重油箱式电站应用于海外项目临时供电工程初探

吴继英

（中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海201108）

1 引言

重油电站具有持续运行可靠性好、装机容量按需配置灵活、建设周期短和发电成本适中等特点，在南亚和非洲等供电匮乏、供电网络脆弱和市政供电价格高的区域，在建材、冶金和码头等项目中应用较多。

2 工程概况

西非某项目施工建设期48个月，施工用电高峰负荷约7 000kW，电压10.5kV，频率50Hz，功率因数（滞后）0.8，年用电量约3.0×107kW·h。在3～5km范围内设置采石场、混凝土搅拌站、机修保养站、材料堆场和生活办公等设施。

根据2018年和2019年的市场调查和现场勘察，当地市场价格如下：燃油：180cst重油550美元/t，轻柴油900美元/t，滑油2 500美元/t；当地人工：普工200美元/月，技术工400美元/月；工业用户的电价约合25美分/（kW·h）。

可选临时供电方案如下：方案一，采用自备箱式重油电站；方案二，采用自备箱式柴油机电站；方案三，永久供电和临时供电相结合，利用新建35kV市政供电线路和35kV变电站永久工程。方案一、方案二和方案三均设置10kV线路5回至各工程区。

3 方案设计

3.1 陆用电站设计原则

大功率高速柴油机陆用电站主要在应急供电、备用电站和临时供电中应用。陆用柴油机电站以中速柴油机为主，低速柴油机为辅，燃料以180cst重油为主，轻柴油用于发电机组启停，业内称为陆用重油电站。

陆用柴油机电站设计主要有以下原则：（1）可靠性，包括维护保养、使用寿命和运行保障能力等方面；（2）经济性，包括初始投资和运营成本2方面；（3）可实施性，综合考虑总体项目的工期、施工工艺、气温海拔和水文地质条件、环保要求、当地人材机和安全形势等因素；（4）可移动性，供电时间5年以内的陆用电站，可移动性非常重要，箱式电站应运而生；（5）永久供电和临时供电相结合，降低总体项目成本，提高项目全寿命周期经济性。

3.2 柴油机和发电机主要品牌

中速柴油机第一梯队有德国曼恩（MAN）、芬兰瓦锡兰（Wartsila）和美国卡特皮勒（简称卡特，CAT）等品牌；第二梯队有现代重工（HHI）、日本大发（DAIHATSU）和日本洋马（YANMAR）等品牌[1]。在国内，MAN有8家中速柴油机和9家低速柴油机许可证生产商，许可证生产厂较多，自主开发市场，国产化率较高，同功率段的柴油机中价格和服务有优势；瓦锡兰有3家中速柴油机和1家低速柴油机合资厂，产品主要通过其全球销售网络销售，生产厂自主权较小；CAT有1家中速柴油机合资厂和1家高速柴油机生产厂，授权4家代理商在中国大陆销售全线产品，代理商负责价格、维护、服务与支持。

高速柴油机主要品牌有康明斯、MTU、卡特和潍柴。康明斯大功率柴油机和发电机组主要在武汉和重庆生产，市场占有率较高；MTU主要有苏州、大同和玉林3家生产厂，设备和服务价格较高。

柴油发电机组配套发电机主要有ABB、利莱森玛、中船现代、中船电气、斯坦福和马拉松等品牌。

3.3 箱式电站构成

重油箱式电站由箱式发电机组及其相关配套设备、电气控制系统和油罐区组成，包括主机箱、辅机箱、电气箱、余热锅炉和油罐等设施，各主机箱附带进气滤器，顶部设置风冷机组和排气系统等；辅机箱负责电站运行过程中重油、滑油、循环水、压缩空气等处理和供给；电气箱执行发电机组的启动、并列、解列、加减载和运行监控等功能[2]。油罐区有重油储罐、日用罐和沉淀罐，柴油储罐和日用罐以及照明、给排水、防雷接地和消防等设施。

柴油箱式电站的设备比重油箱式电站设备少，系统比较简单，没有处理和供给滑油和循环水的系统以及余热锅炉等设备，由高速发电机组主机箱、日用油箱、电气箱和油罐区等设施组成，日用油箱为定制集装箱；油罐区配置卧式柴油储罐等设施。

3.4 设备选型

对于海外陆用电站主机和辅助设备，优先考虑国产化率高的市场主流设备，性价比较高。首先，对于同品牌同型号的设备，在技术指标相同的情况下，国产化率高的设备价格较低，运维备品备件耗材价格较低，国内技术服务人员费用较低，响应速度较快。其次，国产成套设备出口可获得出口退税，降低工程造价。另外，中国投融资的海外项目要求中国成分比例（即国产化率）一般不低于35%。

由于集装箱尺寸限制，箱式发电机组单机功率一般在2MW以内。针对本项目要求，选用MAN国产机组与康明斯进口机组（大功率高速机尚未国产）进行对比。

3.4.1 MAN箱式发电机组（方案一）

采用5套MAN9L2131箱式发电机组，4用1备，单机额定功率（PR）1 881kW，总装机容量9 405kW，重油电站自用电率主要与发电机效率，冷却水系统（如风冷机组、开式循环或冷却塔等冷却方式），以及燃油、滑油、脱硝、脱硫等辅助系统配置等因素有关，一般不超过装机容量的4%。4台常用机组最大净输出功率可达7 223kW，满足7 000kW施工用电负荷要求。机组具体性能参数如表1所示。

3.4.2 康明斯箱式发电机组（方案二）

根据康明斯C2250D5发电机组样本，发电机组常用功率（PRP）为1 600kW，常用功率适用于为可变负载不限时供电，符合本项目临时供电工况；按照最新版ISO 8528-1：2018《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第一部分：应用、功率和性能》和康明斯厂家标准，PRP工况下任何24h的平均负荷率不超过PRP的70%。与高速机组不同，中速机组可以100%额定功率长期运行，这是中速机组的优势。

采用7套C2250D5箱式发电机组，6用1备，总装机容量11 200kW。6台C2250D5常用发电机组输出功率为6 720kW；当用电负荷超过6 720kW时，启动备用机组，7台机组并行运行输出功率可达7 840kW，充分利用了装机功率，降低初始投资。机组具体性能参数如表1所示。

表1箱式发电机组性能参数对比

4 方案比较

4.1 可靠性

柴油机可靠性是电站可靠性的决定因素，柴油机的磨损是柴油机老化的主要因素。高速机转速一般1 500r/min（50Hz）或1 800r/min（60Hz），中速机转速范围为500～1 000r/min，中速机转速较低，运动部件配合间隙较大，运动部件磨损较慢，疲劳故障率较低，因此，在相同使用工况和材料条件下，中速机维护和维修间隔较长，整机使用寿命长，可靠性高。

4.1.1 维护保养和使用寿命

MAN中速机大修期为24 000h，康明斯高速机大修期为12 000h。高速机比中速机维护周期短，相同运行时间维护次数多，高速机维护工作量大，费用高。

高速机与中速机的大修明显不同：首先，高速机大修需将柴油机彻底解体进行检修和部件更换，中速机每次检修维护均无须将柴油机解体；其次，使用现场一般不具备高速机大修所需的工具和装配条件，有时需返厂大修，而中速机大修一般在使用现场实施，高速机大修的时间长，费用高。另外，高速机每次大修后输出功率有一些折损，中速机在各级维修保养后输出功率维持不变。

在正常维护保养和使用条件下，中速机使用寿命可以达到25～30年，而高速机使用寿命一般为3个大修周期，按每年运行6 000h计算，使用寿命大约8年。

4.1.2 运行保障能力

柴油机电站投入运行后，设备商的技术支持和维修服务对电站稳定运行具有重要影响，方案一重油电站的技术支持由国内设备商提供，运行保障能力强；方案二采用美国进口柴油机，技术服务依托国内代理商，进口备品备件供货周期长，费用高，运行保障能力一般。

4.2 经济性

重油电站初始投资一般比柴油机电站高。电站运维成本主要取决于柴油发电机组的经济性，柴油发电机组的经济性包括燃油消耗率、滑油消耗率、维修周期、使用寿命及备品备件消耗等指标。

中速机比高速机转速低，燃烧室内燃烧充分，热效率较高，燃油消耗率较低，而且轻柴油价格通常是重油的1.5倍以上，中速机耐用性好，因此，中速机的长期持续运行经济性较好。

4.2.1 初始投资

方案一初始投资为670万美元，方案二初始投资为330万美元。方案三利用新建的35kV市政线路和35kV变电站永久工程。从35kV变电站至各工程区10kV临时供电线路，造价约24万美金。

4.2.2 固定资产折旧

按使用寿命40%的年限进行折旧：方案一重油电站按照10年折旧，每年固定资产折旧为67万美元；方案二柴油电站按照3.2年折旧，每年固定资产折旧为103.1万美元；方案三初始投资24万美元，按4年施工用电时间折旧，每年固定资产折旧为6万美元。

4.2.3 燃油和滑油消耗

年耗油量Fc计算如下：

Fc=年用电量×电站综合燃油或滑油消耗率

表1中给出了标准工况下发电机组的燃油和滑油消耗率，受电站自用电、部分负荷工况和现场条件（如气温、湿度、海拔）等因素影响，重油电站综合燃油和滑油消耗率以1.04系数考虑；高速机电站系统简单，辅助设备少，自用电较小，高速机电站综合燃油和滑油消耗率以1.01系数考虑。

方案一重油箱式电站燃油消耗率为211.12g/（kW·h），年燃油消耗6 333.6t，燃油费用348.35万美元；滑油消耗率为0.832g/（kW·h），年滑油消耗24.96t，滑油费用6.24万美元。方案二柴油箱式电站燃油消耗率为212.1g/（kW·h），年燃油消耗6363t，燃油费用572.67万美元；滑油消耗率为1.01g/（kW·h），年滑油消耗30.3t，滑油费用7.575万美元。

4.2.4 运维耗材费用

4年运维备品备件等耗材费用，方案一为80万美元，每年20万美元；方案二为200万美元，每年50万美元。在施工用电期间，方案三35kV线路和变电站运维耗材费用每年6万美元。

4.2.5 运维团队

方案一运维团队配置16人，包括运维经理2名，机械、电气、控制工程师各1名，行政兼翻译1名，当地技工6名和普工4名，年人工费用约50万美元。方案二比方案一电站系统简单，配置运维团队11人，包括运维经理1名，机械、电气、控制工程师各1名（其中1名工程师兼运维副经理），行政兼翻译1名，当地技工4名和普工2名，年人工费用约30万美元。方案三35kV线路和变电站运维年人工费用15万美元。

4.3 综合用电成本

综合用电成本如表2所示。

表2综合用电成本美元（/kW·h）

4.4 小结

按照年用电量为3.0×107kW·h计算，方案一用电成本最低，为16.4美分，每年492万美元；方案二用电成本次之，为25.5美分，每年765万美元；方案三用电成本最高，为25.9美分，每年777万美元。

方案二初始投资低于方案一340万美元，但方案二比方案一年用电费用高273万美元。重油箱式电站高出的初始投资回收期约15个月。对于临时供电超过2年的项目，方案一比方案二具有成本优势。

方案一和方案二都能满足项目临时用电要求，方案二与方案三用电成本相当，但方案二可靠性优于方案三，本项目市政供电来自水电站，在枯水季节一般会限电或停电，4年施工期周边地区的用电量和负荷也会逐年增加，存在用电可靠性风险。

重油电站包括重油箱式电站是特定场景适用的供电方式，本文提供了重油电站和柴油电站方案比选的方法论建议，在具体工程实践中应注意项目所在国的用电成本水平、用电需求和限制条件以及发电机组的选型和相关参数的选取等因素。

5 重油箱式电站的适用范围

重油电站包括重油箱式电站的优势主要来自燃油的经济性和重油发电机组的耐用性。通常，重油箱式电站作为临时供电有以下特点：没有市政供电网络或市政供电可靠性不佳、供电容量受限或用电成本较高；陆用电站发电机组数量一般不超过10台，总装机容量一般约为20MW；临时用电设施比较集中，分布在重油箱式电站5km范围内；临时供电时间一般2～5年；箱式电站可扩展性好，机组数量增减灵活方便，施工期短，适合分期实施、工期紧和供电负荷逐步增加的项目。

海外重油电站的优势得到了业内普遍的认可，临时供电用重油电站已经在海外大型项目的施工用电中应用。另外，对于低负荷工况可以配备小功率高速发电机组作为重油发电机组的补充，高速发电机组在工程竣工后可作为应急备用机组。例如，“中巴经济走廊”优先能源项目卡洛特水电站，配备18MW柴油机电站为水电站提供施工和生活用电，采用3台重油发电机组和5台550kW高速柴油发电机[3]。另外，巴基斯坦SK水电站和巴基斯坦NJ水电站等项目也采用了临时供电用重油电站，装机容量都在12MW以上。海外箱式重油电站在临时供电领域的优势会逐步得到人们的认可，相信将有越来越多的工程应用。