重油箱式電站應(yīng)用于海外項(xiàng)目臨時(shí)供電工程初探

吳繼英

（中國(guó)船舶集團(tuán)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(xù)運(yùn)行可靠性好、裝機(jī)容量按需配置靈活、建設(shè)周期短和發(fā)電成本適中等特點(diǎn)，在南亞和非洲等供電匱乏、供電網(wǎng)絡(luò)脆弱和市政供電價(jià)格高的區(qū)域，在建材、冶金和碼頭等項(xiàng)目中應(yīng)用較多。

2 工程概況

西非某項(xiàng)目施工建設(shè)期48個(gè)月，施工用電高峰負(fù)荷約7 000kW，電壓10.5kV，頻率50Hz，功率因數(shù)（滯后）0.8，年用電量約3.0×107kW·h。在3～5km范圍內(nèi)設(shè)置采石場(chǎng)、混凝土攪拌站、機(jī)修保養(yǎng)站、材料堆場(chǎng)和生活辦公等設(shè)施。

根據(jù)2018年和2019年的市場(chǎng)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)勘察，當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)價(jià)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(dāng)?shù)厝斯ぃ浩展?00美元/月，技術(shù)工400美元/月；工業(yè)用戶的電價(jià)約合25美分/（kW·h）。

可選臨時(shí)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(jī)電站；方案三，永久供電和臨時(shí)供電相結(jié)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(shè)置10kV線路5回至各工程區(qū)。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 陸用電站設(shè)計(jì)原則

大功率高速柴油機(jī)陸用電站主要在應(yīng)急供電、備用電站和臨時(shí)供電中應(yīng)用。陸用柴油機(jī)電站以中速柴油機(jī)為主，低速柴油機(jī)為輔，燃料以180cst重油為主，輕柴油用于發(fā)電機(jī)組啟停，業(yè)內(nèi)稱為陸用重油電站。

陸用柴油機(jī)電站設(shè)計(jì)主要有以下原則：（1）可靠性，包括維護(hù)保養(yǎng)、使用壽命和運(yùn)行保障能力等方面；（2）經(jīng)濟(jì)性，包括初始投資和運(yùn)營(yíng)成本2方面；（3）可實(shí)施性，綜合考慮總體項(xiàng)目的工期、施工工藝、氣溫海拔和水文地質(zhì)條件、環(huán)保要求、當(dāng)?shù)厝瞬臋C(jī)和安全形勢(shì)等因素；（4）可移動(dòng)性，供電時(shí)間5年以內(nèi)的陸用電站，可移動(dòng)性非常重要，箱式電站應(yīng)運(yùn)而生；（5）永久供電和臨時(shí)供電相結(jié)合，降低總體項(xiàng)目成本，提高項(xiàng)目全壽命周期經(jīng)濟(jì)性。

3.2 柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)主要品牌

中速柴油機(jī)第一梯隊(duì)有德國(guó)曼恩（MAN）、芬蘭瓦錫蘭（Wartsila）和美國(guó)卡特皮勒（簡(jiǎn)稱卡特，CAT）等品牌；第二梯隊(duì)有現(xiàn)代重工（HHI）、日本大發(fā)（DAIHATSU）和日本洋馬（YANMAR）等品牌[1]。在國(guó)內(nèi)，MAN有8家中速柴油機(jī)和9家低速柴油機(jī)許可證生產(chǎn)商，許可證生產(chǎn)廠較多，自主開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)化率較高，同功率段的柴油機(jī)中價(jià)格和服務(wù)有優(yōu)勢(shì)；瓦錫蘭有3家中速柴油機(jī)和1家低速柴油機(jī)合資廠，產(chǎn)品主要通過(guò)其全球銷售網(wǎng)絡(luò)銷售，生產(chǎn)廠自主權(quán)較??；CAT有1家中速柴油機(jī)合資廠和1家高速柴油機(jī)生產(chǎn)廠，授權(quán)4家代理商在中國(guó)大陸銷售全線產(chǎn)品，代理商負(fù)責(zé)價(jià)格、維護(hù)、服務(wù)與支持。

高速柴油機(jī)主要品牌有康明斯、MTU、卡特和濰柴?？得魉勾蠊β什裼蜋C(jī)和發(fā)電機(jī)組主要在武漢和重慶生產(chǎn)，市場(chǎng)占有率較高；MTU主要有蘇州、大同和玉林3家生產(chǎn)廠，設(shè)備和服務(wù)價(jià)格較高。

柴油發(fā)電機(jī)組配套發(fā)電機(jī)主要有ABB、利萊森瑪、中船現(xiàn)代、中船電氣、斯坦福和馬拉松等品牌。

3.3 箱式電站構(gòu)成

重油箱式電站由箱式發(fā)電機(jī)組及其相關(guān)配套設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)和油罐區(qū)組成，包括主機(jī)箱、輔機(jī)箱、電氣箱、余熱鍋爐和油罐等設(shè)施，各主機(jī)箱附帶進(jìn)氣濾器，頂部設(shè)置風(fēng)冷機(jī)組和排氣系統(tǒng)等；輔機(jī)箱負(fù)責(zé)電站運(yùn)行過(guò)程中重油、滑油、循環(huán)水、壓縮空氣等處理和供給；電氣箱執(zhí)行發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、并列、解列、加減載和運(yùn)行監(jiān)控等功能[2]。油罐區(qū)有重油儲(chǔ)罐、日用罐和沉淀罐，柴油儲(chǔ)罐和日用罐以及照明、給排水、防雷接地和消防等設(shè)施。

柴油箱式電站的設(shè)備比重油箱式電站設(shè)備少，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有處理和供給滑油和循環(huán)水的系統(tǒng)以及余熱鍋爐等設(shè)備，由高速發(fā)電機(jī)組主機(jī)箱、日用油箱、電氣箱和油罐區(qū)等設(shè)施組成，日用油箱為定制集裝箱；油罐區(qū)配置臥式柴油儲(chǔ)罐等設(shè)施。

3.4 設(shè)備選型

對(duì)于海外陸用電站主機(jī)和輔助設(shè)備，優(yōu)先考慮國(guó)產(chǎn)化率高的市場(chǎng)主流設(shè)備，性價(jià)比較高。首先，對(duì)于同品牌同型號(hào)的設(shè)備，在技術(shù)指標(biāo)相同的情況下，國(guó)產(chǎn)化率高的設(shè)備價(jià)格較低，運(yùn)維備品備件耗材價(jià)格較低，國(guó)內(nèi)技術(shù)服務(wù)人員費(fèi)用較低，響應(yīng)速度較快。其次，國(guó)產(chǎn)成套設(shè)備出口可獲得出口退稅，降低工程造價(jià)。另外，中國(guó)投融資的海外項(xiàng)目要求中國(guó)成分比例（即國(guó)產(chǎn)化率）一般不低于35%。

由于集裝箱尺寸限制，箱式發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率一般在2MW以內(nèi)。針對(duì)本項(xiàng)目要求，選用MAN國(guó)產(chǎn)機(jī)組與康明斯進(jìn)口機(jī)組（大功率高速機(jī)尚未國(guó)產(chǎn)）進(jìn)行對(duì)比。

3.4.1 MAN箱式發(fā)電機(jī)組（方案一）

采用5套MAN9L2131箱式發(fā)電機(jī)組，4用1備，單機(jī)額定功率（PR）1 881kW，總裝機(jī)容量9 405kW，重油電站自用電率主要與發(fā)電機(jī)效率，冷卻水系統(tǒng)（如風(fēng)冷機(jī)組、開(kāi)式循環(huán)或冷卻塔等冷卻方式），以及燃油、滑油、脫硝、脫硫等輔助系統(tǒng)配置等因素有關(guān)，一般不超過(guò)裝機(jī)容量的4%。4臺(tái)常用機(jī)組最大凈輸出功率可達(dá)7 223kW，滿足7 000kW施工用電負(fù)荷要求。機(jī)組具體性能參數(shù)如表1所示。

3.4.2 康明斯箱式發(fā)電機(jī)組（方案二）

根據(jù)康明斯C2250D5發(fā)電機(jī)組樣本，發(fā)電機(jī)組常用功率（PRP）為1 600kW，常用功率適用于為可變負(fù)載不限時(shí)供電，符合本項(xiàng)目臨時(shí)供電工況；按照最新版ISO 8528-1：2018《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組 第一部分：應(yīng)用、功率和性能》和康明斯廠家標(biāo)準(zhǔn)，PRP工況下任何24h的平均負(fù)荷率不超過(guò)PRP的70%。與高速機(jī)組不同，中速機(jī)組可以100%額定功率長(zhǎng)期運(yùn)行，這是中速機(jī)組的優(yōu)勢(shì)。

采用7套C2250D5箱式發(fā)電機(jī)組，6用1備，總裝機(jī)容量11 200kW。6臺(tái)C2250D5常用發(fā)電機(jī)組輸出功率為6 720kW；當(dāng)用電負(fù)荷超過(guò)6 720kW時(shí)，啟動(dòng)備用機(jī)組，7臺(tái)機(jī)組并行運(yùn)行輸出功率可達(dá)7 840kW，充分利用了裝機(jī)功率，降低初始投資。機(jī)組具體性能參數(shù)如表1所示。

表1箱式發(fā)電機(jī)組性能參數(shù)對(duì)比

4 方案比較

4.1 可靠性

柴油機(jī)可靠性是電站可靠性的決定因素，柴油機(jī)的磨損是柴油機(jī)老化的主要因素。高速機(jī)轉(zhuǎn)速一般1 500r/min（50Hz）或1 800r/min（60Hz），中速機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為500～1 000r/min，中速機(jī)轉(zhuǎn)速較低，運(yùn)動(dòng)部件配合間隙較大，運(yùn)動(dòng)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(jī)維護(hù)和維修間隔較長(zhǎng)，整機(jī)使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。

4.1.1 維護(hù)保養(yǎng)和使用壽命

MAN中速機(jī)大修期為24 000h，康明斯高速機(jī)大修期為12 000h。高速機(jī)比中速機(jī)維護(hù)周期短，相同運(yùn)行時(shí)間維護(hù)次數(shù)多，高速機(jī)維護(hù)工作量大，費(fèi)用高。

高速機(jī)與中速機(jī)的大修明顯不同：首先，高速機(jī)大修需將柴油機(jī)徹底解體進(jìn)行檢修和部件更換，中速機(jī)每次檢修維護(hù)均無(wú)須將柴油機(jī)解體；其次，使用現(xiàn)場(chǎng)一般不具備高速機(jī)大修所需的工具和裝配條件，有時(shí)需返廠大修，而中速機(jī)大修一般在使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，高速機(jī)大修的時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高。另外，高速機(jī)每次大修后輸出功率有一些折損，中速機(jī)在各級(jí)維修保養(yǎng)后輸出功率維持不變。

在正常維護(hù)保養(yǎng)和使用條件下，中速機(jī)使用壽命可以達(dá)到25～30年，而高速機(jī)使用壽命一般為3個(gè)大修周期，按每年運(yùn)行6 000h計(jì)算，使用壽命大約8年。

4.1.2 運(yùn)行保障能力

柴油機(jī)電站投入運(yùn)行后，設(shè)備商的技術(shù)支持和維修服務(wù)對(duì)電站穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響，方案一重油電站的技術(shù)支持由國(guó)內(nèi)設(shè)備商提供，運(yùn)行保障能力強(qiáng)；方案二采用美國(guó)進(jìn)口柴油機(jī)，技術(shù)服務(wù)依托國(guó)內(nèi)代理商，進(jìn)口備品備件供貨周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，運(yùn)行保障能力一般。

4.2 經(jīng)濟(jì)性

重油電站初始投資一般比柴油機(jī)電站高。電站運(yùn)維成本主要取決于柴油發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，柴油發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)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(biāo)。

中速機(jī)比高速機(jī)轉(zhuǎn)速低，燃燒室內(nèi)燃燒充分，熱效率較高，燃油消耗率較低，而且輕柴油價(jià)格通常是重油的1.5倍以上，中速機(jī)耐用性好，因此，中速機(jī)的長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較好。

4.2.1 初始投資

方案一初始投資為670萬(wàn)美元，方案二初始投資為330萬(wàn)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(qū)10kV臨時(shí)供電線路，造價(jià)約24萬(wàn)美金。

4.2.2 固定資產(chǎn)折舊

按使用壽命40%的年限進(jìn)行折舊：方案一重油電站按照10年折舊，每年固定資產(chǎn)折舊為67萬(wàn)美元；方案二柴油電站按照3.2年折舊，每年固定資產(chǎn)折舊為103.1萬(wàn)美元；方案三初始投資24萬(wàn)美元，按4年施工用電時(shí)間折舊，每年固定資產(chǎn)折舊為6萬(wàn)美元。

4.2.3 燃油和滑油消耗

年耗油量Fc計(jì)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(biāo)準(zhǔn)工況下發(fā)電機(jī)組的燃油和滑油消耗率，受電站自用電、部分負(fù)荷工況和現(xiàn)場(chǎng)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(shù)考慮；高速機(jī)電站系統(tǒng)簡(jiǎn)單，輔助設(shè)備少，自用電較小，高速機(jī)電站綜合燃油和滑油消耗率以1.01系數(shù)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(fèi)用348.35萬(wàn)美元；滑油消耗率為0.832g/（kW·h），年滑油消耗24.96t，滑油費(fèi)用6.24萬(wàn)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(fèi)用572.67萬(wàn)美元；滑油消耗率為1.01g/（kW·h），年滑油消耗30.3t，滑油費(fèi)用7.575萬(wàn)美元。

4.2.4 運(yùn)維耗材費(fèi)用

4年運(yùn)維備品備件等耗材費(fèi)用，方案一為80萬(wàn)美元，每年20萬(wàn)美元；方案二為200萬(wàn)美元，每年50萬(wàn)美元。在施工用電期間，方案三35kV線路和變電站運(yùn)維耗材費(fèi)用每年6萬(wàn)美元。

4.2.5 運(yùn)維團(tuán)隊(duì)

方案一運(yùn)維團(tuán)隊(duì)配置16人，包括運(yùn)維經(jīng)理2名，機(jī)械、電氣、控制工程師各1名，行政兼翻譯1名，當(dāng)?shù)丶脊?名和普工4名，年人工費(fèi)用約50萬(wàn)美元。方案二比方案一電站系統(tǒng)簡(jiǎn)單，配置運(yùn)維團(tuán)隊(duì)11人，包括運(yùn)維經(jīng)理1名，機(jī)械、電氣、控制工程師各1名（其中1名工程師兼運(yùn)維副經(jīng)理），行政兼翻譯1名，當(dāng)?shù)丶脊?名和普工2名，年人工費(fèi)用約30萬(wàn)美元。方案三35kV線路和變電站運(yùn)維年人工費(fèi)用15萬(wàn)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(jié)

按照年用電量為3.0×107kW·h計(jì)算，方案一用電成本最低，為16.4美分，每年492萬(wàn)美元；方案二用電成本次之，為25.5美分，每年765萬(wàn)美元；方案三用電成本最高，為25.9美分，每年777萬(wàn)美元。

方案二初始投資低于方案一340萬(wàn)美元，但方案二比方案一年用電費(fèi)用高273萬(wàn)美元。重油箱式電站高出的初始投資回收期約15個(gè)月。對(duì)于臨時(shí)供電超過(guò)2年的項(xiàng)目，方案一比方案二具有成本優(yōu)勢(shì)。

方案一和方案二都能滿足項(xiàng)目臨時(shí)用電要求，方案二與方案三用電成本相當(dāng)，但方案二可靠性優(yōu)于方案三，本項(xiàng)目市政供電來(lái)自水電站，在枯水季節(jié)一般會(huì)限電或停電，4年施工期周邊地區(qū)的用電量和負(fù)荷也會(huì)逐年增加，存在用電可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

重油電站包括重油箱式電站是特定場(chǎng)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(shí)踐中應(yīng)注意項(xiàng)目所在國(guó)的用電成本水平、用電需求和限制條件以及發(fā)電機(jī)組的選型和相關(guān)參數(shù)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(yōu)勢(shì)主要來(lái)自燃油的經(jīng)濟(jì)性和重油發(fā)電機(jī)組的耐用性。通常，重油箱式電站作為臨時(shí)供電有以下特點(diǎn)：沒(méi)有市政供電網(wǎng)絡(luò)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(fā)電機(jī)組數(shù)量一般不超過(guò)10臺(tái)，總裝機(jī)容量一般約為20MW；臨時(shí)用電設(shè)施比較集中，分布在重油箱式電站5km范圍內(nèi)；臨時(shí)供電時(shí)間一般2～5年；箱式電站可擴(kuò)展性好，機(jī)組數(shù)量增減靈活方便，施工期短，適合分期實(shí)施、工期緊和供電負(fù)荷逐步增加的項(xiàng)目。

海外重油電站的優(yōu)勢(shì)得到了業(yè)內(nèi)普遍的認(rèn)可，臨時(shí)供電用重油電站已經(jīng)在海外大型項(xiàng)目的施工用電中應(yīng)用。另外，對(duì)于低負(fù)荷工況可以配備小功率高速發(fā)電機(jī)組作為重油發(fā)電機(jī)組的補(bǔ)充，高速發(fā)電機(jī)組在工程竣工后可作為應(yīng)急備用機(jī)組。例如，“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”優(yōu)先能源項(xiàng)目卡洛特水電站，配備18MW柴油機(jī)電站為水電站提供施工和生活用電，采用3臺(tái)重油發(fā)電機(jī)組和5臺(tái)550kW高速柴油發(fā)電機(jī)[3]。另外，巴基斯坦SK水電站和巴基斯坦NJ水電站等項(xiàng)目也采用了臨時(shí)供電用重油電站，裝機(jī)容量都在12MW以上。海外箱式重油電站在臨時(shí)供電領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐步得到人們的認(rèn)可，相信將有越來(lái)越多的工程應(yīng)用。