湯 坤 元

(福州理工學(xué)院, 福建 福州 350000)

0 引 言

該項目為含氟新能源材料生產(chǎn)項目,總用地面積136 022 m2,總建筑面積66 886 m2,項目主要由辦公樓、研發(fā)樓、質(zhì)檢樓、生產(chǎn)車間、罐組區(qū)、室外管廊等組成,車間有甲類車間、丙類車間、普通生產(chǎn)車間,建筑層數(shù)為1～5層。

1 主要設(shè)計依據(jù)

主要設(shè)計依據(jù)如下:① 行業(yè)主要規(guī)范有:GB 50016—2014(2018年版)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》,GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》,GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》,GB 50052—2010《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》,DB35_T_1536—2016《10 kV及以下電力用戶業(yè)擴工程技術(shù)規(guī)范》。② 建設(shè)單位設(shè)計任務(wù)書,業(yè)主要求所有電機類設(shè)備配電均從變配電房直接配出。③ 工藝、水、暖專業(yè)設(shè)備提資資料,項目建設(shè)分期等。

2 供配電設(shè)計

2020年9月22日,中國在聯(lián)合國大會上提出,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”,即“雙碳”目標。中國作為最大的發(fā)展中國家,要實現(xiàn)這一“雙碳”目標,任務(wù)異常艱巨,而工業(yè)又是“雙碳”目標的關(guān)鍵所在。

基于“雙碳”目標的要求,工業(yè)園區(qū)供配電[1]主要的設(shè)計思路有:① 初始投資盡量少,變配電設(shè)施在滿足生產(chǎn)運行要求條件下,做到不過度預(yù)留不浪費。如合理布置配電站房,減少電纜的用量,配電材料、配電設(shè)備的選擇做到經(jīng)濟合理;② 供配電系統(tǒng)[2]運行環(huán)保節(jié)能,選擇性能好壽命長的變配電設(shè)備,如變壓器、電機等的選擇既考慮一次性的投入成本,也兼顧后續(xù)生命周期持續(xù)運行的成本。

2.1 配電方案選擇

方案一:甲類車間動力設(shè)備的配電不設(shè)置配電總柜(控制柜),不在車間單體就地設(shè)置配電間,每個車間動力設(shè)備的電源均單獨設(shè)置電源線到配電室低壓出線柜(控制柜),進行集中配電。這樣從每個車間出來的電纜數(shù)量非常多,比如甲類車間七設(shè)有電機122臺,電源電纜、控制電纜共有473條。幾個車間電纜匯聚到變配電室后,數(shù)量龐大,整個廠區(qū)的電纜用量也非常多。主要甲類車間變頻電機線纜統(tǒng)計如表1所示。

表1 主要甲類車間變頻電機線纜統(tǒng)計

該方案集中配電、集中控制的做法,可能帶來后果有:① 電纜數(shù)量太多且外徑較小,大量“堆積”幾乎沒有空隙,對其散熱帶來了很大的影響,特別是夏天高溫時,對于敷設(shè)在室外廊架的電纜,無疑是一種致命的傷害;② 電纜“堆積”在一起,盤根錯節(jié),其中一個回路出現(xiàn)線路故障,電纜無法抽出更換;③ 電纜用量多,人工成本及材料成本高,而且施工難度大。

方案二:根據(jù)“GB 50016—2018《建筑防火設(shè)計規(guī)范》中第3.3.8條:變、配電站不應(yīng)設(shè)置在甲、乙類廠房內(nèi)或毗鄰,且不應(yīng)設(shè)置在爆炸性氣體、粉塵環(huán)境的危險區(qū)域內(nèi)。供甲、乙類廠房專用的10 kV及以下的變、配電站,采用無門、窗、洞口的防火墻分隔時,可一面貼鄰,并應(yīng)符合GB 50058《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》等標準的規(guī)定?！奔最愜囬g八一層平面圖如圖1所示。因甲類車間基本沒有建筑外墻,僅有疏散樓梯有封閉隔墻,可在一層樓梯間外墻設(shè)置配電間,一面貼鄰本建筑,設(shè)置本樓總配電柜及變頻控制柜(數(shù)量依據(jù)現(xiàn)場電機需求設(shè)置),從總配電柜配出電力電纜到電機、變頻器控制柜,這樣從配電室到每個車間總配電柜的回路數(shù)及電纜數(shù)量大大減少,且從變頻器控制柜到電機及現(xiàn)場控制按鈕的電纜數(shù)量相對分散,不會全部集中到廊架上再敷設(shè)到廠區(qū)總變頻器柜室,電纜長度大大縮短,減少了投資成本,也便于后期維護。方案一和方案二的供配電方案系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 甲類車間八一層平面圖

圖2 方案一和方案二的供配電方案系統(tǒng)示意圖

經(jīng)過方案比選,從建設(shè)成本、后期維護、系統(tǒng)運行安全等角度綜合考慮,最終選擇了方案二的供配電方案。

2.2 配電站房布置

根據(jù)“GB 50016—2018《建筑防火設(shè)計規(guī)范》中第3.3.8條“變、配電站不應(yīng)設(shè)置在甲、乙類廠房內(nèi)或貼鄰,且不應(yīng)設(shè)置在爆炸性氣體、粉塵環(huán)境的危險區(qū)域內(nèi)”的要求,變配電房不設(shè)置在甲類車間所在建筑,均設(shè)置在相鄰建筑內(nèi),距離滿足GB 50016—2014《建筑防火設(shè)計規(guī)范》中第3.4.1條規(guī)定。

配電室的設(shè)置以用電負荷為中心,分區(qū)域就近設(shè)置配電室,減少配電電纜長度。如甲類車間七、甲類車間八用電負荷較大,在隔壁丙類車間四、丙類車間五設(shè)置相應(yīng)的配電室。

開關(guān)站的設(shè)置主要考慮以下因素:① 市政電力網(wǎng)絡(luò)10 kV線路引入線路較短且輸電線路走廊[3]合理可行;② 與其中1個配電室貼鄰設(shè)置,減少配電站房布點數(shù)量;③ 靠近10 kV用電負荷中心,動力車間單體內(nèi)有多臺10 kV用電設(shè)備,其設(shè)備功率合計達到9 191 kW;④ 居于其他幾個配電室的中間位置,減少高壓配電電纜長度。

根據(jù)以上幾方面的考慮,開關(guān)站設(shè)置在動力車間單體內(nèi),與1#配電室相鄰布置。廠區(qū)主要車間用電負荷統(tǒng)計如表2所示。

表2 廠區(qū)主要車間用電負荷統(tǒng)計 kW

本項目總裝機負荷為24 700 kW,變壓器負載率控制在75%～85%范圍內(nèi),采用集中電容補償[4],功率因數(shù)達到0.9以上。開關(guān)站及配電室布置平面圖如圖3所示。由圖3可知,在動力車間設(shè)置開關(guān)站及配電室①(4×2 500 kVA),綜合車間一設(shè)置配電室②(2×1 250 kVA),丙類車間四設(shè)置配電室③(2×2 000 kVA),丙類車間五設(shè)置配電室④(2×2 500 kVA),丙類聯(lián)合廠房設(shè)置配電室⑤(2×1 600 kVA)。

圖3 開關(guān)站及配電室布置平面圖

2.3 供配電材料選擇

2.3.1 電氣橋架

居于生產(chǎn)環(huán)境及大量的室外廊架布線,所有電力橋架均采用玻璃鋼電纜橋架[5],玻璃鋼橋架由玻璃纖維增強塑料和阻燃劑及其他材料組成,通過復(fù)合模壓料加夾不銹鋼屏蔽網(wǎng)壓制而成。玻璃鋼橋架與鐵制橋架相比,具有使用壽命長(一般設(shè)計壽命為20年,是金屬橋架的兩倍)、安裝方便且成本低(比重僅為碳鋼的1/4,施工中無須動火,單根橋架長度可達6 m,甚至更長)、切割方便無須明火作業(yè)、無須維護、強度高、絕緣性能好、耐化學(xué)腐蝕等諸多優(yōu)點。該廠區(qū)室內(nèi)玻璃鋼橋架總計8 450 m,室外管廊玻璃鋼橋架總計3 800 m,整個項目節(jié)省造價約24.5萬元。

2.3.2 電力電纜

根據(jù)“GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》第7.4.1條”要求,配電干線除消防系統(tǒng)、甲類廠房、甲類倉庫的配電采用銅芯電纜之外,其余丙類廠房、綜合車間、辦公樓、研發(fā)樓等的配電干線電纜均采用鋁合金電纜。鋁合金電纜是采用特殊緊壓工藝和退火處理等先進技術(shù)的新型材料電力電纜,彌補了以往純鋁電纜的不足,與銅芯電纜的性能比較具有如下:① 價格便宜。銅桿是鋁桿價格的3.5倍、銅的比重又是鋁的3.3倍,所以鋁芯電纜比銅芯電纜便宜,其價格為銅電纜的50%～75%;② 重量輕。相同規(guī)格鋁芯電纜的重量是銅芯電纜的40%,施工運輸成本低,易安裝;③ 抗氧化且耐腐蝕。鋁在空氣中與氧反應(yīng),很快生成一種氧化膜,能防止進一步氧化,抗腐蝕能力為銅芯電纜的10～100倍;④ 機械性能好。鋁合金電力電纜的彎曲半徑最小為7倍電纜直徑,優(yōu)于銅的10～20倍,更易于敷設(shè)。鋁合金電力電纜的抗拉強度為銅芯電纜的1.3倍,延伸率能達到或超過30%,增強長跨距安裝的可靠性、美觀性。本項目中采用鋁合金電纜的總長度達到89 230 m,共節(jié)省材料成本約700萬元。2013年,我國鐵礦、銅礦、鋁土礦的進口量按照統(tǒng)一的金屬品位折算,對外依存度鐵礦是71%,銅礦是59%,鋁土礦是48%,鋁合金電纜代替銅芯電纜,一定程度上減少了銅礦產(chǎn)資源的使用。

2.4 節(jié)能設(shè)備選擇

實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能[6],推動工業(yè)綠色發(fā)展,高效電機將發(fā)揮重要作用。“中國電機每年耗電量占全社會用電量的69%,占工業(yè)用電的75%?！薄峨姍C能效提升計劃(2021—2023年)》中要求,引導(dǎo)企業(yè)實施電機等重點用能設(shè)備更新升級,優(yōu)先選用高效節(jié)能電機,加快淘汰不符合現(xiàn)行國家能效標準要求的落后低效電機。

本項目中,車間、泵房等單臺額定功率30 kW及以上的電機,采用可調(diào)節(jié)(1～60 s)軟起動器,把起動電流控制在額定電流2～3倍的范圍內(nèi),以減輕電機起動時對電網(wǎng)的沖擊,改善供電質(zhì)量。

采用總擁有費用(TOC)計算法作為變壓器選擇參考依據(jù),即變壓器的初始投資和其在使用期內(nèi)的損耗費用之和,如下式所示:

TOC=C+A×P0+B×PK

(1)

式中:P0——變壓器額定空載損耗或鐵損;PK——變壓器額定負載損耗或銅損;A——變壓器壽命期間空載損耗每千瓦的資本費用;

B——變壓器壽命期間負載損耗每千瓦的資本費用;

C——變壓器初始購買費用,變壓器使用壽命以20年計)。

經(jīng)計算,A取值48 672元/kW,B取值17 668元/kW。以630 kVA容量的變壓器為例,SCB10-SCB14變壓器參數(shù)對比如表3所示。

表3 SCB10-SCB14變壓器參數(shù)對比表

本項目共用12臺變壓器,經(jīng)計算、比選,采用SCB14系列干式變壓器,工程造價共節(jié)省約48萬元。全密閉低損耗節(jié)能的SCB14系列干式變壓器較SCB9～SCB13系列變壓器鐵芯截面積增大,空載電流降低,降低了空載損耗。SCB14系列變壓器損耗低,空載損耗比SCB10型產(chǎn)品降低25%以上,負載損耗比SCB10型產(chǎn)品降低35%以上,節(jié)能效果明顯,運行經(jīng)濟,免維修。

采用專用變頻感應(yīng)電動機[7]加變頻器的交流調(diào)速方式,使機械自動化程度和生產(chǎn)效率大為提高,同時也減少電能損耗。甲類車間七設(shè)有電機122臺,除2臺110 kW、3臺220 kW電機采用常規(guī)電機外,其余全部選用變頻電機,總設(shè)備功率為3 470 kW。甲類車間八設(shè)有電機81臺,除3臺200 kW、1臺90 kW電機采用常規(guī)電機外,其余全部選用變頻電機,總設(shè)備功率為2 213 kW。

按照變頻電機節(jié)電25%計算,全年運行4 320 h,電費按0.57元/kWh計,則以上兩個車間全年節(jié)省電費約3 498 455元,與初始變頻器投資相比(變頻電機比普通電機價格高約30%),約1年時間即可收回比普通電機增加的初次一次性投資,1年之后每年可以節(jié)省350萬元的用電運行成本。

廠區(qū)道路照明選用光伏太陽能路燈,光源采用LED光源,設(shè)置光敏感應(yīng)元器件,根據(jù)自然光環(huán)境照度自行開啟、關(guān)閉。正常天氣條件下,由光伏板供電提供照明電源,極端天氣情況下光伏板電源耗盡時由市電供電。太陽能光伏路燈與普通路燈成本對比如表4所示。

3 結(jié) 語

工業(yè)是能源消耗和碳排放的主要來源,工業(yè)能源消耗占全國能源消耗的約70%。工業(yè)廠區(qū)的供配電設(shè)計方案是否合理,不僅關(guān)系到項目初始減少投資,而且關(guān)系到后續(xù)長時間運行的成本,應(yīng)多方面推敲對比,從配電站房及配電間設(shè)置、電纜選擇、用電設(shè)備選擇等方面著手,以“雙碳”為目標,做可持續(xù)低碳節(jié)能的供配電設(shè)計。