船舶節電設計

楊 典，李寧波

（惠生（南通）重工有限公司，江蘇南通 226009）

0 引言

電氣節電設計的目的是為了降低全船電能消耗，以達到節能環保的目的。電氣節電并不以降低系統或設備的性能為代價，也不盲目增加投資以追求節能。電氣節電設計應建立在不降低系統或設備的性能、不惡化環境的基礎上，通過優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濟效益，充分比較節能所增加的投資與節能所獲得的回報之間的關系，合理使用節能設備、節能材料和節能技術。電氣節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 節電設計概述

相對于經濟性，船舶的安全性更加重要。在確保系統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電設計：1）配電系統的節電設計；2）配電變壓器的節電設計；3）配電電纜線路的節電設計；4）電動機的節電設計；5）功率管理系統的節電設計；6）照明系統節電設計。

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

2 配電系統的節電設計

2.1 電壓的合理選擇

FSRU全船電站總容量為12 450 kW，多臺電動機功率在1 000 kW左右。從技術經濟性方面考慮，可以選用6.6 kV或11 kV配電系統。

低壓系統的負載總計約為2 700 kW左右，沒有大容量電動機，系統的電纜長度基本在100 m以內，低壓系統電壓可以選擇690 V或440 V。

下面從節電角度分析高、低壓配電系統采用不同電壓等級的區別，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：在其他參數均相同的情況下，高壓系統（P=6 300 kW，R=0.015 4 Ω，cosφ=0.85）采用6.6 kV和11 kV配電系統時的電纜損耗為

如采用11 kV配電系統，相較6.6 kV配電系統可減少12.41 kW電纜損耗。據估算，11 kV配電系統的電纜及配電板等電氣設備投資金額比6.6 kV系統的多60萬，按照全年運行8 000小時計算，前者每年可比后者節約99 280 kWh電能，若按0.45元/(kWh)計算，每年可節約 4.5萬元用電成本，其投資回報期約為14年。根據上述分析，認為采用11 kV配電系統的優勢并不明顯，同時考慮到11 kV系統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配電系統更為合理。

與普遍使用的440 V低壓配電系統相比，690 V低壓配電系統電纜損耗較低，且更節約電纜金屬材料。根據式（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配電系統時的電纜線路功率損耗，可得

690 V配電系統的配電板、電動機等設備的投資約比440 V系統的投資高52萬，而前者每年可比后者節約114 080 kWh電能（按全年運行8 000小時計算），若按0.45元/(kWh)計算，每年可節約5.1萬元用電成本，其投資回報期約為10年。根據上述分析，認為本項目的低壓系統電壓等級宜采用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，若采取功率補償等措施來提高功率因素，將增大投資，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 變壓器的節電設計

變壓器損耗主要有空載損耗、負載損耗、介質損耗和雜散損耗。由于介質損耗和雜散損耗相對較小，這些損耗并不是節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，變壓器生產廠家采用先進生產工藝，已將空載損耗控制在較低范圍內，因此變壓器的節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 電動機的節電設計

FSRU在液化天然氣氣化過程中通過內循環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；低溫內循環水乙二醇再與外循環的海水進行熱交換，海水加熱水乙二醇從而實現整個氣化過程。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，因此可根據工藝要求實現海水泵的變頻、變速、變流量控制，從而達到節電的效果。

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：以上數據為接近實際的參考數據）。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：海水泵使用變頻調速控制時，每年可節約電能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年內收回。因此，認為本項目的電動機節電設計是合理的。

5 功率管理系統（自動電站）的節電設計

功率管理系統可根據電網負載情況，自動啟停發電機，使電站運行在最佳狀態，具有更好的經濟性。

主要有以下幾點節電設計：

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

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電機。

3）負載自動經濟性分配。

6 照明設備

由于全船照明系統功率僅為140 kW左右，占全船負荷不到 1%，因此僅對照明系統做以下幾點節電設計：1）不使用白熾燈（白熾燈低光效）；2）投光燈使用電子鎮流器（電子鎮流器能效高、功率因素高）。

7 結束語

船舶電氣節能潛力巨大，在環境污染日益嚴重、資源問題日益突出的背景下，研究電氣節能有著重要意義。但電氣節能設計應以滿足功能需求、符合規則規范為前提，綜合考慮系統或設備的原理和性能，從經濟、技術等多個方面對各種節能方案進行比較，選擇最優的節能方案，才能真正達到節能的目的。