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

1 節(jié)電設計概述

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

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

2 配電系統(tǒng)的節(jié)電設計

2.1 電壓的合理選擇

FSRU全船電站總?cè)萘繛?2 450 kW，多臺電動機功率在1 000 kW左右。從技術經(jīng)濟性方面考慮，可以選用6.6 kV或11 kV配電系統(tǒng)。

低壓系統(tǒng)的負載總計約為2 700 kW左右，沒有大容量電動機，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備投資金額比6.6 kV系統(tǒng)的多60萬，按照全年運行8 000小時計算，前者每年可比后者節(jié)約99 280 kWh電能，若按0.45元/(kWh)計算，每年可節(jié)約 4.5萬元用電成本，其投資回報期約為14年。根據(jù)上述分析，認為采用11 kV配電系統(tǒng)的優(yōu)勢并不明顯，同時考慮到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個主要低壓負載（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)時的電纜線路功率損耗，可得

690 V配電系統(tǒng)的配電板、電動機等設備的投資約比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（按全年運行8 000小時計算），若按0.45元/(kWh)計算，每年可節(jié)約5.1萬元用電成本，其投資回報期約為10年。根據(jù)上述分析，認為本項目的低壓系統(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，若采取功率補償?shù)却胧﹣硖岣吖β室蛩兀瑢⒃龃笸顿Y，且投資回報期大于15年，因此本項目不考慮提高功率因素來減少功率損耗。

2.3 設備布置

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，減少電纜長度可以降低功率損耗。在負荷較為集中的區(qū)域設置MCC、減少變壓器與配電板之間距離等方法可降低本項目的功率損耗。

3 變壓器的節(jié)電設計

變壓器損耗主要有空載損耗、負載損耗、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)電設計重點考慮的對象。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，與變壓器負荷并沒有關系。目前，變壓器生產(chǎn)廠家采用先進生產(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)電設計以降低負載損耗為主。

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行時，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，負載損耗（β2Pk）等于空載損耗，變壓器的運行負載率為

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

此時接近變壓器最大效率時的運行負載率，變壓器的負載損耗為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的運行負載率大約為 0.5～0.55，變壓器實際負載率為

3 200 kVA變壓器的短路損耗Pk=28 000 W，則負載損耗為

按全年運行8 000小時計算，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)計算，其投資回報期約為 5年。

4 電動機的節(jié)電設計

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)的海水進行熱交換，海水加熱水乙二醇從而實現(xiàn)整個氣化過程。由于需要進行交換的熱量很多，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)工藝要求實現(xiàn)海水泵的變頻、變速、變流量控制，從而達到節(jié)電的效果。

正常工況下，全船3臺海水泵全年需運行8 000小時。流量為90%時，運行時間占60%；流量為50%時，運行時間占20%；流量為30%時，運行時間占20%（注：以上數(shù)據(jù)為接近實際的參考數(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%時運行2臺泵；流量為30%時運行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)

由上述計算可知：海水泵使用變頻調(diào)速控制時，每年可節(jié)約電能1 440 000 kWh。若按0.45元/(kWh)計算，投資變頻器和移相變壓器的費用可在 5年內(nèi)收回。因此，認為本項目的電動機節(jié)電設計是合理的。

5 功率管理系統(tǒng)（自動電站）的節(jié)電設計

功率管理系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)負載情況，自動啟停發(fā)電機，使電站運行在最佳狀態(tài)，具有更好的經(jīng)濟性。

主要有以下幾點節(jié)電設計：

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

2）設有重載問詢設置，當啟動大功率電機時會自動啟動備用發(fā)電機。

3）負載自動經(jīng)濟性分配。

6 照明設備

由于全船照明系統(tǒng)功率僅為140 kW左右，占全船負荷不到 1%，因此僅對照明系統(tǒng)做以下幾點節(jié)電設計：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)能設計應以滿足功能需求、符合規(guī)則規(guī)范為前提，綜合考慮系統(tǒng)或設備的原理和性能，從經(jīng)濟、技術等多個方面對各種節(jié)能方案進行比較，選擇最優(yōu)的節(jié)能方案，才能真正達到節(jié)能的目的。