【优秀毕业论文】 大型船舶企业节电模式的研究与验证.pdf

申请上海交通大学工程硕士专业学位论文 大型船舶企业节电模式的研究与验证 大型船舶企业节电模式的研究与验证 学 校：学 校： 上海交通大学 院 系：院 系： 电子信息与电气工程学院 班 级：班 级： 1070322 学 号：学 号： 1070322054 工程硕士生：工程硕士生：陈汴特 工程领域：工程领域： 控制工程 导 师：导 师： 朱新坚 教授 导 师：导 师： 郑婉琳 高级工程师 上海交通大学上海交通大学 2009 年 7 月 14 日 2009 年 7 月 14 日 a dissertation submitted to shanghai jiao tong university for master degree of engineering power-saving mode of large-scale shipbuilding enterprises of research and verification author：bian te chen specialty: control engineering advisor : prof. xin jian zhu advisor : senior engineer. wan lin zheng shanghai jiao tong university shanghai, p.r.china july 14, 2009 第 i 页 大型船舶企业节电模式的研究与验证 摘 大型船舶企业节电模式的研究与验证 摘 要 要 峰谷分时电价是电力行业为削峰填谷，提高电力系统负荷率和运行 稳定性而采取的一种经济手段。针对峰谷分时电价带来的风险问题，本 文分析了国内外分时电价实施现状，阐述了制定分时电价的基础理论和 原则；考虑到实施分时电价的目标以及在实施过程中给供电企业带来的 风险，对影响分时电价的各个因素进行深入分析，提出了制定合理的分 时电价体系的方法，同时在控制分时电价风险上提出了相应的风险规避 策略。 本课题是依据我国大型船舶企业实际生产状况中的用电问题，针对 国家降本增益，节约能源资源，降低生产能耗的技术要求，改进生产管 理模式，解决目前的供电问题。课题以公司对电力系统的技术要求为基 础，并依据生产特点和用电负荷趋势建立了错时用电式的新生产模式， 论文论述了该模式的设计原理和构成方式，建立了相应的数学模型，并 提出了其它如变频节电、照明节电等设想。同时，本课题分析并解决了 目前电网中存在的某些质量问题，详细论述了谐波治理技术的工程应用。 本文设计的新生产模式在试运行后，经过对能耗进行长时间的数据统计， 对新生产模式运行的可靠性进行了评估和验证，结果表明新生产模式的 第 ii 页 能耗降幅和电网质量符合设计要求。在理论研究的基础上，本文结合某 地区受电企业的实际情况，对理论结果进行了实证研究。 大工业终端用户在增加相应的设备投入和采取适当的管理和技术措 施后可具备强大的电网调节功能，峰谷分时电价弥补了终端用户参与电 网调荷而付出的成本，能促使终端用户自觉的削峰填谷。运用峰谷分时 电价政策，系统分析企业的负荷特征，生产特点及工艺流程；采用多种 手段优化用电方式，全面落实削峰填谷措施。同时，本课题分析并解决 了目前电网中存在的质量问题，详细论述了谐波治理技术的工程应用。 该系统在试运行后，经长时间的对能耗进行数据统计，对该系统的运行 可靠性进行了评估，且能耗降幅和电网质量符合设计要求。 本论文的主要工作包括以下方面: 提出了船舶公司的节电工作推进构想;对公司用电情况进行分析; 对削峰填谷降低能耗进行了理论研究与推导，建立了削峰填谷数学模型， 完善了削峰填谷的保证体系，为合理的生产组织提出建议并提供了相应 的理论依据。 针对当前船舶企业能耗存在的问题，对实际生产中遇到的问题进 行分析，对电网质量进行综合测试，使公司真实面对在推进节能工作中 要注意的谐波、浪涌等各种问题。 源头解决，对变频焊机改进，既达到节能目的，又改善电网质量。 选用了专业的谐波吸收装置，对公司节电工作带来好处，对公司高敏感 第 iii 页 设备带来保护。 照明节电工作的开展。在生产实践过程中，引入节电器，对公司 已经使用的节能产品进行数据统计和分析并得出结论。 完成了以上工作的安装调试和验收工作，进行了节电工作的数据统 计分析工作，通过生产实践，获知节能措施节能实效，对公司能耗管理 能产生具体积极效果。通过一系列的实践数据，对公司今后的生产管理 提出建设性的建议。 关键词：关键词：电能质量，峰谷电价，电能损耗，错时用电，分时计量 第 iv 页 power-saving mode of large-scale shipbuilding enterprises of research and verification abstract peak and valley price is an economic measure which is used in the electricity industry to remove the peak load and to improve load rate and system stability.towards the time of use power price，the paper analyses its domestic and overseas research status，and sets forth the theory foundation and rules for how to establish tou power price； considering the aim and risk of power supply company when implementing the tou price，the paper analyses the influencing factors，puts forward the method of how to establish the price system reasonably，proposes some strategies of how to control the risk. this topic is rests on in our country large-scale ships industry actual production condition to use electricity the question, falls this gain in view of the country, saves the production energy consumption the specification, the improvement production management pattern, the solution at present power supply question. the topic take the company to the electrical power system specification as a foundation, and used electricity the load tendency based on the production characteristic to establish chops wave ridge to fills in the valley the new production pattern, the paper elaborated this pattern principle of design and the constitution way, has established the corresponding mathematical model, and proposed other like tentative plan and so on frequency conversion electricity saving, illumination electricity saving. at the same time, this topic analyzed and has solved the quality question which in the present electrical network exists, in detail elaborated the overtone government technology project application. this system after tries the movement, carries on the data statistics after the long time to the energy 第 v 页 consumption, has carried on the appraisal to this system movement reliability, also the energy consumption range of fall and the electrical network quality conform to the design requirement. basing on the research of theory， it gives a practical analyses of a certain power accepting companys actual application. large industrial end-users in the corresponding increase in equipment investment and to take appropriate management and technical measures can have a strong regulatory function of the grid, use electricity price to make up for the end-user participation in the netherlands and the grid transfer cost will enable end-user the peak cutting and valley filling conscious. the use of-use electricity price policy, systems analysis of the load characteristics of enterprises, production characteristics and technological process; optimize the power consumption using a variety of means, the full implementation of measures the peak cutting and valley filling. at the same time, analysis of this issue and resolve the current quality of the existing power grid problems, the harmonic detail engineering management technology. of the system in trial operation, the after a long-term data on energy statistics, the operation of the system to carry out an assessment of the reliability and decrease energy consumption and power grid in line with the quality of the design requirements. the main work of this paper include the following： a ships work to promote the concept of power; the companys analysis of electricity consumption; the peak cutting and valley filling reduce the energy consumption of the theoretical research and is derived, the establishment of a mathematical model the peak cutting and valley filling, perfected the peak cutting and valley filling assurance system; for reasonable production organization to make recommendations and provide the corresponding theory. ship for the current energy problems in enterprises, the actual problems encountered in the production of an analysis of the quality of the integrated power system testing, the true face of the company work in promoting energy conservation to the attention of harmonics, surges and other 第 vi 页 problems . source solution for improving the frequency welding machine, the purpose is to achieve energy conservation and improve the quality of power grids. selection of a professional harmonic absorption device, the work of the companys energy-saving benefits, the company brought about by the protection of highly sensitive equipment. lighting energy saving work. practice in the production process, the introduction of saver, the companys energy-saving products have been used for data analysis and statistics and reach a conclusion. the above work was completed installation and acceptance of work, energy-saving work carried out statistical analysis of data through the production of practice, informed of the effectiveness of energy-saving energy-saving measures, the companys power management can result in concrete positive results. practice through a series of data, the production management company offering constructive suggestions. keywords: power quality,time-of-use electricity pricing,electrical energy loss,chops wave ridge to fills in the valley,time sharing measurement 第 vii 页 目 录 目 录 摘摘 要要 abstract 第一章第一章 绪论绪论. 1 1.1 研究课题的背景与意义. 1 1.2 国内外船舶行业能耗的现状. 2 1.3 本章小结. 3 第二章第二章 造船企业电能质量理论及测量分析方法造船企业电能质量理论及测量分析方法 . 5 2.1 电能质量国家标准简介. 5 2.2 供电电压允许偏差. 6 2.3 公用电网谐波. 6 2.4 电力系统频率允许偏差 . 8 2.5 三相电压允许不平衡度 . 9 2.6 电压波动与闪变. 10 2.7 暂时过电压和瞬态过电压 . 12 2.8 本章小结. 12 第三章第三章 错时用电经济考核的数学模型建立及可行性研究错时用电经济考核的数学模型建立及可行性研究 . 13 3.1 错时用电模型的设计概述. 13 3.2 错时用电降低能耗理论依据及推导. 14 3.2.1 错时用电对于线路损耗的降低. 14 3.2.2 错时用电对于变压器有功损耗的减少. 15 3.3 错时用电模型的经济意义. 17 3.4 错时用电经济考核数学模型的建立. 18 3.5 实施错时用电策略对造船厂能耗费用降低的可行性分析 . 20 3.6 本章小结. 21 第四章第四章 错时用电下的节电综合性改进策略研究错时用电下的节电综合性改进策略研究. 22 4.1 课题的提出及经济意义. 22 4.1.1课题的提出. 22 第 viii 页 4.1.2课题的经济意义. 22 4.2 船舶企业供电系统的现状. 23 4.3 运用错时用电措施促进用电机制改革. 24 4.3.1规避分时电价风险. 24 4.3.2各分厂分时电价应对策略. 27 4.4 电力管理公司电价营销策略. 28 4.4.1分类用户分时电价策略. 29 4.4.2电价让价策略. 30 4.5 本章小结. 30 第五章第五章 错时用电措施对船舶企业节电的应用验证错时用电措施对船舶企业节电的应用验证. 31 5.1 电力节能验收校准. 31 5.1.1校准环境条件. 31 5.1.2采集对象. 31 5.2 涂装和重机公司的节电效果验证. 31 5.2.1分公司分时计量数据采集及分析. 32 5.3 谐波的治理及效果验证. 37 5.3.1谐波源及分析. 37 5.3.2治理方案、数据测试及分析. 39 5.3.3经济效益及成本回收. 42 5.4 空压机节能效果验证. 43 5.5 照明节能效果验证. 44 5.6 节能效果最终验收. 48 5.7 本章小结. 48 第六章第六章 全文总结全文总结. 50 6.1 主要结论. 50 6.2 研究展望. 50 参参 考考 文文 献献. 52 符号与标记（附录符号与标记（附录 1）. 55 致致 谢谢. 56 攻读硕士学位期间已发表的论文攻读硕士学位期间已发表的论文. 57 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究课题的背景与意义研究课题的背景与意义 当前，我国国民经济已进入了一个较快的发展时期，工业企业效益逐步改善，经 济和生产的高速发展，导致了我国电力需求持续高速增长。能源是经济建设和社会发 展的重要物质基础。电能作为一种优质、清洁、方便、高效的现代化能源，已成为我 国社会发展的重要支柱，但电能又是可用能源中最贵的，大约是煤价的 8 倍或煤气的 6 倍，必须非常合理地使用这个昂贵的能源，所以我国要“坚持节约与开发并举，把 节约放在首位” 1的能源战略方针。 随着工业化社会的发展，能源问题也日渐突出。电作为当代社会最主要的能源之 一，随着工业用电和生活用电的迅猛增加，供不应求的局面也日益显现。在能源严重 紧缺的今天，我们更应珍惜能源，节约能源。作为一名电气设计人员，我们应首先从 设计上考虑到节约能源，以作到未雨绸缪。 节电是一项促进国民经济和社会发展的长期战略。 随着国内外造船行业竞争的日 趋激烈，节能降耗以提升自身竞争力被放到了相当重要的位置。在近期国有大型企业 中，我公司也处于能耗大户的行列。集团公司指出，要求在十一五改造中力争将造船 能耗下降三十个百分点，向国外一流的造船公司靠拢 23。 我国国民经济发展速度按国民生产总值年均增长约为 8% ，而发电量年均增长约 为 7%，为缓解电力供需矛盾，要求我国年节电 12001400 亿 kwh 和转移 10001200 万 kwh 的高峰负荷到低谷。按目前的价格，每建设 1kw 发电能力的投资，包括送变电 工程费用在内，需要 1.5 万元。如果因节电而少建一座 2000mw 的燃煤电厂，国家可 直接节约投资 300 亿元，每年还可少烧原煤 625 万吨以上，改善了环境，缓解了交通 运输和矿井建设。电费在各行各业中占生产成本的比重都较大，如：旅游餐饮业占 10-20% ，水泥建设等占 15以上，氮肥等占 20-30% ，电冶金占 20-50% ，轻纺占 15-20。用电企业做好节电工作，大幅度降低电耗，可以显著增加利润。我国企业 第 2 页 耗电普遍偏高，一般至少高于发达国家 15-30%，节电潜力很大。我国发电以燃煤电 厂为多数，约占发电总量的 70。燃煤电厂污染排放严重，破坏人类赖以生存的生 态系统 4。仅以一座 2000mw 燃煤电厂为例，厂区占地 60 万 m2，厂区外灰场占地 200 万 m 2， 每年至少需耗原煤 625 万 t， 补给循环水 50000 万 m3， 向大气排放二氧化碳 1600 万 t，按煤中含硫 1计，每年排放氧化硫 sox11.6 万 t，氧化氮 nox5.8 万 t，在除 尘效率不低于 99,5% 的情况下，每年向大气排放漂尘 0.57t，灰渣 125 万 t，还要对 环境造成热污染和噪声污染等。 少建一座火电厂， 对改善环境和保护生态大有好处 5。 因此，节约电能不仅可以缓解电力供应紧张，避免了对人民生活用电拉闸限电， 而且还可以改善环境，增加企业效益和提高国民收入，其主要作用可总结如下： 可以缓和电力供求矛盾。通过节能，可以使有限的电能发挥出更大的效益， 创造更多的价值，对社会作出更大的贡献。 可以提高电能使用的经济效益。通过节能，既可以减少电费开支、降低产品 成本，又可以积累更多资金，以利于扩大再生产。 可以加速工艺、设备改造，促进技术进步。通过节能，必将淘汰过时的设备 和落后的生产工艺，随着旧设备的更新和生产工艺的进步，从而在一定条件下提高生 产能力，降低电能损耗，形成良性循环。 1.2 国内外船舶行业能耗的现状国内外船舶行业能耗的现状 国内外造船业的单位产值耗能差别很大。日本和西方先进船舶行业的产值中， 能耗比基本控制在 1%左右甚至更低，而国内企业的能耗与产值比却达到 1.4%以上， 更多的中小型企业更高达 4%或更多。由此可见，降低能源费用的支出是目前国内企 业降低造船成本、增加竞争力的基本手段。在造船厂内，能源费用中，包括了水、电、 热、切割气等，其中电力的消耗占到了总的动能成本的约三分之二。因此，节电是重 中之重。近几年世界船市火暴，全国各大船厂都进行了大规模的改造，在改造中，大 量新型的变频节能设备得到大量引用，但工厂的用能成本与投入相比却显然不成比 例。而且，用电设备的故障率却反而上升，维修成本增加。如何做到安全、有效的节 电、节能是目前中国船厂面临的共同问题。直至今日，至少在国内，各大船厂都只是 在各自系统内部有一套经验化的工作方式，一直以来，作为工厂辅助部门，都只是以 满足生产为首要任务，而对成本控制，管理改进的深入探讨不足。 第 3 页 中国在跨入世界造船业第一方阵之后，正加速船舶产品结构调整与优化升级，瞄 准船舶未来绿色安全的发展方向，促进船舶从建造到运营、拆解全寿命周期的绿色环 保。为把握这场变革带来的新机遇，中国船级社（ccs）在“十一五”期间将启动“绿 色船舶计划 6 7” ，以满足中国船舶工业由大到强发展的需要，实现可持续发展。 在开展国际国内节能、环保、减排政策研究基础上，针对我国节能减排技术整体实力 较为薄弱的现状，推行新造船和现有船舶节能减排相关举措：一是研究采用节能减排 的相关技术措施，主要包括船舶线型优化，推进器选择，电站管理，重油到轻油的转 换，风力驱动船舶，提高主机燃烧效率，使用可替换能源，如天然气、生物柴油，使 用岸电，减少船舶阻力(如船体空气润滑)，废气循环利用等；二是推行节能减排操作 与管理措施，主要包括降低船舶航速，改进船舶天气导航、航运及整个物流系统，减 少港口拥挤、候泊时间等；三是修订 ccs 现行规范，增加“绿色船舶”附加标志，覆 盖 marpol 公约和拆船公约的主要内容，并增加节能方面的考虑。在组织模式上，通 过“对标管理”推进 ccs 改革创新，促进 ccs 进一步深化机制、体制改革，推动业务 发展。 1.3 本章小结本章小结 本论文的主要工作包括以下方面: 1、 提出了船舶公司的节电工作推进构想;对公司用电情况进行深入分析;对错时用 电降低能耗进行理论研究与推导，建立了错时用电的数学模型，完善了错时用电的保 证体系，为合理的生产组织提出建议并提供了相应的理论依据。 2、针对当前船舶企业存在能耗大的问题，对实际生产中遇到的问题进行分析， 对电网质量进行综合测试，使公司真实面对在推进节能工作中要注意的谐波、浪涌等 各种问题。 3、源头解决，对变频焊机改进，既达到节能目的，又改善电网质量。选用了专 业的谐波吸收装置，对公司节电工作带来好处，对公司高敏感设备带来保护。 4、照明节电工作的开展。在生产实践过程中，引入节电器，对公司已经使用的 节能产品进行数据统计和分析并得出结论。 5、完成了以上工作的安装调试和验收工作，进行了节电工作的数据统计分析工作。 通过对数据的详细分析，得出节能产品使用的情况，并通过生产实践获知：节能措施 到底有没有节能，节能有多少，投入成本多少，成本回收期有多长，对公司能耗管理 第 4 页 能产生什么积极效果。通过一系列的实践数据，对公司今后的生产管理提出建设性的 建议。 第 5 页 第二章第二章 造船企业电能质量理论及测量分析方法造船企业电能质量理论及测量分析方法 2.1 电能质量国家标准简介电能质量国家标准简介 随着经济的快速发展，电网中非线性负荷用户的比例不断提高，由此而产生的供 电电能质量严重下降，表现得越来越突出。电能质量严重超标正在大范围的污染供电 环境，危及电网及其供电设备的安全稳定运行，严重地影响电力企业及广大用户的经 济效益。 电能质量可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏 差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平 衡以及电压波动和闪变等。为了分析和研究系统的电能质量现象，并能够对其测量结 果进行分析，从而找到引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，将电能质 量进行分类和给出相应的定义或规定是很重要的。 iec 从电磁兼容的角度考虑将电能 质量的基本现象分为:低频传导、低频辐射、高频传导、高频辐射、静电放电(esd) 等五类现象。以 ieee std 519-1992 等为代表的美国标准较为详细规定了电力系统谐 波、电压缺口（notches） 、闪变（flicker）等现象的定义、测量以及减轻的措施 8。 目前， 我国正在积极的采用国际先进标准， 特别是 iec 制定的 emc 标准。 至 2000 年底，已经有 21 项 iec61000 标准文件被等同或等效采用为国家标准文件。在此基 础之上，已经制定颁布的电能质量国家标准有: 1 电能质量供电电压允许偏差 （gb12