孫靖宇，王宇佳

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司；北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

1 前言

首鋼秘鐵公司為保證1000萬t/a淡水選礦精礦生產(chǎn)能力的需要，配套建設(shè)一個產(chǎn)能為20000 t/d的海水淡化廠。首鋼秘魯鐵礦位于太平洋東海岸，礦區(qū)周圍為沙漠，氣候為濱海沙漠型，常年干旱無雨。鑒于工程所在地資源緊張、人工費用昂貴、工程工期緊等原因，工程開始設(shè)計之初，就提出工程供配電系統(tǒng)設(shè)備采用E-House的想法。

2 E-House的概念

E-House起源于20世紀90年代模塊化工廠的概念，由于不同國家或行業(yè)使用的習慣不同，E-House在實際使用中存在著多種叫法，如美國市場稱其為 PDC（Power Distribution Center），澳大利亞市場稱其為Power House，歐洲市場稱其為E-House，石化行業(yè)的預(yù)制式撬塊，配電應(yīng)用的預(yù)裝式電氣房等等，但無論在實際工程中采用的何種叫法，它們的特點和價值定位是一致的，可以統(tǒng)一歸屬為E-House的應(yīng)用。E-House是一個集成的、工程化的電氣解決方案，是一個安裝在預(yù)制的、緊湊的、可運輸?shù)摹⒖蛻艋ㄖ频?、具有正壓和空調(diào)的外殼內(nèi)的系統(tǒng)。在不同的環(huán)境條件下為客戶提供持續(xù)的供電、監(jiān)視和控制。

由于E-House的制造及電氣設(shè)備的安裝均在工廠內(nèi)完成，整體測試通過后再發(fā)運到現(xiàn)場，減少了土建的工作量及周期，縮短了工廠的建設(shè)周期和時間、成本，使工廠能更早地運營獲利，是傳統(tǒng)水泥砌筑的開關(guān)室/變電站的高質(zhì)高效替代。

2.1 E-House的構(gòu)成要素

（1）E-House的建造通常包含以下設(shè)備：

房體底座框架和內(nèi)外墻板搭建；

暖通空調(diào)系統(tǒng)/火警安防設(shè)備；

輔助電源及內(nèi)外照明；

支撐柱/扶梯平臺；內(nèi)部互連電纜。

（2）E-House內(nèi)部可安裝的電氣設(shè)備包含以下設(shè)備：

中壓開關(guān)柜；

低壓開關(guān)柜；

UPS和直流電源；

變頻器；

電能監(jiān)控系統(tǒng)SCADA、PLC；

其他業(yè)主要求的設(shè)備。

圖1顯示了E-House的整體構(gòu)造和內(nèi)部設(shè)備布置情況。

圖1 E-House構(gòu)造圖

2.2 E-House和傳統(tǒng)箱變的區(qū)別（見表1）

2.3 E-House產(chǎn)品類別

E-House產(chǎn)品可以細分為如下幾種：集裝箱式解決方案、模塊化設(shè)計方案、單體大尺寸結(jié)構(gòu)。

（1）集裝箱式解決方案

制造方案基于標準貨運集裝箱設(shè)計，標準ISO集裝箱尺寸或定制化的尺寸，全焊接或噴漆鋼結(jié)構(gòu)，適用于電纜底部進線和側(cè)面進線場合，通過集裝箱模塊拼接可以搭建成更復雜的組合。

（2）模塊化設(shè)計方案

設(shè)計基于定制化的E-House布局和尺寸，布局和尺寸基于需安裝設(shè)備的量身訂做，為了滿足運輸和物流要求，E-House的設(shè)計采用模塊化切割，現(xiàn)場拼裝后，實現(xiàn)更大的整體布局。

（3）單體大尺寸結(jié)構(gòu)

單體鋼結(jié)構(gòu)框架實現(xiàn)大尺寸，大尺寸的E-House單體運輸，消除了運輸模塊及現(xiàn)場模塊再拼接的要求，但需要提前確認現(xiàn)場和運輸物流對最大運輸尺寸的要求。

3 E-House的設(shè)計

首鋼秘鐵海水淡化工程分為取水泵站及海水淡化本體2個區(qū)域，進線電壓為4.16 kV，配電電壓為460 V，照明電壓為 220 V，控制電壓為125 VDC/120 VAC，總計算負荷為7000 kVA。

本工程共設(shè)置了4套E-House，在總結(jié)本工程經(jīng)驗、教訓的基礎(chǔ)上，就工程執(zhí)行中需要注意的一些問題闡述如下。

3.1 E-House結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于E-House自身是為了工程量身定制的，因此它的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大的靈活性，它的尺寸大小基本取決于它內(nèi)部所需要安裝的設(shè)備情況，同時還要考慮長距離運輸?shù)囊?。因此，如何用最小的空間合理布置設(shè)備，是E-House結(jié)構(gòu)設(shè)計成功的關(guān)鍵。

（1）合理布局

本工程將設(shè)備進行合理的分區(qū)，并結(jié)合室外進、出線電纜的走向，做到高壓與低壓分開、強電與弱電分開布局。

設(shè)備布置遵循緊湊合理的原則，在緊湊的前提下便于設(shè)備安裝、操作、搬運、檢修、試驗和巡視。電氣柜選用了背后免維護的型式，將柜子靠墻布置，省去了柜后維護通道，從而大大節(jié)省空間。

（2）合理設(shè)計梁柱

E-House的電氣柜往往是下出線設(shè)計，這樣可以避免上出線帶來的防水問題，而且便于運抵現(xiàn)場后與室外的電纜橋架相接。針對電氣室布置時，常常遇到的結(jié)構(gòu)梁對下出線電纜的影響問題，本工程在布置開關(guān)柜的同時，就將設(shè)備的基礎(chǔ)尺寸和底板開孔要求提供給結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師，從而使電纜避開橫梁的遮擋。

（3）內(nèi)部電纜路由設(shè)置

本工程的每個E-House的配電和控制都是相對獨立的，其內(nèi)部有許多的動力和控制電纜，這些電纜都不需要進出E-House，因此，本工程在柜體頂部規(guī)劃了電纜橋架，在E-House交貨時就完成了內(nèi)部接線。

本工程經(jīng)過多方案比較，最終采用單體大尺寸結(jié)構(gòu)E-House，其中最大E-House尺寸為18 m×5 m×3.5 m（長×寬×高），重 52 t。

3.2 接地系統(tǒng)設(shè)計

接地對電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全及其可靠運行，對操作、維護、運行人員的人身安全，都起著至關(guān)重要的作用。E-House作為一個獨立的配電站，一般矗立于荒郊野外，易受雷電襲擊，對防雷接地的要求更為嚴格。E-House集聚了工作接地、保護接地、防雷接地、電磁兼容性接地等于一體，如果不妥善處理好這些接地的關(guān)系，容易造成設(shè)備的損壞甚至危及人身安全。本工程采用聯(lián)合接地的方式，設(shè)置了幾個主接地排，對箱內(nèi)設(shè)備進行了等電位連接。并對接地系統(tǒng)的接觸電壓、跨步電壓進行了校驗。

3.3 抗內(nèi)燃弧措施

中壓開關(guān)柜在柜頂設(shè)置了泄壓通道，在使用過程中發(fā)生燃弧故障時，由于飛濺而出的滾燙金屬顆粒以及火光極大的偶然性，即使產(chǎn)品試驗滿足IEC61641-2014燃弧保護等級條款，也不能完全保證在使用過程中發(fā)生內(nèi)部燃弧故障時絕對不會對人員造成致命傷害。本工程在開關(guān)柜柜頂設(shè)置專用燃弧泄壓通道，并與各柜泄壓通道有效連接，箱體外設(shè)置泄壓口，以確保電氣故障時運維人員的人身安全。設(shè)置泄壓通道時，開關(guān)柜柜頂不應(yīng)設(shè)置泄壓板。

3.4 箱體防腐

由于使用E-House工程的自然條件一般都比較惡劣，因此箱體的防腐至關(guān)重要，直接影響E-House的使用壽命。E-House箱體的防腐處理應(yīng)遵循ISO 12944《色漆和清漆 防護漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護》標準，采用多道防腐工藝，包括前處理、鋅層、中間層、面層等多重處理工藝。

ISO 12944-2標準中，定義了6類大氣腐蝕環(huán)境：C1很低、C2低、C3中、C4高、C5-I很高（工業(yè)）、C5-M很高（海洋）。本工程位于海邊，箱體防腐按照C5-M級別考慮。

3.5 箱體密封與防塵

為了給E-House內(nèi)部設(shè)備提供良好的使用環(huán)境，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行。箱體的防護等級要達到IP54以上的要求，并安裝微正壓系統(tǒng)，配置微正壓空調(diào)或風機及多層過濾措施，配合風道均壓系統(tǒng)，使箱體內(nèi)部產(chǎn)生略高于外部大氣壓25 Pa的氣壓差，實現(xiàn)艙內(nèi)均衡的微正壓環(huán)境，使得外界的潮氣、灰塵、鹽霧等不能侵入E-House內(nèi)部。

3.6 供貨商的選擇

與傳統(tǒng)電氣設(shè)備供貨以及傳統(tǒng)箱變工程相比，E-house工程需要提供完整的變配電站設(shè)備及系統(tǒng)，需要考慮到眾多電氣設(shè)備及系統(tǒng)的接口銜接，除最常見的電氣部分外，還涉及建筑結(jié)構(gòu)強度計算、結(jié)構(gòu)施工、油漆防腐、建筑室內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控及門禁系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)、弱電通信系統(tǒng)、運輸包裝、吊裝方案等等諸多方面。從供貨范圍、工程管理的角度來看，E-house工程相當于一個小型EPC工程總包的工作，是一個交鑰匙的工程解決方案，因此，選擇一個有整體實力、具有成功制造、安裝經(jīng)驗的供應(yīng)商尤為重要。

本工程執(zhí)行中，在原理接線圖的設(shè)計環(huán)節(jié)上遇到了瓶頸，由于供貨商在設(shè)備制造實力很強，但缺少根據(jù)生產(chǎn)工藝條件進行系統(tǒng)集成設(shè)計的經(jīng)驗，造成后期溝通任務(wù)量大，建議與生產(chǎn)工藝聯(lián)系緊密的原理接線圖由設(shè)計院負責，供貨商據(jù)此進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，比較符合國情，以確保工程順利進行。

4 E-House的特點及應(yīng)用

E-House與以前配套使用的設(shè)備分批運輸，現(xiàn)場搭建廠房進行固定、調(diào)試及使用相比，具有明顯的優(yōu)勢：

（1）優(yōu)化成本、進度可控

采購階段：對于總包方而言，對供應(yīng)商的接口簡單明了，減少了協(xié)調(diào)、管理及采購的成本，節(jié)省了采購審批時間。

施工階段：工程設(shè)計、安裝、內(nèi)部連接及預(yù)調(diào)試全部在工廠內(nèi)部完成，實現(xiàn)整體運輸、現(xiàn)場交付，并且設(shè)備就位即安裝完畢，（下轉(zhuǎn)第頁）

（上接第頁）減少了現(xiàn)場安裝、調(diào)試成本，大大縮短了現(xiàn)場施工周期，節(jié)約了工程施工成本。

（2）保證質(zhì)量、確保安全

全部在制造工廠預(yù)測試和校核過的電氣系統(tǒng)，嚴控生產(chǎn)過程，保證預(yù)期質(zhì)量水準和交貨期。

減少現(xiàn)場交叉施工帶來的安全隱患，確保電氣設(shè)備和施工人員的安全。

目前，E-House在國外工程中已被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)工程中E-House的應(yīng)用也在逐漸增多。E-House主要應(yīng)用于下列市場：

（1）化工、石油和天然氣行業(yè)——防爆和非防爆陸上E-House。

（2）礦產(chǎn)及采礦行業(yè)——露天E-House及可拖動撬裝模塊。

（3）電網(wǎng)等公用工程——車載移動變及傳統(tǒng)箱式變電站、開閉所。

（4）鐵路——專用E-House和撬裝方案。

5 結(jié)論

本工程成功地規(guī)避了當?shù)厝斯ぞo張、費用昂貴的風險，確保了工程工期，驗證了采用E-House方案是行之有效的。工程執(zhí)行中積累的一些經(jīng)驗，可供國內(nèi)E-House設(shè)計者參考。