重油箱式電站應用于海外項目臨時供電工程初探

吳繼英

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海201108）

1 引言

重油電站具有持續運行可靠性好、裝機容量按需配置靈活、建設周期短和發電成本適中等特點，在南亞和非洲等供電匱乏、供電網絡脆弱和市政供電價格高的區域，在建材、冶金和碼頭等項目中應用較多。

2 工程概況

西非某項目施工建設期48個月，施工用電高峰負荷約7 000kW，電壓10.5kV，頻率50Hz，功率因數（滯后）0.8，年用電量約3.0×107kW·h。在3～5km范圍內設置采石場、混凝土攪拌站、機修保養站、材料堆場和生活辦公等設施。

根據2018年和2019年的市場調查和現場勘察，當地市場價格如下：燃油：180cst重油550美元/t，輕柴油900美元/t，滑油2 500美元/t；當地人工：普工200美元/月，技術工400美元/月；工業用戶的電價約合25美分/（kW·h）。

可選臨時供電方案如下：方案一，采用自備箱式重油電站；方案二，采用自備箱式柴油機電站；方案三，永久供電和臨時供電相結合，利用新建35kV市政供電線路和35kV變電站永久工程。方案一、方案二和方案三均設置10kV線路5回至各工程區。

3 方案設計

3.1 陸用電站設計原則

大功率高速柴油機陸用電站主要在應急供電、備用電站和臨時供電中應用。陸用柴油機電站以中速柴油機為主，低速柴油機為輔，燃料以180cst重油為主，輕柴油用于發電機組啟停，業內稱為陸用重油電站。

陸用柴油機電站設計主要有以下原則：（1）可靠性，包括維護保養、使用壽命和運行保障能力等方面；（2）經濟性，包括初始投資和運營成本2方面；（3）可實施性，綜合考慮總體項目的工期、施工工藝、氣溫海拔和水文地質條件、環保要求、當地人材機和安全形勢等因素；（4）可移動性，供電時間5年以內的陸用電站，可移動性非常重要，箱式電站應運而生；（5）永久供電和臨時供電相結合，降低總體項目成本，提高項目全壽命周期經濟性。

3.2 柴油機和發電機主要品牌

中速柴油機第一梯隊有德國曼恩（MAN）、芬蘭瓦錫蘭（Wartsila）和美國卡特皮勒（簡稱卡特，CAT）等品牌；第二梯隊有現代重工（HHI）、日本大發（DAIHATSU）和日本洋馬（YANMAR）等品牌[1]。在國內，MAN有8家中速柴油機和9家低速柴油機許可證生產商，許可證生產廠較多，自主開發市場，國產化率較高，同功率段的柴油機中價格和服務有優勢；瓦錫蘭有3家中速柴油機和1家低速柴油機合資廠，產品主要通過其全球銷售網絡銷售，生產廠自主權較小；CAT有1家中速柴油機合資廠和1家高速柴油機生產廠，授權4家代理商在中國大陸銷售全線產品，代理商負責價格、維護、服務與支持。

高速柴油機主要品牌有康明斯、MTU、卡特和濰柴。康明斯大功率柴油機和發電機組主要在武漢和重慶生產，市場占有率較高；MTU主要有蘇州、大同和玉林3家生產廠，設備和服務價格較高。

柴油發電機組配套發電機主要有ABB、利萊森瑪、中船現代、中船電氣、斯坦福和馬拉松等品牌。

3.3 箱式電站構成

重油箱式電站由箱式發電機組及其相關配套設備、電氣控制系統和油罐區組成，包括主機箱、輔機箱、電氣箱、余熱鍋爐和油罐等設施，各主機箱附帶進氣濾器，頂部設置風冷機組和排氣系統等；輔機箱負責電站運行過程中重油、滑油、循環水、壓縮空氣等處理和供給；電氣箱執行發電機組的啟動、并列、解列、加減載和運行監控等功能[2]。油罐區有重油儲罐、日用罐和沉淀罐，柴油儲罐和日用罐以及照明、給排水、防雷接地和消防等設施。

柴油箱式電站的設備比重油箱式電站設備少，系統比較簡單，沒有處理和供給滑油和循環水的系統以及余熱鍋爐等設備，由高速發電機組主機箱、日用油箱、電氣箱和油罐區等設施組成，日用油箱為定制集裝箱；油罐區配置臥式柴油儲罐等設施。

3.4 設備選型

對于海外陸用電站主機和輔助設備，優先考慮國產化率高的市場主流設備，性價比較高。首先，對于同品牌同型號的設備，在技術指標相同的情況下，國產化率高的設備價格較低，運維備品備件耗材價格較低，國內技術服務人員費用較低，響應速度較快。其次，國產成套設備出口可獲得出口退稅，降低工程造價。另外，中國投融資的海外項目要求中國成分比例（即國產化率）一般不低于35%。

由于集裝箱尺寸限制，箱式發電機組單機功率一般在2MW以內。針對本項目要求，選用MAN國產機組與康明斯進口機組（大功率高速機尚未國產）進行對比。

3.4.1 MAN箱式發電機組（方案一）

采用5套MAN9L2131箱式發電機組，4用1備，單機額定功率（PR）1 881kW，總裝機容量9 405kW，重油電站自用電率主要與發電機效率，冷卻水系統（如風冷機組、開式循環或冷卻塔等冷卻方式），以及燃油、滑油、脫硝、脫硫等輔助系統配置等因素有關，一般不超過裝機容量的4%。4臺常用機組最大凈輸出功率可達7 223kW，滿足7 000kW施工用電負荷要求。機組具體性能參數如表1所示。

3.4.2 康明斯箱式發電機組（方案二）

根據康明斯C2250D5發電機組樣本，發電機組常用功率（PRP）為1 600kW，常用功率適用于為可變負載不限時供電，符合本項目臨時供電工況；按照最新版ISO 8528-1：2018《往復式內燃機驅動的交流發電機組 第一部分：應用、功率和性能》和康明斯廠家標準，PRP工況下任何24h的平均負荷率不超過PRP的70%。與高速機組不同，中速機組可以100%額定功率長期運行，這是中速機組的優勢。

采用7套C2250D5箱式發電機組，6用1備，總裝機容量11 200kW。6臺C2250D5常用發電機組輸出功率為6 720kW；當用電負荷超過6 720kW時，啟動備用機組，7臺機組并行運行輸出功率可達7 840kW，充分利用了裝機功率，降低初始投資。機組具體性能參數如表1所示。

表1箱式發電機組性能參數對比

4 方案比較

4.1 可靠性

柴油機可靠性是電站可靠性的決定因素，柴油機的磨損是柴油機老化的主要因素。高速機轉速一般1 500r/min（50Hz）或1 800r/min（60Hz），中速機轉速范圍為500～1 000r/min，中速機轉速較低，運動部件配合間隙較大，運動部件磨損較慢，疲勞故障率較低，因此，在相同使用工況和材料條件下，中速機維護和維修間隔較長，整機使用壽命長，可靠性高。

4.1.1 維護保養和使用壽命

MAN中速機大修期為24 000h，康明斯高速機大修期為12 000h。高速機比中速機維護周期短，相同運行時間維護次數多，高速機維護工作量大，費用高。

高速機與中速機的大修明顯不同：首先，高速機大修需將柴油機徹底解體進行檢修和部件更換，中速機每次檢修維護均無須將柴油機解體；其次，使用現場一般不具備高速機大修所需的工具和裝配條件，有時需返廠大修，而中速機大修一般在使用現場實施，高速機大修的時間長，費用高。另外，高速機每次大修后輸出功率有一些折損，中速機在各級維修保養后輸出功率維持不變。

在正常維護保養和使用條件下，中速機使用壽命可以達到25～30年，而高速機使用壽命一般為3個大修周期，按每年運行6 000h計算，使用壽命大約8年。

4.1.2 運行保障能力

柴油機電站投入運行后，設備商的技術支持和維修服務對電站穩定運行具有重要影響，方案一重油電站的技術支持由國內設備商提供，運行保障能力強；方案二采用美國進口柴油機，技術服務依托國內代理商，進口備品備件供貨周期長，費用高，運行保障能力一般。

4.2 經濟性

重油電站初始投資一般比柴油機電站高。電站運維成本主要取決于柴油發電機組的經濟性，柴油發電機組的經濟性包括燃油消耗率、滑油消耗率、維修周期、使用壽命及備品備件消耗等指標。

中速機比高速機轉速低，燃燒室內燃燒充分，熱效率較高，燃油消耗率較低，而且輕柴油價格通常是重油的1.5倍以上，中速機耐用性好，因此，中速機的長期持續運行經濟性較好。

4.2.1 初始投資

方案一初始投資為670萬美元，方案二初始投資為330萬美元。方案三利用新建的35kV市政線路和35kV變電站永久工程。從35kV變電站至各工程區10kV臨時供電線路，造價約24萬美金。

4.2.2 固定資產折舊

按使用壽命40%的年限進行折舊：方案一重油電站按照10年折舊，每年固定資產折舊為67萬美元；方案二柴油電站按照3.2年折舊，每年固定資產折舊為103.1萬美元；方案三初始投資24萬美元，按4年施工用電時間折舊，每年固定資產折舊為6萬美元。

4.2.3 燃油和滑油消耗

年耗油量Fc計算如下：

Fc=年用電量×電站綜合燃油或滑油消耗率

表1中給出了標準工況下發電機組的燃油和滑油消耗率，受電站自用電、部分負荷工況和現場條件（如氣溫、濕度、海拔）等因素影響，重油電站綜合燃油和滑油消耗率以1.04系數考慮；高速機電站系統簡單，輔助設備少，自用電較小，高速機電站綜合燃油和滑油消耗率以1.01系數考慮。

方案一重油箱式電站燃油消耗率為211.12g/（kW·h），年燃油消耗6 333.6t，燃油費用348.35萬美元；滑油消耗率為0.832g/（kW·h），年滑油消耗24.96t，滑油費用6.24萬美元。方案二柴油箱式電站燃油消耗率為212.1g/（kW·h），年燃油消耗6363t，燃油費用572.67萬美元；滑油消耗率為1.01g/（kW·h），年滑油消耗30.3t，滑油費用7.575萬美元。

4.2.4 運維耗材費用

4年運維備品備件等耗材費用，方案一為80萬美元，每年20萬美元；方案二為200萬美元，每年50萬美元。在施工用電期間，方案三35kV線路和變電站運維耗材費用每年6萬美元。

4.2.5 運維團隊

方案一運維團隊配置16人，包括運維經理2名，機械、電氣、控制工程師各1名，行政兼翻譯1名，當地技工6名和普工4名，年人工費用約50萬美元。方案二比方案一電站系統簡單，配置運維團隊11人，包括運維經理1名，機械、電氣、控制工程師各1名（其中1名工程師兼運維副經理），行政兼翻譯1名，當地技工4名和普工2名，年人工費用約30萬美元。方案三35kV線路和變電站運維年人工費用15萬美元。

4.3 綜合用電成本

綜合用電成本如表2所示。

表2綜合用電成本美元（/kW·h）

4.4 小結

按照年用電量為3.0×107kW·h計算，方案一用電成本最低，為16.4美分，每年492萬美元；方案二用電成本次之，為25.5美分，每年765萬美元；方案三用電成本最高，為25.9美分，每年777萬美元。

方案二初始投資低于方案一340萬美元，但方案二比方案一年用電費用高273萬美元。重油箱式電站高出的初始投資回收期約15個月。對于臨時供電超過2年的項目，方案一比方案二具有成本優勢。

方案一和方案二都能滿足項目臨時用電要求，方案二與方案三用電成本相當，但方案二可靠性優于方案三，本項目市政供電來自水電站，在枯水季節一般會限電或停電，4年施工期周邊地區的用電量和負荷也會逐年增加，存在用電可靠性風險。

重油電站包括重油箱式電站是特定場景適用的供電方式，本文提供了重油電站和柴油電站方案比選的方法論建議，在具體工程實踐中應注意項目所在國的用電成本水平、用電需求和限制條件以及發電機組的選型和相關參數的選取等因素。

5 重油箱式電站的適用范圍

重油電站包括重油箱式電站的優勢主要來自燃油的經濟性和重油發電機組的耐用性。通常，重油箱式電站作為臨時供電有以下特點：沒有市政供電網絡或市政供電可靠性不佳、供電容量受限或用電成本較高；陸用電站發電機組數量一般不超過10臺，總裝機容量一般約為20MW；臨時用電設施比較集中，分布在重油箱式電站5km范圍內；臨時供電時間一般2～5年；箱式電站可擴展性好，機組數量增減靈活方便，施工期短，適合分期實施、工期緊和供電負荷逐步增加的項目。

海外重油電站的優勢得到了業內普遍的認可，臨時供電用重油電站已經在海外大型項目的施工用電中應用。另外，對于低負荷工況可以配備小功率高速發電機組作為重油發電機組的補充，高速發電機組在工程竣工后可作為應急備用機組。例如，“中巴經濟走廊”優先能源項目卡洛特水電站，配備18MW柴油機電站為水電站提供施工和生活用電，采用3臺重油發電機組和5臺550kW高速柴油發電機[3]。另外，巴基斯坦SK水電站和巴基斯坦NJ水電站等項目也采用了臨時供電用重油電站，裝機容量都在12MW以上。海外箱式重油電站在臨時供電領域的優勢會逐步得到人們的認可，相信將有越來越多的工程應用。