港口电气节能技术应用研究

◎姚晨

对港口电气节能技术进行分析与研究，明确港口各个机械设备的能耗情况，了解电气节能技术的主要内容，选择港口设备的时候挑选功率低和能耗低的设备，选择装卸机械设备的时候对负荷进行计算，尽量使用具有节能性能的变压器，对电缆的布置进行优化设计，利用滤波装置控制谐波，利用无功补偿装置消除无功功率，根据港口的实际照明需求使用照明设备。

港口中机械设备的种类众多，大量的机械设备和复杂的电网系统会产生较大的能耗，对港口的电气设备进行设计时应遵循节能降耗的理念，使用能耗低、效率高和运行稳定的设备，对港口机械设备的能耗问题进行分析，对电气节能技术进行运用，利用电气节能技术减少港口的总能耗，降低机械设备的运行成本，达到减少能耗的目的。

一、港口电能消耗设备与电气节能技术

1.港口电能消耗设备的构成。

第一，大型装卸设备，港口中的货物重量较大，对其进行装卸时，需要使用专门的装卸机械，大型装卸机械设备包含多种类型，不同类型的设备有不同的功能和装机容量，比较常用的有集装箱龙门起重机，还有堆料机等设备。如果装卸机械容量较大、电缆较长，通常会用10kV 或6kV 上机，在装卸机械上安装变压器；若装卸机械容量较小、电缆较短，可以使用380V 上机，对机械设备进行变频调速控制。港口的货物运输还会使用带式输送机、斗轮堆取料机等设备，这些设备都会消耗较大的电能。第二，辅助动力设备，这些设备主要是指空调、水泵以及污水处理等设备。第三，照明设备，港口的各个区域都需要使用照明设备，对于室内照明来说，港口有综合楼和调度楼等办公楼，还有机修间等建筑。对于室外照明来说，港口道路和码头等区域都需要照明。通常，办公楼中的照明设备主要是白炽灯或荧光灯，车间或仓库等空间以及室外空间的照明设备主要是金卤灯或高压钠灯。

2.电气节能技术的主要内容。

第一，对电网配置进行优化。输电和配电需要依靠电力网络，输送电能的时候必然会出现电能损耗的情况，但是，对电网进行优化配置，能够减少一部分电能的损耗，一方面，可以减少谐波导致的能耗，对谐波进行抑制和控制，通过滤波装置消除谐波；另一方面，可以减少无功电流导致的电能损耗，对无功功率进行补偿，采用合适的补偿装置。变压器和电机等设备的负荷并不稳定，电网中存在较多的无功功率，应采用就地补偿的方式，利用并联电容器进行控制，避免远距离输电的时候损失较多的电能。

第二，调整电机使用模式，电机的功率会对电能的消耗带来非常大的影响，我国对电机的研究和运用仍有很大的进步空间，如果能够对当前的电机运行模式进行优化，就可以减少电机部分的能耗。电机的制造成本非常高，运行的过程中会耗费较多的电能，运行成本也非常高，应从制造和运行的层面上进行研发和优化设计，降低材料和制作的成本，解决新材料和新能源使用中的问题。

二、电气节能技术在港口中的应用

1.使用节能设备。

港口运用了各种先进的技术和设备，采用了先进的、现代化的管理方式，为了满足港口的不同需求，港口引入了不同功能的设备，这些设备的总能耗非常大，电气节能设计应当从设备的角度出发，从源头上解决港口电能消耗较大的问题。

例如，某港口采用了滚装码头岸电系统，能够在港口码头实现并网供电，与过去相比，并网后的总用电量大幅减少，而且还减少了二氧化碳的排放，减轻了大气污染。又如，在某大型集装箱码头的电气节能设计中，港口包含集装箱装卸桥、堆场冷藏箱、ERTG 辅建区综合办公楼、食堂、侯工楼、机修车间等，码头初建时用电量较低，为了减少电能损耗，做了如下变动：（1）将中心变电所MSS 设在重箱堆场中间。（2）将分变电所SS1 设在冷藏箱堆场周边，减少电缆截面面积，缩短电缆长度，达到节能目的。（3）将分变电所SS2 设在重箱堆场中间，为ERTG 供电，节省了30%的能耗和65%的运行成本，降低了50%的噪声。（4）将分变电所SS3 设在综合办公楼周边区域，减少了输电过程的损耗。

2.使用节能性较强的装卸设备。

装卸设备是港口装卸货物时必须要使用的设备，装卸设备的选择会对货物装卸速度和电能消耗量产生非常大的影响，选择装卸设备时应注意该设备的负荷情况和能耗情况。我国港口机械设备的发展并不成熟，港口设备的设计人员往往会根据国外的资料和自身的经验进行设计，然而，设计中的功率参数并不合理，在具体的使用和运行中，设计的功率比设备实际运行中的电机功率大，导致设备运行期间产生较高的无功功率。为了缩小设计功率与实际功率之间的差距，需要对港口货物进行分析，详细计算货物的重量，根据货物重量确定装卸设备的电机功率，尤其要注意那些频繁启停的设备，以免不合适的电机功率影响电机的正常运行。设计人员不仅要根据计算负荷和电机功率，还可以在电机中安装保护装置。港口货物的体量和重量都比较大，所以装卸设备的体量也比较大，为了满足货物装卸的需求，往往会增加电机功率，为了减少电能损耗，需要对谐波进行控制，使用控制谐波的装置，避免谐波引起较大的能耗问题。

3.明确电压情况。

选择变压器之前应当明确配电电压等级，港口中的很多机械设备都有非常高的功率，设备在启动和运行的时候，电流和电压损失都比较大，应注意电缆的选择，对电缆截面的面积进行分析，如果截面面积过大，同一时间竟过的电流较多，就会产生较多的能耗，增加设备使用的成本，严重影响低压电网的运行。为了适应电压的情况，需要使用配电为10kV的电动机，以此来较少启动电流和电能损耗。在港口变配电系统的节能设计中，需要根据实际的情况选择变压器，利用变压器降低电能消耗。挑选变压器之前，需要对变压器的有功功率损耗量进行计算，计算公式为：△=Po+βPd。在这一公式中，Po 表示的是空载有功损耗，β 表示的是负载率，Pd 表示的是短路损耗。其中，空载有功损耗又被称为铁损，受到硅钢片性能的影响，与铁芯构造有很大的关联性，铁损包含漏磁与涡流的损耗，当同型号的变压器有着相同的电压等级时，则容量和空载有功损耗呈现出正相关的关系。短路损耗又被称为铜损，绕组的电阻和流经电流会对其产生影响，主要指的是传输功率的损耗。通常，当变压器和负荷率不变时，功率因素和运行效率呈现出正弦管的关系，当变压器和功率因素不变时，负荷率处于0.42～0.6 之间时，运行效率最高。

根据以上规律选择变压器，可以选择一些新型的节能变压器，此类变压器具有能耗低、效率高和重量轻的优点，能够有效减少空载损耗和短路损耗。选择变压器的时候还要比较不同变压器的容量，对负荷进行计算，计算变压器负荷系数时，可以参考《变压器允许过负荷系数的负荷率最大负荷持续时间关系曲线》，将负载率控制在70%～85%之间，若容量和负荷的变动都比较大，可以购买两台变压器，确保这两台变压器有相同的容量，如果实际使用时的负荷较小，就启动一台，如果实际负荷较大，就可以同时启动两台。例如，在装机容量为4000kVA 的情况下，方案一是使用两台2000kVA容量的变压器，方案二是使用四台1000kVA 容量的变压器，面临这种情况，秉持节能理念，需要使用方案一。

4.减少输送电缆的能耗。

港口设备使用的电能都是由中心变电所提供的，电缆可以将电能输送给不同方位的设备，港口干线网的布设非常复杂，输送的过程中往往会损失一部分电能，应当对电缆线路的布置方式进行优化，加强电缆的管控。电缆的选择是建设干线网的基础和重点，应选择电阻较小和电流较大的电缆，比较常用的电缆有铜芯电缆，此类电缆能够满足电阻和能耗的要求。对电缆进行铺设的时候，应加强电缆的监管，仔细检查电缆的型号种类和电缆的材质性能，避免型号材质错误或性能质量较差的电缆进入到港口电缆铺设现场。当电能传输过程中产生较大的电流时，原本的波形会受到较大影响，波形改变之后，变压器很难准确识别出电流，导致电能受到损失，而质量性能较好的电缆能够对变化情况进行控制，铜芯电缆的质量性能非常好，有着较小的电阻，能够有效避免波形产生较大的变化，让电能的输送更加安全和可靠。对于大中型港口来说，港口的面积非常大，电缆的长度有很大的差异，要想减少电缆输电过程中的能耗，需要先确定变电所的数量，根据各个设备的所在方位和电能需求合理设计供电半径，尽量让变电所和负荷中心想接近，缩短供电的距离，减少输电过程中的电能损耗。在电缆长度较长且设备容量较大的情况下，需要使用高等级的电压，如起重机、卸船机等机械设备可以使用10kV 的供电电压，注意电缆的截面情况以及电源的进出线方向。

5.使用无源滤波器。

谐波具有很大的危害性，会降低输电效率，使电气设备出现发热问题，加速设备的老化，还会使设备出现噪声和振动，进而引发故障问题，继电保护设备以及自动化设备也会在谐波的影响下做出错误的动作，无法保证电能计量的准确性，令电力系统部分区域出现谐振情况，甚至会烧毁电容器。计算机系统和其他电子设备无法正常运行，有可能使数据丢失，还会对无线电发射系统进行干扰。要想解决这些问题，必须要对谐波进行控制，可以使用滤波的方法，比较常用的方法为无功补偿，另外两种滤波的方法分别是有源滤波和无源滤波。无源滤波器由两部分构成，分别是电感器与电容器，具有操作简单、成本低的优点，所以，经常会对无源滤波器进行应用。如果电力系统中的谐波含量非常高，就要进行多次滤波，将滤波控制在一定的范围内，避免电力系统受到影响。

例如，在洋山四期工程设计中，一共有5 个5 万吨级和2 个7 万吨级的集装箱泊位，港口码头原本有两个AGV 充电间，每个充电间都配备了多台充电机，将谐波电流注入到电网系统中，会浪费较多的电能。在节能设计中，安装了多个有源电力滤波器，能够有效减少谐波的影响。同时，设置了10KV 动态有源滤波和无功补偿装置，能够直接解决电压波动和三相电压不平衡等问题，避免出现闪变的情况，改善电能质量。

6.运用无功补偿技术。

港口的配电系统中经常会产生一定的无功功率，这会损失一部分电压和电能，如果无功功率逐渐加大，会对变电设备产生较大影响，进一步降低变电能力。为了减少无功功率的影响，需要制定科学的无功补偿方案。当无功功功率补偿容量变少之后，补偿的效果就难以到达相应的目的，在供电部门会对其进行处罚。另外，当无功功率补偿量过大的时候，往往会以更高的成本采购机械设备。由此可见，无功补偿过高和过低都不利于能耗和成本的节约，应进行计算并根据计算结果进行设计，根据计算的参数确定补偿的数据，制定补偿方案，确保无功补偿方案能够满足功率因素的规定，达到节能降耗的目的。利用无功补偿技术保证电网的安全性和稳定性，减少设备和电缆的电能损耗，在功率因素不断能提高的情况下，减少谐波电流。

有三种类型的无功补偿装置，第一种是并联电容器，该装置比较简单，能够进行开关分组投切，限制开关投切的次数和频率，调整单向级差。该装置是一种静态无功补偿装置，可以调整稳态电压，还能校正功率因素。并联电容器运行过程中不会产生谐波，安装成滤波器后，还可以对其他谐波进行吸收。该装置主要在电力系统和负荷变电站中使用，整体的成本较低，维护方式也比较简单。第二种是同步调箱机，属于旋转机械，能够在控制系统的控制中进行双平滑调节，该装置是一种动态无功补偿装置，响应效率会受到约束，但整体的调节能力强，还可以让投运点有更大的短路容量，该装置既不会形成谐波，也无法吸收谐波，运行时的电能损耗量较高，同步调箱机的成本较高，维护困难，一般会在电力系统枢纽变电站换流站中使用该装置。第三种是静止无功补偿器，这种补偿器能够以较快的速度进行动态补偿，运行时会形成和吸收谐波，运行的能耗较小，主要在枢纽变电站与换流站中使用，在特殊负荷中也可以使用该装置，静止无功补偿器对技术的要求非常高，成本相对较高。综合来看，并联电容器各方面的性能较好，可以对该装置加以利用。

7.使用节能照明设备。

港口货物集散经常会在夜间进行，夜间货物集散需要良好的照明条件，照明设备的电能消耗量在总能耗中的比例相对较高，要对港口码头的照明系统进行优化设计，对照明设备进行布局时全面考虑港口各个区域对照明的需求，有的区域并不需要较好的照明条件，可以在该区域使用功率较小的照明设备。对于照明要求较高的区域来说，需要选择照明效果好的照明设备，一定要注意装卸货物区域的照明情况，如果要对大范围的空间进行照明，一般会使用功率较大的高架灯，安装时要注意高架灯灯杆的长度，灯杆的高度会影响照明的范围和照明的强度，同时还要注意灯杆之间的间距，应结合灯杆的高度和照明范围合理设置间距，确保相邻灯具的照射范围刚好能够重叠，避免重叠区域过大或者中间间隔的区域过大。设计的时候可以提出多个方案，对各个照明设备的设计方案进行模拟和比较，确保照明设备的设计能够满足港口各个区域的实际需求，而且不会出现浪费的情况。

对照明设备进行优化设计和节能设计时，要控制照明设备的数量，还要根据港口码头不同时间段的照明需求合理控制照明设备的开关时间，减少不必要的照明设备和及时关闭照明设备能够在很大程度上节省电能。例如，港口码头办公楼中的照明设备，工作人员要养成随手关灯的习惯，下班后及时关灯，管理人员要对办公楼进行巡查，关闭办公楼的灯具。如果办公空间较大，灯具数量较多，但工作人员数量比较少，可以设置多个开关，关闭一部分灯具。对楼道的灯具进行设计时，可以采用声控开关，尽量不要设置长明灯。总体来说，照明设备的布置应遵循少而广的原则，在满足港口各区域照明需求的基础上尽可能减少照明设备的数量，尽量扩大照明设备的照射范围，还要根据实际的照明需求采用分时段照明的方法，减少港口中照明设备的总能耗。

结论：电气节能技术在港口机械设备的节能设计中起到了重要的作用，电气节能技术根据港口中各个机械设备的能耗问题提出相应的解决措施，对所有存在能耗的部分进行优化，从整体上解决港口机械设备的能耗问题，降低货物装卸、设备运行、电缆输电、灯具照明的能耗，发挥电气节能技术的优势和作用，降低港口的能耗和设备运行的成本。