船舶岸电系统的应用

当今世界贸易往来频繁，以船舶为主体的海上运输凭借自身低廉的运输成本、巨大的运输体量，成为国际贸易的主要运输方式。我国是能源消耗大国，大量依赖国外进口，随着时间的推移能源会越来越紧张，价格会越来越贵，长此以往，最终会遏制经济的发展。矿物燃料的大量使用，也会加剧有毒有害气体的排放，危害人们的身体健康，破坏生态环境，严重威胁人类的生存，造成难以估量的危害。国内外航运业的高速发展，港口码头停泊的船只数量也日益增长，船舶在停港靠岸后，为保证船舶的基本功能和货物装卸的顺利进行，船舶的引擎不能熄灭，需要船上的发电机持续提供电力，但随着大功率柴油机的连续工作，大量的CO、CO₂、硫化物、NOX

和可吸入性颗粒物排放到空气中，造成严重的大气污染。同时高分贝的柴油发电机工作时的轰鸣声也给港口及附近区域带来巨大的噪声污染，在港口地区实施靠港船舶使用岸电电源的措施，不仅是未来港口码头建设的发展方向，更是对保护港口地区、市区的生态环境、人居环境有着重大意义。关闭船舶上的辅助发电机，也能减少船舶的震动和噪音，提高船员的生活工作环境质量，更是为船只停靠期间检修发动机提供了便利的条件，对船舶有积极作用。因此，寻找无污染的、清洁的新能源，寻求可持续发展之路，是当今社会的重要课题。一、岸电系统概述1、岸电系统出现的背景早期大型船舶在靠港装货和卸货期间，按照船舶载重量考虑，其消耗功率较大，集装箱船根据其装箱和冷藏箱的数量，需要大量电力输出，为保证大功率设备及其他设备支撑整个系统的正常工作，船上的燃油发电机必须持续运行，但是船舶发电机在靠港及装卸作业期间利用率较低，产生的多余电能也不易储存，造成了燃料资源的浪费，污染港口及周围地区环境

[1]，同时欧盟港口对靠港船船舶所用的含硫高燃油也有严格规定，虽然各港口设置有岸电箱，但其容量仅能满足船舶维修及停港期间的基本用电，基于以上情况，岸电系统随之应用发展。2013年8月15日起，国家电网公司开始推行电能替代实施方案，全方面推动实施电能替代工作。港口船舶岸电属于国家大力推行的技术领域，岸电技术还处在起步阶段并不成熟，诸多制约其发展的技术问题亟待解决。2、岸电系统的发展历史岸电的出现最早可以追溯到20世纪初，国际上一些港口码头开始零星为靠港停泊的船只提供电力，给船舶的用电方案带来了替代选项；港口岸电设施建设，随着航运业在全球范围内的蓬勃发展，越来越多的港口加大建设岸电供电设施，包括电缆、插座等相应的配套设备，通常供电设施会集中在港口的指定区域，方便船舶接入电源；出台国际规范，为了减少港口区域的污染，保护港区周围环境和规范统一港口岸电供电方案，国际组织和政府职能部门开始制定和推动岸电用电的相关规范和标准，国际海事组织（IMO）制定了岸电用电的指导原则，鼓励港口和船舶进行相应的技术升级和改造；岸电技术发展和进步：随着科技发展，岸电设备和技术也在不断更新进步，岸电系统更加高效、可靠，在电能传输和控制方面有了长足的发展。部分先进的岸电系统还具备了远程监控和远程管理的功能，极大地提高了在实际使用中的便利性和安全性；岸电系统网络的建设，为了满足靠港船舶对岸电日益增长的需求，大型港口已经开始了对岸电网络的建设，力求覆盖更多的停泊区域，提供更加广泛的供电服务。岸电网络由多个电源和配电设备组成，可以为多艘靠港船舶同时提供电力；环保政策的倡导，随着各国环境保护意识的提高，越来越多的港口和航运公司都在积极推进和使用岸电作为船舶停港期间的用电方案，很多国家和地区出台了相关的环保政策和激励措施，鼓励靠港停泊船只使用岸电，减少对港口和周围区域产生的大气和水污染。3、国内外的现状和发展趋势绝大多数国家和地区提供的陆上供电和使用的设备用电频率基本上都是50Hz和60Hz，国内的内河及沿海船舶的电气设备用电频率为50Hz，远洋船舶的电气设备用电频率为60Hz。大部分船舶用电的交流电制形式：三相交流6.6kV/60Hz、440V/60Hz、380V/50Hz，国际国内港口码头改造和新建的通用岸电供电形式要满足以上种类的船舶交流电制。我国的港口岸电供应不仅存在变压的问题，同时还要到达变频的目的，通常我国陆上电网的供电频率为50Hz，对于60Hz的船用设备来说其并不适用50Hz的交流电，因此研究适合我国港口电制的变压变频技术，满足50Hz/60Hz双频电制供电，是我国发展船用岸电技术的重点[2]。我国新建的大型船舶以及港口岸电设施的改造、建设要满足国际国内相关规范标准，确保港口岸基设施的容量、电压、频率等各项指标满足实际使用要求，接插件的数量、规格要相互匹配。集装箱船停泊位和船舶岸电系统要具备AC6.6kV/60Hz供（受）电能力，配备足够数量的插座箱，靠港船舶配备电缆管理装置，具备双舷接用岸电的能力，集装箱船泊位和船舶的接插件选用AC7.2kV/350A规格；邮轮泊位根据靠泊邮轮的情况应具备AC6.6kV/60Hz或AC11kV/60Hz供电能力，并配备电缆管理装置，邮轮码头和邮轮的接插件选用AC12kV/200A规格[3]。二、典型岸电系统分析1、岸电系统的分类岸电系统也被称为“替代船舶动力”装置，指的是船舶停靠港口期间关闭发电机并入当地电网的过程。岸电系统的工作原理是将岸上供电系统（岸基装置）通过船岸交互部分将电力送至船舶受电系统（船载装置），从而满足靠港船舶的用电需求。岸电系统主要分为高压交流岸电系统和低压交流岸电系统。高压交流岸电系统：系指港口向船舶配电系统供电的电源额定电压（相间电压）为1kV以上且15kV及以下的船舶岸电系统；低压交流岸电系统：系指港口向船舶配电系统供电的电源额定电压（相间电压）为1kV及以下的船舶岸电系统。通常业界低压岸电采用的电压等级为380V/50Hz或440V/60Hz，高压岸电采用的电压等级为6kV/50Hz、6.6kV/60Hz或11kV/60Hz。一般情况下，具有岸电系统船载装置的大型船舶在靠港期间，均鼓励使用岸电。2、岸电系统的组成岸电系统通常由岸基装置和船载装置组成。岸基装置系统可将陆上电网电源经过变压器、变流器及隔离变压器转换成靠港船舶所需要的电压和频率等级的电源，并最终送至码头接线箱处[4]。岸基装置中的变流器是以功率器件变频技术为基础开发的产品，是岸上供电系统中的核心设备。岸基装置中高压电缆的敷设需要满足以下严格要求：1）高压电缆在敷设过程中尽量远离人口居住区域，如实在无法避免，则应单独敷设在封闭的系统中；2）通常，具有有效且连续接地的金属护套或铠装的高压电缆应安放在托架上，否则整根高压电缆应安装在设有有效接地的金属封闭罩壳中；3）高压电缆要与其他不同工作电压的电缆分开布置，尤其是不能敷设在同一电缆槽、同一电缆束、同一箱（盒）中或同一管道中。如果不同工作电压的高压电缆必须安装在同一托架上，那么电缆之间的间隙要满足规范的最小值，但是高压电缆一定不能与工作电压1kV及以下的电缆安装在同一电缆托架上；4）高压电缆所有导体的端头必须有效地覆盖上合适的绝缘材料，在接线盒中如导体无绝缘层，则相间和相对地之间应采用合适的绝缘材料制成坚固隔板来相互隔开[5]。船载装置系统是船舶配电系统的一部分，拥有岸电系统的船舶在入级证书上一般会有船级社附加标志，船舶入级不同的船级社附加标志也会不一样，CCS船级社的附加标志为AMPS（AlternativeMaritimePowerSupply，交流高压岸电系统）；LR船级社的附加标志为OPS（On-shorePowerSupplies）；ABS船级社的附加标志为HVSC（HighVoltageShoreConnection，高压岸电连接）；DNV船级社的附加标志为ShorePower；BV船级社的附加标志为也是HVSC[6]。船载装置系统的安全合规对船岸人员安全使用船舶岸电系统至关重要，不仅需要持有船用产品证书，更要满足法定检验规规则的强制性要求并经船检部门认可，才能发挥预期的作用。船载装置系统包含了电缆管理系统、连接配电板、变压器、低压接入屏这几部分，要具备电压指示、极性或相序(三相交流)检测、应急切断、安全联锁、负载转移、短路保护、逆功率保护等功能。船载装置系统连接方式如图1所示。图1船载装置系统示意图电缆管理系统功能：1）提供供电点与接收点直接的船岸电缆连接；2）保持电缆的最佳长度，最大限度地减少松弛的电缆，防止超过张力极限；3）电缆连接后自动收放电缆，具有急停功能；4）具有电缆倒数报警功能，能够及时切断岸电电源。连接配电板功能：1）设有真空断路器，用来保护下游电气设备，断路器宜采用模块化设计，方便现场快速便捷更换；2）中控面板用来对相关设备进行集中监控；3）仪器和指示器用来显示岸电状态；4）配套按钮和选择开关用来操作断路器的接通和断开。低压接入屏功能：1）监测船舶发电机和岸电状态；2）船岸电力同步和电力传输；3）岸电保护和紧急切断。3、岸电系统的工作过程船舶靠港安全使用岸电，需要多个部门协同工作。船舶在抵港前做好船载设备的效应检查和接入岸电前的准备，抵港后确认岸电电源和岸电设备可以正常工作，使用电缆卷车将电缆放出并连接到港口岸电插座，将船舶上的发电机减少至1台，并尽量减少船上负载。高压岸电插座箱与岸电电缆绞车插头进行连接，实现岸电对船舶电气设备供电的过程中，如果仅仅采用人工进行操作，会带来巨大的操作风险，因此该操作过程会采用辅助自动插拔装置。电缆插拔过程由电动操作装置完成，人工进行辅助，这样不仅节约了人力、物力的投入，安全性也得到了极大的提高。电缆连接好以后，岸电供电的操作一般分为3个阶段，首先船电切换成岸电，通过合闸试验后连接岸电，检查电参数正确后用岸电切换船电；其次是岸电供电，将船电切换到岸电后，恢复船舶电站正常工作，安排值班人员监控状态；最后是用船电切换岸电，在船舶离开港口前的一段时间将发电机备车，降低电网负荷，用船电切换岸电，恢复船舶电站的正常工作。三、推进岸电系统的举措首先，要推动港口企业落实靠港船舶使用岸电的措施，包括船舶优先离靠港、靠泊费用的优惠、减少或免除岸电服务费等；其次，指导港口建立健全岸电安全使用制度，港口运营企业和船舶经营企业要加强技术人员队伍的培训，提高岸电使用的技术支撑能力，相关企业制订岸电维护保养制度和岸电操作规程，完善岸电的管理和使用。鼓励岸电使用的双方加强合作，签订使用岸电的协议，并引入第三方保险制度，合作共赢；码头运营公司要落实每个停靠泊位的位置、岸电容量和接插件等实际匹配情况。实践过程中通过对靠港船舶停泊航线的引导、及时调整船只靠港泊位等方式，尽早实现具备岸电