楊 典，李寧波

（惠生（南通）重工有限公司，江蘇南通 226009）

0 引言

電氣節(jié)電設(shè)計(jì)的目的是為了降低全船電能消耗，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。電氣節(jié)電并不以降低系統(tǒng)或設(shè)備的性能為代價(jià)，也不盲目增加投資以追求節(jié)能。電氣節(jié)電設(shè)計(jì)應(yīng)建立在不降低系統(tǒng)或設(shè)備的性能、不惡化環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化配電設(shè)計(jì)提高電能的合理利用。此外，需考慮項(xiàng)目實(shí)施的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，充分比較節(jié)能所增加的投資與節(jié)能所獲得的回報(bào)之間的關(guān)系，合理使用節(jié)能設(shè)備、節(jié)能材料和節(jié)能技術(shù)。電氣節(jié)電設(shè)計(jì)應(yīng)能夠減少或消除無關(guān)的電能消耗，如電纜上的功率損耗、設(shè)備不必要的電能消耗等[1-3]。

1 節(jié)電設(shè)計(jì)概述

相對于經(jīng)濟(jì)性，船舶的安全性更加重要。在確保系統(tǒng)或設(shè)備性能和安全的前提下，設(shè)計(jì)人員可以從以下幾個(gè)方面展開節(jié)電設(shè)計(jì)：1）配電系統(tǒng)的節(jié)電設(shè)計(jì)；2）配電變壓器的節(jié)電設(shè)計(jì)；3）配電電纜線路的節(jié)電設(shè)計(jì)；4）電動(dòng)機(jī)的節(jié)電設(shè)計(jì)；5）功率管理系統(tǒng)的節(jié)電設(shè)計(jì)；6）照明系統(tǒng)節(jié)電設(shè)計(jì)。

本文以某浮式儲存再氣化裝置（Floating Storage and Regasification Unit，F(xiàn)SRU）為例，就上述幾項(xiàng)節(jié)電設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單分析，在滿足系統(tǒng)或設(shè)備功能需求、符合各種規(guī)則規(guī)范的前提下，論述這些節(jié)電設(shè)計(jì)在本項(xiàng)目上的可行性。

2 配電系統(tǒng)的節(jié)電設(shè)計(jì)

2.1 電壓的合理選擇

FSRU全船電站總?cè)萘繛?2 450 kW，多臺電動(dòng)機(jī)功率在1 000 kW左右。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面考慮，可以選用6.6 kV或11 kV配電系統(tǒng)。

低壓系統(tǒng)的負(fù)載總計(jì)約為2 700 kW左右，沒有大容量電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)的電纜長度基本在100 m以內(nèi)，低壓系統(tǒng)電壓可以選擇690 V或440 V。

下面從節(jié)電角度分析高、低壓配電系統(tǒng)采用不同電壓等級的區(qū)別，并在綜合考慮其他因素的情況下確定電壓等級。

如果電纜每相電阻為R（Ω），則電纜功率損耗為

式中：?P為電纜的功率損耗，W；P為電纜輸送的有功功率，W；R為電纜每相電阻，Ω；U為額定電壓，V；I為額定電流，A；cosφ為功率因素。

從式（1）可知：在其他參數(shù)均相同的情況下，高壓系統(tǒng)（P=6 300 kW，R=0.015 4 Ω，cosφ=0.85）采用6.6 kV和11 kV配電系統(tǒng)時(shí)的電纜損耗為

如采用11 kV配電系統(tǒng)，相較6.6 kV配電系統(tǒng)可減少12.41 kW電纜損耗。據(jù)估算，11 kV配電系統(tǒng)的電纜及配電板等電氣設(shè)備投資金額比6.6 kV系統(tǒng)的多60萬，按照全年運(yùn)行8 000小時(shí)計(jì)算，前者每年可比后者節(jié)約99 280 kWh電能，若按0.45元/(kWh)計(jì)算，每年可節(jié)約 4.5萬元用電成本，其投資回報(bào)期約為14年。根據(jù)上述分析，認(rèn)為采用11 kV配電系統(tǒng)的優(yōu)勢并不明顯，同時(shí)考慮到11 kV系統(tǒng)要求更高的絕緣和更高的安全要求等原因，所以本項(xiàng)目采用6.6 kV配電系統(tǒng)更為合理。

與普遍使用的440 V低壓配電系統(tǒng)相比，690 V低壓配電系統(tǒng)電纜損耗較低，且更節(jié)約電纜金屬材料。根據(jù)式（1），對比全船 40個(gè)主要低壓負(fù)載（P單臺=18 kW～100 kW，R=0.007 7 Ω，cosφ=0.85）分別采用690 V和440 V配電系統(tǒng)時(shí)的電纜線路功率損耗，可得

690 V配電系統(tǒng)的配電板、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的投資約比440 V系統(tǒng)的投資高52萬，而前者每年可比后者節(jié)約114 080 kWh電能（按全年運(yùn)行8 000小時(shí)計(jì)算），若按0.45元/(kWh)計(jì)算，每年可節(jié)約5.1萬元用電成本，其投資回報(bào)期約為10年。根據(jù)上述分析，認(rèn)為本項(xiàng)目的低壓系統(tǒng)電壓等級宜采用440 V。

2.2 提高功率因素

由式（1）可知：在電纜輸送有功功率P一定的情況下，功率損耗ΔP與功率因素cosφ的平方成反比，因此提高功率因素有助于降低電纜功率損耗。功率因素由cosφ1提高到cosφ2后，回路減少的功率損耗為

FSRU大部分電機(jī)功率因素為0.85，在電壓（440 V）及有功功率不變的情況下，如功率因素提高到0.9，根據(jù)式（2），功率損耗可減少2.6 kW。由此可見，提高功率因素對于降低電纜功率損耗效果不是很明顯，若采取功率補(bǔ)償?shù)却胧﹣硖岣吖β室蛩兀瑢⒃龃笸顿Y，且投資回報(bào)期大于15年，因此本項(xiàng)目不考慮提高功率因素來減少功率損耗。

2.3 設(shè)備布置

根據(jù)式（1）可知：在電纜輸送有功功率、功率因素一定的情況下，功率損耗與電纜的電阻成正比，而電纜電阻又與電纜長度和電纜截面有關(guān)，減少電纜長度可以降低功率損耗。在負(fù)荷較為集中的區(qū)域設(shè)置MCC、減少變壓器與配電板之間距離等方法可降低本項(xiàng)目的功率損耗。

3 變壓器的節(jié)電設(shè)計(jì)

變壓器損耗主要有空載損耗、負(fù)載損耗、介質(zhì)損耗和雜散損耗。由于介質(zhì)損耗和雜散損耗相對較小，這些損耗并不是節(jié)電設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的對象。變壓器空載損耗又稱為鐵損，由變壓器鐵芯渦流損耗以及漏磁損耗造成，空載損耗的大小與變壓器鐵芯材料和制造工藝有關(guān)，與變壓器負(fù)荷并沒有關(guān)系。目前，變壓器生產(chǎn)廠家采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝，已將空載損耗控制在較低范圍內(nèi)，因此變壓器的節(jié)電設(shè)計(jì)以降低負(fù)載損耗為主。

FSRU配置2臺4 000 kVA變壓器（空載損耗P0=9 200 W，短路損耗Pk=35 000 W），變壓器以最大效率運(yùn)行時(shí)，最低總損耗為18 400 W。在不考慮無功功率的情況下，變壓器效率最高、變壓器總損耗最低時(shí)，負(fù)載損耗（β2Pk）等于空載損耗，變壓器的運(yùn)行負(fù)載率為

正常工況下，變壓器二次側(cè)有功功率P2=1 686 kW，此時(shí)負(fù)載率為

此時(shí)接近變壓器最大效率時(shí)的運(yùn)行負(fù)載率，變壓器的負(fù)載損耗為9 720 W，變壓器總損耗為18 920 W，非常接近最低總損耗18 400 W。

如果配置3 200 kVA變壓器，變壓器處于最大效率時(shí)的運(yùn)行負(fù)載率大約為 0.5～0.55，變壓器實(shí)際負(fù)載率為

3 200 kVA變壓器的短路損耗Pk=28 000 W，則負(fù)載損耗為

按全年運(yùn)行8 000小時(shí)計(jì)算，使用2臺4 000 kVA變壓器比使用2臺3 200 kVA變壓器每年可節(jié)約10 864 kWh電能。若按 0.45元/(kWh)計(jì)算，其投資回報(bào)期約為 5年。

4 電動(dòng)機(jī)的節(jié)電設(shè)計(jì)

FSRU在液化天然氣氣化過程中通過內(nèi)循環(huán)水乙二醇與液化天然氣交換熱量，水乙二醇提供熱量加熱液化天然氣，使之氣化；低溫內(nèi)循環(huán)水乙二醇再與外循環(huán)的海水進(jìn)行熱交換，海水加熱水乙二醇從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)氣化過程。由于需要進(jìn)行交換的熱量很多，需要的海水量也很多，全船3臺海水泵的功率達(dá)1 800（3×600） kW。海水泵的流量和功率并不要求恒定，因此可根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)海水泵的變頻、變速、變流量控制，從而達(dá)到節(jié)電的效果。

正常工況下，全船3臺海水泵全年需運(yùn)行8 000小時(shí)。流量為90%時(shí)，運(yùn)行時(shí)間占60%；流量為50%時(shí)，運(yùn)行時(shí)間占20%；流量為30%時(shí)，運(yùn)行時(shí)間占20%（注：以上數(shù)據(jù)為接近實(shí)際的參考數(shù)據(jù)）。采用非變頻和變頻方式的年耗電量分別如下所示。

采用非變頻方式，海水泵的耗電量為

3×600×8 000×0.6+2×600×8 000×0.2+600×8 000×0.2=11 520 000 (kWh)（注：流量為50%時(shí)運(yùn)行2臺泵；流量為30%時(shí)運(yùn)行1臺泵）

采用變頻方式，海水泵的耗電量為

3×600×8 000×0.9×0.6+3×600×8 000×0.5×0.2+ 3×600×8 000×0.3×0.2=10 080 000 (kWh)

由上述計(jì)算可知：海水泵使用變頻調(diào)速控制時(shí)，每年可節(jié)約電能1 440 000 kWh。若按0.45元/(kWh)計(jì)算，投資變頻器和移相變壓器的費(fèi)用可在 5年內(nèi)收回。因此，認(rèn)為本項(xiàng)目的電動(dòng)機(jī)節(jié)電設(shè)計(jì)是合理的。

5 功率管理系統(tǒng)（自動(dòng)電站）的節(jié)電設(shè)計(jì)

功率管理系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載情況，自動(dòng)啟停發(fā)電機(jī)，使電站運(yùn)行在最佳狀態(tài)，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

主要有以下幾點(diǎn)節(jié)電設(shè)計(jì)：

1）在不同的工況下，當(dāng)電網(wǎng)可用功率過剩時(shí)（其設(shè)定值可調(diào)），功率管理系統(tǒng)會解列多余在線發(fā)電機(jī)組來進(jìn)行節(jié)電。

2）設(shè)有重載問詢設(shè)置，當(dāng)啟動(dòng)大功率電機(jī)時(shí)會自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)。

3）負(fù)載自動(dòng)經(jīng)濟(jì)性分配。

6 照明設(shè)備

由于全船照明系統(tǒng)功率僅為140 kW左右，占全船負(fù)荷不到 1%，因此僅對照明系統(tǒng)做以下幾點(diǎn)節(jié)電設(shè)計(jì)：1）不使用白熾燈（白熾燈低光效）；2）投光燈使用電子鎮(zhèn)流器（電子鎮(zhèn)流器能效高、功率因素高）。

7 結(jié)束語

船舶電氣節(jié)能潛力巨大，在環(huán)境污染日益嚴(yán)重、資源問題日益突出的背景下，研究電氣節(jié)能有著重要意義。但電氣節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足功能需求、符合規(guī)則規(guī)范為前提，綜合考慮系統(tǒng)或設(shè)備的原理和性能，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等多個(gè)方面對各種節(jié)能方案進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)的節(jié)能方案，才能真正達(dá)到節(jié)能的目的。