船廠節電途徑

湯 燕,陳家興,周 洋

(鎮江船廠,江蘇 鎮江 212001)

0 引言

氣候變化、環境污染和能源緊缺,使得全世界比以往任何時候更重視節能減排問題。電能是造船企業使用的主要能源,我國船舶建造的萬元電耗平均水平與世界先進造船企業相比,要高出 5倍以上,國內船廠之間的電耗水平差距也很大。節電是節能減排的重點內容,也是降低造船成本和增加經濟效益的一項措施。

我國造船企業電耗高主要是由于管理水平較低、降本增效的意識不強、節電措施不力和相關的統計、計量、考核制度不完善所造成的。本文介紹造船企業降低電能消耗和減少電費開支的主要途徑。

1 充分利用電價政策

電能的供需具有同時性,對應于隨時變化的用電負荷所發出的電能和消耗的電能(包括用電設備消費的電能和變、輸、配電過程中的電能損失之和),在數量上是相等的,始終必須保持發用電平衡。因此,有關電力營運的政策和法規都在鼓勵均衡用電。

為發揮電能價格的經濟扛桿作用,供電部門對企業實行分時銷售電價政策,3個時段分別是:峰電(8:00～12:00及 17:00～21:00)、平電(12:00～17:00及21:00～24:00)、谷電(0:00～8:00)。這3個時段的電費單價有較大區別,平電比峰電的單價約便宜40%,谷電比峰電的單價約便宜70%。船廠應當充分利用這項政策,所有能安排在平電和谷電時段進行生產的都應當避免使用峰電。某船廠因拼接鋼板的自動焊機數量不夠準備每天 3班生產。通過比較發現,如果只用谷電和一半平電(21:00～8:00),每臺自動焊機使用約一年半時間所節省的電費,可以新購 1臺自動焊機。

2 提高日負荷率和功率因數

為促使電力用戶壓低尖峰負荷、減少無功功率、提高日負荷率和發供電設備利用率,供電部門對大工業電力用戶實行的是兩部制電價,一部是基本電費,另一部是電度電價和功率因數調整電費。

基本電費與用電量無關,只是按用戶受電容量收取基本電費,現行單價為28元∕(kVA?月)。用戶也可以申請按最大需量法繳納基本電費,即按受電容量的 40%核準為最大需量,現單價為 38元∕(kVA?月),對用電負荷超過核準數且持續時間達到15m in以上的部分,加倍收取基本電費。例如,某船廠變電站裝有5 000kVA主變壓器 2臺,日平均負荷為2 800kVA,日最高負荷為7 000kVA(在峰電時段約持續2～3h),日負荷率為 40%,基本電費為28元∕(kVA?月)×(10 000)kVA= 28萬元∕月;該廠通過削峰填谷調整用電負荷后,日平均負荷仍為 2 800kVA,但日最高負荷降為3 900kVA,僅有幾臺大型設備起動或重載時用電負荷短時超過6 500kVA(持續時間都在15min之內),故申請實行最大需量法,每月基本電費為 38元∕(kVA?月)×10 000kVA×40%=15.2萬元,每月可節約基本電費 12.8萬元。由于該廠日負荷率提高后,系統損耗顯著下降,經粗略估算,系統損耗每年減少約600 000kWh。采用最大需量法的關鍵是要控制好日最高負荷不要持續15min及以上超過最大需量核準量。這種方法尤其適合新廠產能尚未達標或老廠因任務發生變化使電力負荷階段性下降的用戶。

電度電價和功率因數調整電費,是按實際用電量計算電價并按功率因數的高低來減少或增加電費。供電部門對大工業用戶的功率因數要求標準為0.90,超過標準可減少電費,低于標準將增加電費,其調整方法見表 1。

從表 1可知,當功率因數較低時,功率因素調整電費所增加的數額(俗稱罰款)是很可觀的。某船廠,2009年 3月和 4月電費分別為 198萬元和 207萬元,平均功率因數分別為 0.70和0.68,這兩個月電費分別被增加 19.8萬元和 24.84萬元。該廠有關負責人誤認為這是供電部門正常收取的電費,了解到實情后,立即決定購置十多臺無功自動補償柜,裝在各饋電線路末端,將功率因數提高到 0.95～0.98。安裝此柜后,該廠 6月和 7月的電費分別為199萬元和 203萬元,平均功率因數全部達到 0.95以上。這樣不僅不再罰款,電費還分別減少了 1. 492萬元和 1.522萬元,而且提高了供電設備利用率,降低了線路的功率損失,改善了電壓質量。

表1 以0.9 0為標準值的功率因數調整電費表

3 降低線路的功率損失

用戶變電站向其內部各用電單元供電的網絡稱為二次配電系統,由用戶負責運行。目前,大多數用戶的二次配電系統的二次配電電壓等級是以低壓為主,若用戶內部的供電半徑較大而采用低壓配電,線路的功率損失(簡稱線損)和電壓損失會比較大。

提高日負荷率和功率因數,使線路上的電流降低是減少壓降和降低線損的主要措施。由于船廠面積比較大,二次配電線路距離比較長,用電負荷經常隨工藝流程而變化,或者因建造的船舶類型有變化,使供電線路上的電流嚴重超過設計值,這不僅使線損嚴重超標,引起電纜線路過熱,降低了使用壽命,而且使電壓損失增大,影響設備正常使用。例如,某船廠在進行空壓機站設計時,原打算從變電站用標稱電壓為0.38kV的4條線路分別向距離約200m的4臺空壓機供電(每臺空壓機配置的電動機額定電壓為0.38kV、功率為250kW、功率因數為0.80),當每條供電線路都選用3芯×185mm+1芯×95mm銅芯電纜時,每條線路的電壓損失約超過 6.9%、線損約為7.8%,若供電電壓是在系統標稱電壓允許偏差的下限,則該電動機將無法正常運行。通過技術經濟評價后,決定采用高壓配電。由于不再擔心電壓損失過大的問題,將空壓機安裝到更為適當的位置,采用標稱電壓為 10kV的 1條線路向距離約500m的4臺空壓機供電(每臺空壓機配置的電動機額定電壓為 10kV、功率為 250kW、功率因數為0.80),當選用 3芯 ×50mm銅芯電纜供電時,電壓損失約為0.25%、線損約為0.36%。經測算,和原來采用低壓配電方案相比較,這 4臺空壓機運行不到半年所節省的電費足以超過選擇高壓供電方案而增加的設備投資。

在GB/T 3485-1998《評價企業合理用電技術導則》中,把企業變配電所的位置應接近負荷中心,作為企業供電合理化的一項措施,把功率在 200kW以上的電動機宜采用高壓電動機,作為將電能轉換為機械能的合理化措施之一。實踐經驗證明,設計二次配電系統的主要原則之一是電源位置應盡可能靠近負荷中心,且配電線路應按照經濟電流密度選擇并留有一定的裕度;功率在200kVA以上的用電負荷,若供電線路距離超過 150m,宜采用高壓供電。這不僅有利于降低用電成本和提高供電質量,還可以節省線路中的有色金屬用量。

4 空氣壓縮系統的優化運行

空壓機的耗電量約占船廠生產總耗電量的50%以上。由于船廠用氣負荷不均衡,配氣網管長、范圍廣,供氣管道上閥門多、接頭多。據調查研究結果顯示,許多船廠在空壓機的用電量中,10%～30%左右電量是浪費掉的,20%～30%左右的電量是可以節省的。所以,空氣壓縮系統的節電潛力很大。一般來說,在確保原來有效用氣量不變的情況下,通過空氣壓縮系統的優化運行,可以降低空壓機用電量的30%以上。主要措施有以下幾個方面:

(1)配氣網管布置的合理化。配氣網管應采用環網系統,并且能實現分片區供氣。在使用過程中,只開啟通向用氣片區的供氣閥門,通向暫不用氣片區的供氣閥門必須關閉,絕對避免部分片區用氣而全部網管都充氣的現象。在船廠生產過程中有可能會遇到只有個別氣動工具用氣的情況,為防止大馬拉小車的現象,有必要備有小容量的流動式空壓機作零星供氣之用。在壓縮空氣傳輸系統中,要避免出現輸氣管道壓力損失過大和流量不夠的問題,輸氣管直徑和用氣量、管道長度、流量應當匹配;要在適當的地點設置容積合理的工作壓力貯氣罐,以增加配氣容量。

(2)杜絕泄漏。在0.7MPa壓力下一個直徑約2mm的小孔每小時漏氣量約 16m3,一年的漏氣量相當于耗電13 000kWh。由此可以估算得出許多船廠壓縮空氣管道上那種四處漏氣、甚至是管道接頭上閥門大開對空噴氣的現象,每年白白地耗掉了多少電量。有少數船廠因為配氣網管嚴重漏氣,即使將空壓機站的機組全部投入運行,壓力也很難升上來;有些船廠的氣動工具皮帶已老化破損,用膠布包了又包仍不能斷漏卻在勉強使用。據調查,大多數船廠對使用壓縮空氣無計量、無考核,對泄漏無專人管理。因此,必須加強泄漏損失意識,加強對空氣壓縮系統的泄漏管理,是某些船廠的節電重點。

(3)避免提高空壓機的排氣壓力。空壓機的電耗與排氣壓力成正比,如果將空壓機輸出壓力從0.8 MPa降低至0.7MPa,約能降低電耗5%。但由于輸氣系統泄漏嚴重、管道壓力損失太大、用氣負荷過于集中而出現流量高峰等原因,往往人為要求將空壓機的排氣壓力比生產現場實際需用壓力高出 0.1～0.3MPa,等于是人為造成電耗增加約5%～15%。這一問題不是孤立的,只有網管合理化并杜絕泄漏,以及盡量安排均衡用氣,才能按照生產設備實際需用氣壓,合理設定空壓機的排氣壓力,而不應當以提高空壓機的輸出壓力來彌補其他方面存在的問題。

(4)應用變頻調速技術。空壓機的容量是按壓縮空氣需求量確定的。在運行中,當需求減小致使壓力上升到設定值時,開始減小空壓機的輸出;當需求增大致使壓力下降到設定值時,空壓機的輸出又重新增大。各種類型的空壓機都有其自動減小或增大輸出的控制方式,對于空壓機組自動啟動/停止的控制方式而言,頻繁啟動/停止會造成電機過熱和機械損傷嚴重,對電網沖擊也較大,一般己很少采用;對于空壓機自動加/卸載控制方式而言,在卸載狀態的空壓機電耗約為滿載電耗的 15%～70%。為此,采用變頻調速技術使空壓機的轉速由供氣壓力進行控制已成為首選控制方式。船廠空壓機站一般都是多機組并聯供氣的系統,只要將其中 1臺空壓機設為變頻調速或采用一控多的方式即可,節電效果一般在 30%以上,投資與技改工作量都不大,約一年時間所節省的電費即能收回投資。

5 采用電耗低的先進設備

弧焊機是船廠的主要生產設備,其耗電量約占造船企業生產總耗電量的 25%左右。目前,采用IGBT作為開關器件的逆變弧焊電源是取代傳統弧焊電源的最佳選擇。以 500A焊接電源為例,實測IGBT逆變弧焊電源和傳統弧焊電源(例如整流弧焊電源)的主要電氣數據見表2。

表2 IGBT逆變弧焊電源與晶閘管弧焊電源對比

從表 2對比數據計算可知有功電量減少了3kW,若按每天工作 12h、每年工作 300d、負載率80%計算,則每臺IGBT逆變弧焊電源每年可比晶閘管弧焊電源節電3kW×12h/天×300天×80%= 8 640kWh,電費均價按0.63元/kWh計算,則每臺每年能節省電費0.63元/kWh×8 640kWh=5 443元,2年左右即能收回投資。而且,可使占用的電網容量減少10.3kVA,使無功負荷降低15.22kVAr,同時還能夠使焊接質量大幅提高。

此外,船廠車間和露天場地大量使用的照明燈具,應選用光效高、壽命長的相應光源;起重機、風機、水泵等設備,可廣泛采用軟起動技術和變頻調速技術;碼頭上的 60Hz岸電源若為發電機供電,可采用變頻岸電電源取代。這些都是比較成熟的技術,一經采用,便能取得降低電耗和節約成本的效果。