一、引言

船舶岸基供電技術(shù)（以下簡稱岸電技術(shù)）是指船舶在港口靠泊期間，關(guān)閉主機(jī)、輔機(jī)等動(dòng)力設(shè)備，轉(zhuǎn)而使用靠泊碼頭岸基專用電力設(shè)備供電，以維持船舶靠泊期間日常運(yùn)作、減少污染物排放的一項(xiàng)節(jié)能減排技術(shù)。從“十二五”起，交通運(yùn)輸部將“推廣靠港船舶使用岸電”作為節(jié)能減排領(lǐng)域“十大重點(diǎn)工程”之一予以推廣應(yīng)用。隨著近年來全國各港口對(duì)船舶岸基供電項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，岸基供電已在部分試點(diǎn)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，但是在實(shí)際運(yùn)行中仍存在著不少問題和困難，本文在國內(nèi)外岸電技術(shù)發(fā)展概況進(jìn)行梳理的基礎(chǔ)上，分析岸電技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為后續(xù)進(jìn)一步推廣港口岸電技術(shù)提供支撐。

二、國內(nèi)外岸基供電發(fā)展歷程

（一）國外岸基供電發(fā)展概況

歐洲各國從20世紀(jì)80年代末開始運(yùn)用該技術(shù)，根據(jù)其供電電壓高低劃分和是否具有變頻功能，大致歷經(jīng)低壓供電、高壓供電以及高壓變頻供電3個(gè)階段。

1.低壓供電階段。該階段的標(biāo)志是1989年瑞典哥德堡港StenaLine公司首次成功運(yùn)用岸電系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)采用的是400V、50Hz低壓連接系統(tǒng)，其供電結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖1。由于船舶用電設(shè)備大多僅需低壓供電，因此低壓岸電系統(tǒng)具有能與船舶用電設(shè)備直接連接的優(yōu)點(diǎn)，但其也有操作復(fù)雜（在保證同樣的電力容量下，低壓岸電系統(tǒng)需要9根電纜，而高壓岸電系統(tǒng)僅需1~2根電纜，因此使得連接操作更為復(fù)雜）、供電效率低的缺點(diǎn)。

2.高壓供電階段。2000年，瑞典哥德堡港成功建成了全球第一個(gè)高壓岸電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將6~20kV的高壓輸送到船上，再通過船舶甲板上的變壓器將其降壓至400V，以滿足靠泊時(shí)的電力需求。該系統(tǒng)主要供電對(duì)象是渡船，供電結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖2。

高壓岸電技術(shù)解決了供電效率低、操作復(fù)雜的問題，使岸電技術(shù)在一定程度上得到了廣泛的應(yīng)用。但該技術(shù)仍存在運(yùn)用局限性，這主要是由于船舶用電頻率和港口供電頻率有差異。目前大部分歐洲和亞洲國家電網(wǎng)頻率主要為50Hz，而越來越多的船舶已采用60Hz的頻率。因此當(dāng)岸基使用50Hz的電力時(shí)，就無法為需求60Hz電力的船舶供電了。

3.高壓變頻供電階段。隨著電子電力技術(shù)不斷發(fā)展，高壓條件下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)變頻的技術(shù)也得到了一定提升。2008年，比利時(shí)安特衛(wèi)普港在SAMElectronics的支持下建設(shè)了全球首個(gè)高壓變頻岸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時(shí)提供50/60Hz的電力，其供電結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖3。

此后，哥德堡港、于斯塔德港、鹿特丹港等國際化大港口，以及意大利Finacantieri船廠、新加坡裕廊船廠等船廠都陸續(xù)安裝了高壓變頻岸電系統(tǒng)。但總體來看，目前運(yùn)用高壓變頻岸電技術(shù)的港口仍然不多，一方面高壓變頻岸電系統(tǒng)成本較高（其核心組件變頻器成本高），另一方面在船舶負(fù)荷集聚變化的情況下，電力質(zhì)量會(huì)收到一定影響。表1列舉了國際上比較知名的一些港口的高壓岸電使用情況。

（二）國內(nèi)岸基供電發(fā)展概況

國內(nèi)港口的船舶岸電技術(shù)研究尚處于起步階段，2009年以來國內(nèi)已有多個(gè)港口建立船用岸電試點(diǎn)工程。2009年，青島港招商局國際集裝箱碼頭有限公司首先完成了5000噸級(jí)內(nèi)貿(mào)支線集裝箱碼頭船舶岸電改造，該系統(tǒng)只針對(duì)內(nèi)河船只，因而應(yīng)用面較窄；2010年，上海港外高橋二期集裝箱碼頭運(yùn)行移動(dòng)式氨基船用變頻變壓供電系統(tǒng)，其主要是針對(duì)集裝箱船舶；同年，連云港港口首次將高壓船用岸電系統(tǒng)應(yīng)用于“中韓之星”郵輪；2011、2012年，招商國際蛇口集裝箱碼頭先后安裝了低壓岸電系統(tǒng)與高壓岸電系統(tǒng)。目前，福建港、寧波港、天津港等國內(nèi)一些港口碼頭也正在積極進(jìn)行船舶岸電系統(tǒng)的建設(shè)和試驗(yàn)。

三、船舶用電情況分析

（一）船舶用電負(fù)荷

船舶用電負(fù)荷與船舶類型有直接聯(lián)系，船舶類型不同，船上的主要電氣設(shè)備也存在差異，但大體上可以分為幾類：（1）動(dòng)力裝置用輔機(jī)：滑油泵、海水冷卻泵、淡水泵、鼓風(fēng)機(jī)等。（2）甲板機(jī)械：錨機(jī)、絞纜機(jī)、舵機(jī)、起貨機(jī)、舷梯機(jī)和啟艇機(jī)等。（3）艙室輔機(jī)：生活水泵、消防泵、艙底泵以及輔助鍋爐服務(wù)的輔機(jī)等。（4）機(jī)修機(jī)械：車床、鉆床、電焊機(jī)、盤車機(jī)等。（5）冷藏通風(fēng)：空調(diào)裝置、伙食冷庫等用的輔機(jī)和通風(fēng)機(jī)等。（6）廚房設(shè)備：電灶、電烤爐等廚房機(jī)械用輔機(jī)和電茶爐等。（7）照明設(shè)備：機(jī)艙照明、住艙照明、甲板照明燈照明設(shè)備，還包括航行燈、信號(hào)燈以及電風(fēng)扇等。不同類型船舶靠泊期間的平均用電負(fù)荷詳見表2。

洛杉磯港靠港集裝箱船平均功率需求為1～4MW，最大功率需求達(dá)到7.5MW。我國大型碼頭掛靠的集裝箱船舶較洛杉磯港的大，靠港集裝箱船的功率需求應(yīng)該大于洛杉磯港。在港期間，一艘滾裝船所需要使用的電力平均為5000～20000千瓦時(shí)，雖然平均停泊時(shí)間相對(duì)較短，每次約10小時(shí)。

（二）船舶用電特性

目前在全球220個(gè)國家和地區(qū)中，大多數(shù)國家使用50Hz電力，只有43個(gè)國家和地區(qū)用電頻率為60Hz（其中日本部分地區(qū)用電頻率為60Hz），其中與航運(yùn)關(guān)系密切的主要國家和地區(qū)有美國、日本、韓國、巴西、加拿大、墨西哥、菲律賓和我國臺(tái)灣地區(qū)。大多數(shù)國際航線航行船用電力頻率為60Hz，應(yīng)用50Hz電力的國家或地區(qū)，內(nèi)部運(yùn)輸船用電力為50Hz。集裝箱船用電電壓有380V、400V、440V、450V、6600V等規(guī)格，其中國家或地區(qū)內(nèi)部運(yùn)輸船用通常采用較低電壓，2001年之后新造大型船開始使用6600V電力，目前制造的航行國際航線船舶不少使用6600V電力。

四、岸基供電技術(shù)方案分析

大型集裝箱船舶的岸電箱配置以6.6kV/60Hz電源居多，然而我國電網(wǎng)一般采用50Hz交流電源，需要完成50Hz電源向60Hz高壓電源的轉(zhuǎn)化，方才滿足現(xiàn)代化大型集裝箱船舶的用電需要。本文重點(diǎn)針對(duì)集裝箱船舶采取“高-低-高”變頻供電方案進(jìn)行比選分析。

（一）技術(shù)方案介紹

“高-低-高”變頻供電方案初始電源（岸基電源）為6kV/50Hz或10kV/50Hz的交流電，通過降壓變壓器把初始電源降壓至380V/50Hz或690V/50Hz，再由低壓變頻器將其轉(zhuǎn)換為440V/60Hz的交流電，完成變頻過程。隨后，440V/60Hz電源通過升壓變壓器換為6.6kV/60Hz或11kV/60Hz的電源，經(jīng)碼頭岸電箱、船舶岸電箱（船舶岸電配電板）后，供船使用。高壓變頻岸基供電系統(tǒng)主要包括三部分：岸上供電系統(tǒng)、電纜連接設(shè)備和船舶受電系統(tǒng)，詳見圖4。

（二）技術(shù)可行性分析

從變頻實(shí)質(zhì)上看，“高-低-高”方案是實(shí)際上是一種低壓變頻技術(shù)，其關(guān)鍵設(shè)備（元件）為低壓IGBT器件。該方案具有技術(shù)成熟、可靠性強(qiáng)、投資相對(duì)低的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小負(fù)荷（一般在1~8MVA之間）船舶，如集裝箱船、滾裝船、散貨船等，是當(dāng)前國內(nèi)外集裝箱碼頭岸基供電的首選方案。高壓變頻岸電技術(shù)及相關(guān)設(shè)備制造技術(shù)在國內(nèi)外均已相當(dāng)成熟。國際上可提供“高-低-高”岸基供電技術(shù)解決方案的公司主要有ABB、西門子、GE、施耐德、SAM等，其中最高單臺(tái)岸基供電系統(tǒng)容量可達(dá)到4MW；國內(nèi)可提供“高-低-高”岸電技術(shù)解決方案的有電動(dòng)工具研究所（成功案例有長興重工5MW移動(dòng)式岸電系統(tǒng)）等，另外國電南自、國電南瑞企業(yè)等均有提供岸電技術(shù)解決方案的實(shí)力，但目前尚缺乏實(shí)際案例。從產(chǎn)品提供方來看，低壓逆變器、整流器、饋電柜、開關(guān)柜、變壓器、濾波器等電子設(shè)備的產(chǎn)品制造商、供應(yīng)商不勝枚舉，完全能夠負(fù)擔(dān)岸電對(duì)設(shè)備相關(guān)要求。

（三）經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，船舶上配備的發(fā)電機(jī)組基本上都是柴油發(fā)電機(jī)組，品牌主要有芬蘭瓦錫蘭、德國MTU、日本雅馬、日本大發(fā)、美國康明斯等，柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗率一般為200g/kWh~230g/kWh。根據(jù)IMO（國際海事組織）發(fā)布的《2012年船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算導(dǎo)則》，遠(yuǎn)洋船舶輔機(jī)發(fā)電在額定工況下的燃油消耗率取215g/kWh。

船舶靠港時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)會(huì)在部分負(fù)荷下運(yùn)行，功率一般為額定功率的30%~40%，此狀態(tài)下柴油發(fā)電機(jī)的燃油消耗率比額定工況下增加約5%，則船舶在靠泊期間的燃油消耗率為226g/kWh。由于船上發(fā)電機(jī)全部為同步發(fā)電機(jī)組，其效率一般為90%，所以遠(yuǎn)洋船舶柴油發(fā)電機(jī)組的柴油消耗率為251g/kWh。據(jù)此，在美元對(duì)人民幣的匯率為1:6.5的情況下，船東采用岸電與否完全取決于岸電服務(wù)費(fèi)和低硫油成本的關(guān)系，詳見圖5。在無政府干預(yù)的情況下，當(dāng)岸電服務(wù)費(fèi)與低硫油成本的關(guān)于處于黑線上時(shí)，采用岸電和采用低硫油的成本是相同的，船東選擇岸電或低硫油的概率相同；在黑線上方，即藍(lán)色區(qū)域時(shí)，船東將采用成本更低的低硫油；在黑線下方即黃色區(qū)域時(shí)，船東將采用成本更低的岸電。

另外，根據(jù)《上海港靠泊國際航行船舶岸基供電試點(diǎn)工作方案》，港口的岸電服務(wù)費(fèi)與國際船用燃油的價(jià)格相掛鉤，具體見表3。

按目前的油價(jià)為350美元進(jìn)行測(cè)算，岸電服務(wù)費(fèi)應(yīng)收取0.5元/kwh。

（四）社會(huì)效益分析

根據(jù)鹿特丹港Euromax碼頭對(duì)來往船舶開展的污染物排放調(diào)查結(jié)論，船用輕柴油（低硫油）和（高硫油）所產(chǎn)生的NOx、PM10、SO2的排放情況詳見表4。

根據(jù)遠(yuǎn)洋船舶靠港期間柴油發(fā)電機(jī)組的燃油消耗率251g/kWh進(jìn)行測(cè)算，靠港期間船舶柴油發(fā)電機(jī)組的CO2排放量為8tCO2/萬kWh。

靠港遠(yuǎn)洋船舶使用岸電替代燃油輔機(jī)發(fā)電，在節(jié)約能源、控制溫室排放和減少空氣污染物排放方面的效果顯著，詳見表5，表中“+”“-”分別表示增加或減少。

美國西雅圖港2005年CO2排放來源分析結(jié)果表明，運(yùn)輸船舶靠港發(fā)電機(jī)發(fā)電、運(yùn)輸船舶港內(nèi)運(yùn)行以及港作船舶運(yùn)作排放的CO2分別占全港CO2排放的35%、4%和5%。洛杉磯在實(shí)施船舶岸電計(jì)劃后，氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和可吸入顆粒物(PM10)的排放量平均減少了95%。

船舶岸電的社會(huì)效益主要體現(xiàn)在港口全面推廣岸電技術(shù)之后，將基本消除船舶靠港期間有害氣體排放的問題，還可消除輔機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的噪音污染，減小噪聲擾民問題，這不僅是適應(yīng)現(xiàn)代港口繁重的運(yùn)營需要、促進(jìn)港口環(huán)保減排的關(guān)鍵技術(shù)，也是是提升港口競爭力和建設(shè)“綠色環(huán)保型港口”的重要舉措，具有重大社會(huì)效益。

五、結(jié)論與建議

從技術(shù)角度講，我國已經(jīng)攻克了國際航行船舶由于供電制式不同等問題，并有很多岸電應(yīng)用成功的案例，但岸電在港口安裝后并沒有得到有效使用。其中原因在于缺少政府強(qiáng)有力的節(jié)能減排強(qiáng)制措施和經(jīng)濟(jì)扶持政策，雖然使用起來岸電費(fèi)用較燃油費(fèi)用低得多，但船東因船舶一次性安裝岸電設(shè)備投入高、大部分港口尚未施行強(qiáng)制減排措施而沒有積極性；而港口在岸電安裝后即使沒有船舶使用也要向供電商定期購買配電容量，增加了港口企業(yè)的經(jīng)營負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致岸電的使用被迫擱淺。

但隨著船舶排放控制政策的進(jìn)一步施行，如果航運(yùn)市場的盈利狀況在此期間仍未好轉(zhuǎn)，燃油價(jià)格進(jìn)一步攀升，船東們未來將面臨更差的市場，卻承擔(dān)著更重的社會(huì)責(zé)任。對(duì)此也希望我國相關(guān)政府部門加快出臺(tái)相關(guān)激勵(lì)政策和配套措施，一方面在國內(nèi)加強(qiáng)低硫燃油的生產(chǎn)和供應(yīng)；另一方面積極研究資金引導(dǎo)方案，對(duì)港口岸電、船舶改造升級(jí)等節(jié)能減排措施給予一定經(jīng)濟(jì)扶持，刺激船東和港口雙方的減排積極性。

參考文獻(xiàn)

①袁航等.船舶岸電技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2013,(10)

②郝偉建等.船舶使用岸電技術(shù)節(jié)能減排效果的探討[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2011,(1)

③王峰等.港口岸電電能替代技術(shù)與效益分析[J].電力需求側(cè)管理,2015,5

④彭傳圣.靠港船舶使用岸電技術(shù)的推廣應(yīng)用[J].港口裝卸,2012,(06)

⑤吳振飛等.淺談船舶岸電關(guān)鍵技術(shù)[J].電氣應(yīng)用,2013,(06)