船舶节电设计

杨 典，李宁波

（惠生（南通）重工有限公司，江苏南通 226009）

0 引言

电气节电设计的目的是为了降低全船电能消耗，以达到节能环保的目的。电气节电并不以降低系统或设备的性能为代价，也不盲目增加投资以追求节能。电气节电设计应建立在不降低系统或设备的性能、不恶化环境的基础上，通过优化配电设计提高电能的合理利用。此外，需考虑项目实施的实际经济效益，充分比较节能所增加的投资与节能所获得的回报之间的关系，合理使用节能设备、节能材料和节能技术。电气节电设计应能够减少或消除无关的电能消耗，如电缆上的功率损耗、设备不必要的电能消耗等[1-3]。

1 节电设计概述

相对于经济性，船舶的安全性更加重要。在确保系统或设备性能和安全的前提下，设计人员可以从以下几个方面展开节电设计：1）配电系统的节电设计；2）配电变压器的节电设计；3）配电电缆线路的节电设计；4）电动机的节电设计；5）功率管理系统的节电设计；6）照明系统节电设计。

本文以某浮式储存再气化装置（Floating Storage and Regasification Unit，FSRU）为例，就上述几项节电设计进行简单分析，在满足系统或设备功能需求、符合各种规则规范的前提下，论述这些节电设计在本项目上的可行性。

2 配电系统的节电设计

2.1 电压的合理选择

FSRU全船电站总容量为12 450 kW，多台电动机功率在1 000 kW左右。从技术经济性方面考虑，可以选用6.6 kV或11 kV配电系统。

低压系统的负载总计约为2 700 kW左右，没有大容量电动机，系统的电缆长度基本在100 m以内，低压系统电压可以选择690 V或440 V。

下面从节电角度分析高、低压配电系统采用不同电压等级的区别，并在综合考虑其他因素的情况下确定电压等级。

如果电缆每相电阻为R（Ω），则电缆功率损耗为

式中：∆P为电缆的功率损耗，W；P为电缆输送的有功功率，W；R为电缆每相电阻，Ω；U为额定电压，V；I为额定电流，A；cosφ为功率因素。

从式（1）可知：在其他参数均相同的情况下，高压系统（P=6 300 kW，R=0.015 4 Ω，cosφ=0.85）采用6.6 kV和11 kV配电系统时的电缆损耗为

如采用11 kV配电系统，相较6.6 kV配电系统可减少12.41 kW电缆损耗。据估算，11 kV配电系统的电缆及配电板等电气设备投资金额比6.6 kV系统的多60万，按照全年运行8 000小时计算，前者每年可比后者节约99 280 kWh电能，若按0.45元/(kWh)计算，每年可节约 4.5万元用电成本，其投资回报期约为14年。根据上述分析，认为采用11 kV配电系统的优势并不明显，同时考虑到11 kV系统要求更高的绝缘和更高的安全要求等原因，所以本项目采用6.6 kV配电系统更为合理。

与普遍使用的440 V低压配电系统相比，690 V低压配电系统电缆损耗较低，且更节约电缆金属材料。根据式（1），对比全船 40个主要低压负载（P单台=18 kW～100 kW，R=0.007 7 Ω，cosφ=0.85）分别采用690 V和440 V配电系统时的电缆线路功率损耗，可得

690 V配电系统的配电板、电动机等设备的投资约比440 V系统的投资高52万，而前者每年可比后者节约114 080 kWh电能（按全年运行8 000小时计算），若按0.45元/(kWh)计算，每年可节约5.1万元用电成本，其投资回报期约为10年。根据上述分析，认为本项目的低压系统电压等级宜采用440 V。

2.2 提高功率因素

由式（1）可知：在电缆输送有功功率P一定的情况下，功率损耗ΔP与功率因素cosφ的平方成反比，因此提高功率因素有助于降低电缆功率损耗。功率因素由cosφ1提高到cosφ2后，回路减少的功率损耗为

FSRU大部分电机功率因素为0.85，在电压（440 V）及有功功率不变的情况下，如功率因素提高到0.9，根据式（2），功率损耗可减少2.6 kW。由此可见，提高功率因素对于降低电缆功率损耗效果不是很明显，若采取功率补偿等措施来提高功率因素，将增大投资，且投资回报期大于15年，因此本项目不考虑提高功率因素来减少功率损耗。

2.3 设备布置

根据式（1）可知：在电缆输送有功功率、功率因素一定的情况下，功率损耗与电缆的电阻成正比，而电缆电阻又与电缆长度和电缆截面有关，减少电缆长度可以降低功率损耗。在负荷较为集中的区域设置MCC、减少变压器与配电板之间距离等方法可降低本项目的功率损耗。

3 变压器的节电设计

变压器损耗主要有空载损耗、负载损耗、介质损耗和杂散损耗。由于介质损耗和杂散损耗相对较小，这些损耗并不是节电设计重点考虑的对象。变压器空载损耗又称为铁损，由变压器铁芯涡流损耗以及漏磁损耗造成，空载损耗的大小与变压器铁芯材料和制造工艺有关，与变压器负荷并没有关系。目前，变压器生产厂家采用先进生产工艺，已将空载损耗控制在较低范围内，因此变压器的节电设计以降低负载损耗为主。

FSRU配置2台4 000 kVA变压器（空载损耗P0=9 200 W，短路损耗Pk=35 000 W），变压器以最大效率运行时，最低总损耗为18 400 W。在不考虑无功功率的情况下，变压器效率最高、变压器总损耗最低时，负载损耗（β2Pk）等于空载损耗，变压器的运行负载率为

正常工况下，变压器二次侧有功功率P2=1 686 kW，此时负载率为

此时接近变压器最大效率时的运行负载率，变压器的负载损耗为9 720 W，变压器总损耗为18 920 W，非常接近最低总损耗18 400 W。

如果配置3 200 kVA变压器，变压器处于最大效率时的运行负载率大约为 0.5～0.55，变压器实际负载率为

3 200 kVA变压器的短路损耗Pk=28 000 W，则负载损耗为

按全年运行8 000小时计算，使用2台4 000 kVA变压器比使用2台3 200 kVA变压器每年可节约10 864 kWh电能。若按 0.45元/(kWh)计算，其投资回报期约为 5年。

4 电动机的节电设计

FSRU在液化天然气气化过程中通过内循环水乙二醇与液化天然气交换热量，水乙二醇提供热量加热液化天然气，使之气化；低温内循环水乙二醇再与外循环的海水进行热交换，海水加热水乙二醇从而实现整个气化过程。由于需要进行交换的热量很多，需要的海水量也很多，全船3台海水泵的功率达1 800（3×600） kW。海水泵的流量和功率并不要求恒定，因此可根据工艺要求实现海水泵的变频、变速、变流量控制，从而达到节电的效果。

正常工况下，全船3台海水泵全年需运行8 000小时。流量为90%时，运行时间占60%；流量为50%时，运行时间占20%；流量为30%时，运行时间占20%（注：以上数据为接近实际的参考数据）。采用非变频和变频方式的年耗电量分别如下所示。

采用非变频方式，海水泵的耗电量为

3×600×8 000×0.6+2×600×8 000×0.2+600×8 000×0.2=11 520 000 (kWh)（注：流量为50%时运行2台泵；流量为30%时运行1台泵）

采用变频方式，海水泵的耗电量为

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)

由上述计算可知：海水泵使用变频调速控制时，每年可节约电能1 440 000 kWh。若按0.45元/(kWh)计算，投资变频器和移相变压器的费用可在 5年内收回。因此，认为本项目的电动机节电设计是合理的。

5 功率管理系统（自动电站）的节电设计

功率管理系统可根据电网负载情况，自动启停发电机，使电站运行在最佳状态，具有更好的经济性。

主要有以下几点节电设计：

1）在不同的工况下，当电网可用功率过剩时（其设定值可调），功率管理系统会解列多余在线发电机组来进行节电。

2）设有重载问询设置，当启动大功率电机时会自动启动备用发电机。

3）负载自动经济性分配。

6 照明设备

由于全船照明系统功率仅为140 kW左右，占全船负荷不到 1%，因此仅对照明系统做以下几点节电设计：1）不使用白炽灯（白炽灯低光效）；2）投光灯使用电子镇流器（电子镇流器能效高、功率因素高）。

7 结束语

船舶电气节能潜力巨大，在环境污染日益严重、资源问题日益突出的背景下，研究电气节能有着重要意义。但电气节能设计应以满足功能需求、符合规则规范为前提，综合考虑系统或设备的原理和性能，从经济、技术等多个方面对各种节能方案进行比较，选择最优的节能方案，才能真正达到节能的目的。