浅析船厂用电管理中的节能措施

王宝琳

(友联船厂 (蛇口)有限公司,广东深圳 518054)

对船厂来说,能源费用支出已成为继材料设备费用和人工费用之后的第 3大支出项目,并呈现不断增长的趋势。而其中的电费支出已占到总能源费用的 40%以上,加强船厂用电管理、降低电力成本;已成为各个船厂节能工作的重点之一。本文以船厂供电系统为例,分析电费和能耗产生的原因并提出在变压器经济运行、功率因数控制、线损管理等方面的几种节能措施。

1 修船厂供电系统的特点

船厂供电系统具有电压等级高、负荷容量大、变电级数多、整流逆变设备普通使用、10 kV电机广泛应用的特点。有的船厂年用电量已超过 1亿kW·h。同时,整流逆变设备的推广使用,在系统中产生了大量的谐波成分,给供电质量带来一定的影响,进一步加大了电能的耗损。如果在变电运行中,用电管理得当、节能措施到位,可大大降低船厂供电系统中的电能损耗,经验估计,电能管理得好,节电率会在 10%左右,效益也十分可观。

2 影响电费总量的因素

在电费中包含 3部分内容:基本电费 (需量费)、电度电费、力率调整费。电度电费受船厂在峰、平、谷 3个时段的电量分布比例不同而不同。通过合理的生产调度实施移峰填谷措施可以达到降低单位电度电价的目的。表 1为某地区的 220 kV高供高计的峰谷平 3个不同时段的电价。

表1 220 kV高供高计的峰谷平电价 元/kW·h

目前,我国大用户实行两部电价制,电费包括电度费用和基本电费两部分。基本电费可按投运的高压设备容量缴纳,也可按用户的最大需量缴纳。船厂可根据装机容量和实际负荷进行测算,以确定采用哪种方式可以降低基本电费。以 45 MVA变压器为例,按变压器容量收取基本电费 24元/kVA·月和按最大需量收取基本电费 44元/kVA·月为例进行比较,当实际需量小于 24.545 kVA时按需量收费的基本电费较低,当实际需量大于 24.545 kVA时按容量收费的基本电费较低 (按需量收取基本电费有利于实施变压器的经济运行)。

对采用 2条或多条进线供电的船厂,若按需量缴纳基本电费时,还应注意多条线路计费点需量叠加造成总的计算收费需量往往比实际需量大的情况,此时,应考虑实现不同计费点最大需量的瞬时叠加,而不是抄表统计后的事后相加。

为提高供电系统的变配利用率降低线损,供电部门对各用户在计费点处实施功率因数考核制度,当低于规定标准时会在原电费的基础上加收电费,并随与功率因数标准值的差值增大而增加。若以功率因数 0.9为考核标准,当实际功率因数为 0.65时,电费将在原基础上增加 15%。因此,船厂用电管理部门因加强系统无功的管理,避免不必要的力率调整而导致电费成本的增加。

虽然采取不同计费方式、实施移峰填谷的生产调度方案并不能实质上减少电能消耗,但对于船厂来说,可以减少电费支出,从而降低电力成本。

3 供电系统电能损耗原因分析及措施

船厂供电系统主要由变压器和线路构成,它们在输送电能的同时本身也在消耗功率,因此供电系统的节能就是降低变压器和线路的损耗。

变压器节能就是降低其损耗、提高其运行效率。双绕组变压器在忽略其无功损耗和电压降对有功损耗的影响时,有功损耗由下式计算:

式中:ΔP为变压器有功功率损耗,kW;P0为变压器额定空载损耗,kW;Pk为变压器额定负载损耗,kW;S为实际通过变压器的视在功率,kVA;SN为变压器额定视在功率,kVA。

P0为空载损耗又称铁损,它是由铁芯的涡流及漏磁损耗组成,其值与铁芯材质和制造工艺有关,而和变压器的负荷无关。该值在变压器铭牌中可查到;Pk(S/SN)2为短路损耗又称铜损,取决于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小,即与负载率 S/SN的平方成正比。

在电力变压器中,当铜损等于铁损时,损失最小,效率最高。

即:

从上式可以看出,电力变压器所带视在功率等于 (P0/PK)1/2倍额定容量时效率最高,损耗最小。从变压器技术规范中查得,P0/PK随电压等级升高而增大,随容量增加而减少,S9系列的变压器(P0/PK)1/2一般在 0.5～0.6范围,所以,变压器所带负荷为额定容量的 50%～60%时最经济。

因此,对于运行中的变压器应注意观察变压器的负载,根据负载大小,合理调整变压器的运行台数,在保证安全用电的前提下尽量使变压器运行在经济负荷范围内。对于由两台相同容量或者两台不同容量的变压器组成的变电所,还必须根据变压器的空载损耗和短路损耗以及变压器的额定容量,通过计算得出变压器的经济运行条件,在不同的负载条件下采取不同的运行方式,以最小的电能损耗取得最大的经济效益。

要减少线路的损耗就必须降低导线电阻,实现电缆的经济运行。

船厂的门座起重机、龙门吊以及靠泊码头边和坞内的修理船舶都是靠电缆进行电能的输送,并且输送功率随着工程量的增加越来越大。在上述供电服务对象中主要大功率设备有:大型船舶的压载泵、克令吊、起重机的起升变幅机构等电机以及船舶特涂工程使用的除湿机、空压机、吸砂机设备等。因此在对上述设备供电时必须考虑电缆的经济电流密度,以保证供电电缆达到长时间按经济电流密度运行,同时考虑线路的安全运行,以高峰负荷时段电线通过的安全电流为基础 (连续通过而不至于使导线过热的电流为安全电流,导线的最高工作温度为 65℃),对选择的经济截面进行修正。

同时对 0.4 kV线路控制在 350 m以内,0.4 kV线路的输送功率控制在 175 kW以内。若超过上述距离宜采用 10 kV电源供电到负荷中心,再降压到 0.4 kV后供负载设备使用,10 kV输送距离和输送功率控制在 10 km和 5 000 kW的范围内。

供电系统功率因数的变化直接影响到上述变压器和线路的损耗,但无功功率同有功功率一样是保证供电不可缺少的部分。管理控制好无功不仅降低线路损失,改善电压质量而且还可以减少设备容量,增加电网的传输能力,提高输变电设备的利用率。提高系统功率因数可以减少线损和变损。

系统的无功补偿应按照 “全面规划,合理布局,分级补偿、就地平衡”的原则,进行合理配置,以取得最大的综合补偿效益。在变压器低压侧实施集中补偿可以提高计费点的功率因数,满足功率因数考核标准的要求,避免供电部门因功率因数不达标而增收的力率调节费,但集中补偿代替不了就地补偿,两级必须同时进行,各行其责。

随着变频调速系统、静止变频电源等各类电力电子设备的广泛应用,由它们产生的谐波电流对供配电系统影响很大。谐波电流的存在不仅增加了供配电系统的电能损耗,而且对供配电线路及电气设备产生危害。为了抑制谐波通常在 10 kV变压器低压侧设置有源滤波器,达到净化电路的目的。

4 生产过程中的节能降耗措施

在船舶工程中使用了大量的焊机、风机、电动机和工业照明器具,它们除了在改善电气性能上采用措施实施节能外,还必须在改进生产工艺、提高生产效率上实施节能措施。从节约电能和提高用电设备的综合效益出发实现设备的节能降耗。

4.1 电焊机的节电技术

电焊机的使用特点是负载和空载交替进行。目前普遍使用的节能方法有:积极推广使用电焊机空载自动装置,减少电焊机的空载损耗;大力采用节能性好的硅整流直流焊机和 CO2气体保护焊机,据测算用 CO2气体保护焊机代替手工弧焊机,可使耗电量降低 50%,生产效率提高 1.2～1.4倍。当然合理设计的焊接结构、正确选择焊接工艺及焊机额定容量等都可起到降低电焊机电耗的效果。

4.2 电动机的节电技术

对于工艺要求需要调速的电动机可采用变频器进行调速控制,它不仅控制了电动机的启动电流,而且使电动机时时与负载平衡,提高了电动机的运行效率。使用变频器后节电一般在 20%以上,目前采用变频调速控制的机械设备有起重机、恒压供水装置等。

目前的电动空压机一般采用卸载 (40%负载)和自动调节 (60%～100%负载)联合的方式进行压力控制,若采用变频调速后节电效果更明显。

对于那些需要稳定速度运行的电动机可以使用改善其启动性能的软启动装置以及改善空载运行和启动性能的电动机节电装置达到节电效果。例如普遍使用的电动机节电宝,它通过检测用电设备的工作状态,经过微处理器进行比较运算,改变输出电压和电流,使之与负载的状态相平衡,在不改变电机转速的状态下,达到节电目的。该类设备的节电率在 10%左右。

4.3 照明系统的节能

照明在船厂用电设备中也是不可低估的用能单位,在管理过程中的节能措施有:根据工作场所的条件和要求,采用不同种类的高效光源。例如采用金属卤化物灯代替高压钠灯,在保证照明效果的同时可以减少照明功率 33%左右。采用电子整流器代替普通整流器,节电率高达 75%,功率因数可由 0.5左右提高到 0.9以上。照明电压对灯具的各种参数影响较大,特别是电压的升高会显著增加照明设备的能耗。而在夜间由于用电负荷相对较轻,电网电压普遍较高。因此要加强照明供电电压的管理。目前,经验做法是将照明线路同工业用电分开,便于照明电压的单独控制。

5 加强管理,建立完善的电能计量和实施计划用电制度

只有建立完善的船厂电能计量才能清楚的了解船厂的用电情况,分析节电环节和采取相应的节电方案,开展用电运行控制和调节。用电计划是强化各用电单位的节约用电责任,促使用电部门改进用电效率,推进节电管理、节电改造、开展技术进步等工作的经济手段,从理论上讲,管理是提高企业资源有效使用的手段,因为管理的成本最低,效益最大。

船厂供电系统的节能关系到用电过程中的各个方面,要高效地使用电能提高用电效率、降低损耗,就必须对电能的变配和利用的整个过程进行有效的管理,在管理过程中去发现节电机会。并在节电措施的实施、改进中不断调整,提高船厂的电能利用效率,达到节能增效的目的。