國內(nèi)外的船舶岸電系統(tǒng)大體上由3個部分組成[6]：①岸端配電部分，使電能從高壓變電站傳輸?shù)礁劭诘陌峨娺B接點，主要包括主變電站和岸電箱；②岸電電纜連接部分，負責連接岸電端與接受電能的船舶，主要包括電纜管理系統(tǒng)；③船舶受電部分，包括船舶變壓器和電纜裝置等。

國內(nèi)外船舶岸電系統(tǒng)整體構成如圖1所示。

圖1 國內(nèi)外船舶岸電系統(tǒng)大體組成

3 船舶岸電建設的國內(nèi)外發(fā)展

3.1 國內(nèi)發(fā)展

中國岸電建設與北美、歐盟等港口相比起步較晚，技術方面的成熟度也略低。中國2009年在青島港開始的首次岸電建設嘗試，打開了中國岸電發(fā)展的新局面[7]。2010年開啟岸電試點的總工作行程，當年在上海港完成首個集裝箱碼頭的岸電系統(tǒng)安裝，在連云港完成國內(nèi)首次高壓岸電系統(tǒng)的建設，岸電系統(tǒng)容量達到1.5 MVA，并完成對“中韓之星”船舶的岸電供電任務[8]。2012年招商局蛇口國際集裝箱碼頭完成了高低壓岸電系統(tǒng)的安裝工作。在2013—2014年天津港建設完成了36個低壓岸電裝置和2個高壓岸電裝置[9]，隨后江蘇泗洪碼頭岸電投河工程投運，該岸電設施的使用可減少30%的船舶靠港成本，蘇州港建成兩座高壓岸電裝置，天津港20余個碼頭成功安裝低壓岸電接電箱，并且開始投入使用。2015年，連云港與蛇口港高壓岸上電源逆變器成功投運，在電壓和頻率等技術方面超過國家要求，步入國際前列。2017年交通部印發(fā)的《港口岸電布局方案》中對專業(yè)泊位提供岸電的能力做出明確要求后，中國岸電建設逐步進入快速發(fā)展階段。2018年日照港完成了2個泊位的岸電改造項目，截至年底中國已建成3 700多座港口岸電設施，覆蓋了5 200余個船舶供電泊位。2019年大鏟灣碼頭的岸電泊位覆蓋率達到了100%，是華南地區(qū)第一個實現(xiàn)岸電全部覆蓋的集裝箱碼頭。天津港共建設完成了30個泊位的岸電基礎設施建設，實現(xiàn)了港口作業(yè)船舶100%使用岸電的目標，長江流域宜昌端也已經(jīng)實現(xiàn)了港口岸電的全覆蓋，年底交通部發(fā)布《港口和船舶岸電管理辦法》進一步全面完善岸電體系相關建設。2020年海南省交通運輸廳發(fā)布《推進海南港口岸電建設實施方案》表明到年底完成65個岸電泊位的建設工作。在2017年發(fā)布的《港口岸電布局方案》中提到要在2020年爭取實現(xiàn)100%的泊位岸電覆蓋率，繼續(xù)加大提倡船舶在港口使用岸電的力度，2020年是該方案計劃的沖刺階段，未達到要求的各大港口將會加快岸電設施的建設速度，中國的岸電會取得階段性的建設成果。

3.2 國外發(fā)展

國外的岸電發(fā)展可大概分為3個階段：低壓供電階段、高壓供電階段、高壓變頻供電階段。在發(fā)展過程中不斷彌補技術短板，岸電電力傳輸逐步實現(xiàn)了穩(wěn)定和廣泛的應用[10]。1988年瑞典的斯恃哥爾摩港完成了第一艘滾裝船舶的低壓岸電連接。作為世界上最早一批使用岸電技術的哥德堡港2000年安裝完成了世界上第一座岸電系統(tǒng)，此系統(tǒng)有效地降低了該港口90%以上的船舶污染物排放。2004年在洛杉磯港實現(xiàn)了集裝箱碼頭的首次岸電技術的應用。隨后的幾年間岸電技術便在歐美國家逐漸發(fā)展起來，相繼完成了岸電系統(tǒng)的泊位建設，其中包括朱諾港、鹿特丹港、安特衛(wèi)普港、圣弗朗西斯科港等。

美國加州頒布有關法律限制船舶污染物的排放，并要求預計到2020年80%的船舶靠港使用岸電，《EU Directive 2005/33/EC-2010》法令規(guī)定從2010年開始，船舶在靠港以及在內(nèi)河流域船舶使用船舶岸電，限制所有燃油種類和燃燒設備。目前在歐洲和北美地區(qū)已有30多個港口建設安裝了岸電裝置[11]。在一些岸電相關的試驗中國外已取得多次成功，美國的阿拉斯加州港成功安裝并應用7 MW/6.6 kV 容量的岸電裝置，ABB公司采用PCS100靜態(tài)變頻器等實現(xiàn)了對印度港口及船舶的升級工程[12]。

4 船舶岸電建設可解決的問題

4.1 污染物排放和環(huán)境污染問題

船舶輔機工作過程中會產(chǎn)生大量氮氧化合物、硫氧化合物、揮發(fā)性有機化合物和可吸入顆粒物等有害污染物，據(jù)國際海事組織統(tǒng)計[2]，每年大概有來自柴油動力船舶的1 850萬噸的氮硫氧化物排放到大氣中，還會因此導致酸雨、氣候變化、光化學煙霧和水污染等嚴重危害生命健康的災害形成。船舶岸電的使用基本上可以完全避免因以上污染物的產(chǎn)生而引發(fā)的巨大污染，改善港口附近環(huán)境，協(xié)調(diào)港口與城市和諧發(fā)展，對創(chuàng)建和諧港區(qū)和港口附近綠色的生態(tài)環(huán)境有較大的促進作用。

4.2 能源問題

全球能源儲存量逐年減少，消耗量逐年增加，每年僅船舶靠港燃油流量高達70萬噸[2]，并且利用傳統(tǒng)的船舶輔機燃燒燃油供電的方式發(fā)電效率過低。一方面，由于船舶燃油發(fā)電受到船舶設備等的局限，燃燒過程中耗損嚴重；另一方面，對于產(chǎn)生的多余電能沒有地方儲存，造成了明顯的能源浪費[13]，利用岸電直接提供船舶靠港作業(yè)期間的電能可提升能源的利用率，解決資源緊缺的問題，在港口的持續(xù)發(fā)展建設中有積極的正面影響。

4.3 噪聲問題

在船舶柴油發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，發(fā)出巨大的噪聲嚴重影響船員和港口附近居民的正常生產(chǎn)生活，給港口附近帶來嚴重的噪聲污染，岸電系統(tǒng)的使用取代了船舶輔機的運轉(zhuǎn)，可以在噪聲產(chǎn)生處消除因船舶電站工作產(chǎn)生的巨大噪聲，有效改善了船員和居民的作息環(huán)境。

4.4 運營成本問題

傳統(tǒng)的供電方式中，機器的持續(xù)運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生高額的燃料費用以及維護修理費用，加之近幾年石油價格上調(diào)，使得船舶靠港作業(yè)的總成本升高，采取陸上電網(wǎng)供電后，船舶自身的發(fā)電設備不再工作，大大減少了船東方的運營成本。有資料顯示[14]使用柴油發(fā)電機發(fā)電成本相對使用岸電成本高，港口方和船方在采用了船舶岸電設備后可獲得較好的經(jīng)濟效益，降低了船舶的維修和運營成本。

5 展望與總結

船舶岸電的建設有效解決了港口能源消耗大、排放嚴重的問題，可以說是船舶行業(yè)的一次革命性進步，對中國的低碳交通的發(fā)展具有重要意義。但船舶岸電屬于新興技術行列，仍然存在眾多待提升的方面。比如岸電容量問題，雖然在岸電的建設前期要對岸電容量進行確定，但是隨著船舶行業(yè)不斷大型化，所需的電力功率會越來越大，未來可能會出現(xiàn)岸電系統(tǒng)容量不足的情況。船岸交互問題，船舶電能與岸電電能的無縫銜接技術岸電供電的雙頻供電技術的建設還在發(fā)展中，目前建設完成的港口數(shù)量依然較少。目前是世界各國港口建設的重要轉(zhuǎn)型期，加之近年來交通部以及國家有關部門不斷出臺新的政策來激勵和促進岸電的建設和發(fā)展，岸電會更加快速地在中國各個港口大面積推進，實現(xiàn)港口全覆蓋。

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U653.95

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.064

2095－6835（2020）09－0149－02

武漢理工大學自主創(chuàng)新研究基金本科生項目（編號：2019-ND-B1-13）

王小宇（1999—），男，研究方向為新能源、船舶岸電、柴電混合。

〔編輯：張思楠〕