王 斌, 張 軍, 吳 茜

(1.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院,上海 200002;2.上海電力股份有限公司新產(chǎn)業(yè)管理中心,上海 200124)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,能源消費(fèi)總量不斷增加,能源問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。目前,我國能源消費(fèi)仍然以煤炭為主,而燃煤發(fā)電是造成霧霾天氣形成的主要原因。為應(yīng)對能源與環(huán)境、資源以及氣候變化的挑戰(zhàn),我國政府提出了多元化、清潔化和高效化的能源發(fā)展戰(zhàn)略,發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式已成為我國實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的必然要求。國家在“十二五”規(guī)劃中已經(jīng)明確提出節(jié)能減排的目標(biāo),隨后國務(wù)院印發(fā)《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》,把發(fā)展分布式能源列為節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施;“十三五期間”污染防治力度加大,生態(tài)環(huán)境明顯改善;今年提出了“碳達(dá)峰、碳中和”相關(guān)目標(biāo)要求。為了適應(yīng)國家政策和能源發(fā)展需求,北京、上海和廣東等地區(qū)率先開展多個(gè)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目,區(qū)域能源站的項(xiàng)目在今后的設(shè)計(jì)中也越來越普遍。區(qū)域能源站通常負(fù)責(zé)一個(gè)片區(qū)幾十萬平方甚至幾百萬平方的能源供應(yīng),因此如何做好能源站的供電設(shè)計(jì),提高供電系統(tǒng)的合理性,保證供電的可靠性顯得尤為重要。

1 負(fù)荷等級

民用建筑的區(qū)域能源站供能范圍可能涵蓋多種業(yè)態(tài),包括辦公、商業(yè)、酒店、公寓、學(xué)校、醫(yī)院等,站內(nèi)的用電設(shè)備以空調(diào)設(shè)備為主。到目前為止,國家規(guī)范中并沒有對區(qū)域能源站項(xiàng)目的用電設(shè)備負(fù)荷等級進(jìn)行定義。參考相關(guān)常用的行業(yè)規(guī)范,對建筑內(nèi)空調(diào)用電設(shè)備的負(fù)荷等級規(guī)定如下:① JGJ 392—2016《商店建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定,大型商店建筑的空調(diào)、鍋爐用電為二級負(fù)荷;② JGJ 57—2016《劇場建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中規(guī)定,特等、甲等劇場觀眾廳的空調(diào)、鍋爐房用電應(yīng)為二級負(fù)荷;③ JGJ 62—2014《旅館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中規(guī)定,四、五星級旅館的空調(diào)動(dòng)力應(yīng)為二級負(fù)荷;④ JGJ 284—2012《金融建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定,直接影響金融設(shè)施運(yùn)行的空調(diào)設(shè)備的用電負(fù)荷等級應(yīng)與金融設(shè)計(jì)用電負(fù)荷等級相同;⑤ JGJ 310—2013《教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中規(guī)定,圖書館珍善本書庫的空調(diào)系統(tǒng)用電按二級負(fù)荷要求供電。國家相關(guān)規(guī)范中對于二級負(fù)荷的供電要求為:當(dāng)一路電源故障時(shí),其余線路應(yīng)能滿足全部一、二級負(fù)荷的供電;當(dāng)一臺(tái)變壓器故障時(shí),另一臺(tái)變壓器可帶全部一、二級負(fù)荷。

區(qū)域能源站主要功能是為片區(qū)內(nèi)的建筑提供能源,其樓內(nèi)用電設(shè)備以空調(diào)設(shè)備為主。相關(guān)能源站項(xiàng)目負(fù)荷如表1所示。

表1 相關(guān)能源站項(xiàng)目負(fù)荷

從表1可以看出,區(qū)域能源站內(nèi)空調(diào)設(shè)備的用電量占總用電量80%以上,甚至更高。如果將此類設(shè)備全部定義為二級負(fù)荷,為滿足規(guī)范對二級負(fù)荷的供電要求,其供電的市政電源及站內(nèi)變壓器配置需按照全備用方式配置,增加項(xiàng)目供電的高可靠性費(fèi)用,增大變壓器的配置,增加機(jī)房面積,大大增加初投資。反之,即使一路市電故障的情況下,區(qū)域能源站在用能最高峰時(shí)仍能保證有50%的空調(diào)設(shè)備可以正常運(yùn)行,從以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)上看,能夠滿足上述規(guī)范中把空調(diào)負(fù)荷定義為二級供電負(fù)荷建筑的用能要求。因此,對于區(qū)域能源站的空調(diào)設(shè)備負(fù)荷,按三級負(fù)荷要求供電即可,滿足規(guī)范要求的同時(shí)也大大節(jié)省初投資。

2 負(fù)荷計(jì)算

2.1 負(fù)荷容量的計(jì)算

區(qū)域能源站的用電負(fù)荷以空調(diào)設(shè)備為主,具有很強(qiáng)的季節(jié)性,受氣溫變化影響較大,在不同工況下的用電負(fù)荷差異非常明顯。對于電氣專業(yè)而言,區(qū)域能源站的空調(diào)設(shè)備可以定義為一種工藝設(shè)備。常規(guī)區(qū)域能源站的空調(diào)用電負(fù)荷可以按照白天制冷工況、夜間蓄冷(畜冰)工況(若有)、制熱工況來對負(fù)荷進(jìn)行分組分類計(jì)算,不同的運(yùn)行工況下的設(shè)備用電總量差異較大,對于計(jì)算單臺(tái)變壓器而言,應(yīng)按照長期運(yùn)行工況下的最大用電量來確定變壓器的容量。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來看,最大工況通常是出現(xiàn)在夏季最熱的時(shí)間的制冷工況下,按照相關(guān)專業(yè)的提資,在這種工況下,能源站內(nèi)幾乎所有的空調(diào)用電設(shè)備都需要開啟,包括冷凍機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、一次泵組等,以保證供能區(qū)域內(nèi)所有用戶的空調(diào)溫度。

某能源站項(xiàng)目的變壓器負(fù)荷計(jì)算如表2所示。在計(jì)算之初就對負(fù)荷類型進(jìn)行分組,對不同類別的用電設(shè)備進(jìn)行分類計(jì)算,然后根據(jù)不同的運(yùn)行工況疊加進(jìn)行復(fù)核統(tǒng)計(jì)計(jì)算,得出一個(gè)最大值來確定變壓器容量。

表2 某能源站項(xiàng)目的變壓器負(fù)荷計(jì)算

2.2 需要系數(shù)的取值

從目前建成并投入運(yùn)行的幾個(gè)區(qū)域能源站調(diào)研實(shí)際結(jié)果來看,在夏季用能的最高峰時(shí)段,為制冷設(shè)備供電的變壓器運(yùn)行負(fù)載率長時(shí)間維持在95%以上,有的甚至已經(jīng)超過了110%。而與相關(guān)專業(yè)溝通的結(jié)果也表明,在夏季最熱季節(jié)為保證能源站所覆蓋區(qū)域的正常供能,能源站內(nèi)所有的制冷相關(guān)設(shè)備需要同時(shí)運(yùn)行。

民用建筑中對于空調(diào)用電設(shè)備的需要系數(shù)取值,在《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》[6](2009年版)(簡稱《技術(shù)措施》)有相關(guān)規(guī)定。《技術(shù)措施》中空調(diào)設(shè)備需要系數(shù)取值如表3所示。在《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》[7](第4版)(簡稱《配電手冊》)中空調(diào)設(shè)備需要系數(shù)取值如表4所示。

表3 《技術(shù)措施》中空調(diào)設(shè)備需要系數(shù)取值

表4 《配電手冊》中空調(diào)設(shè)備需要系數(shù)取值

通過目前已運(yùn)行的幾個(gè)能源站調(diào)研結(jié)果分析,《技術(shù)措施》和《配電手冊》中給定的需要系數(shù)并不適用于區(qū)域能源站項(xiàng)目。建議能源站內(nèi)同一運(yùn)行工況下空調(diào)用電設(shè)備的需要系數(shù)宜按0.95～1選取,以保證變壓器的可靠運(yùn)行能力。

3 設(shè)備供電思考

3.1 低壓工藝設(shè)備的供電

能源站內(nèi)的用電設(shè)備除了為站內(nèi)配套的照明、送排風(fēng)風(fēng)機(jī)、排水泵等附屬用電設(shè)備以外,主要以大功率的冷凍機(jī)、水泵、冷卻塔等制冷制熱設(shè)備為主,設(shè)備分布也相對集中。對于能源內(nèi)的制冷低壓用電設(shè)備通常有兩種配電方式:一種是采用總分式供電方式,即采用大容量的配電斷路器,通過大容量母線方式分組將電源引至電動(dòng)機(jī)控制中心,再通過控制中心內(nèi)設(shè)置的水泵控制柜(配電柜)為設(shè)備供電;另一種是采用放射式供電方式,即將電源采用一對一(或分組一對一)供電方式引至電動(dòng)機(jī)控制中心的水泵控制柜。

采用第一種總分式的供電方式時(shí),若變電所低壓柜內(nèi)的配出總開關(guān)出現(xiàn)故障,造成其配電回路中的所有用電設(shè)備失電,影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,其單點(diǎn)故障所造成的事故面大;采用第二種放射式供電方式,即使某一個(gè)配出開關(guān)故障,影響的也只是單個(gè)低壓設(shè)備,此時(shí)也可以通過設(shè)置的備用泵組進(jìn)行補(bǔ)位,并不影響整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的正常工作。因此,對于這兩種供電方式,第二種供電方式更加合理,對于工藝系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全、可靠[8]。

3.2 同一泵組常備用泵的供電

在民用建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,為了計(jì)算方便、保持同一組變壓器負(fù)載率的相對均衡,通常會(huì)將同一類設(shè)備的供電電源分開至2臺(tái)變壓器下供電,此種供電方式在區(qū)域能源站項(xiàng)目中并不適用。

以水泵為例,區(qū)域能源站項(xiàng)目中,為保證空調(diào)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,暖通專業(yè)在同一類水泵的配置上至少會(huì)設(shè)置1臺(tái)備用泵組,并且即使在最大運(yùn)行工況下,備用泵組也不需要投入使用。表2中,項(xiàng)目設(shè)置6臺(tái)(5用1備)雙工況冷卻循環(huán)水泵,6臺(tái)水泵之間相互輪轉(zhuǎn)運(yùn)行,最大同時(shí)使用率為5臺(tái),并不存在6臺(tái)水泵同時(shí)開啟的工況,因此在變壓器的負(fù)荷計(jì)算中,備用水泵也是不計(jì)入變壓器容量的。實(shí)際工程中,為防止備用泵長期不用而導(dǎo)致設(shè)備故障,備用泵并不固定是某一臺(tái)設(shè)備,在系統(tǒng)的運(yùn)行中常用泵與備用泵之間通常采用輪換運(yùn)行的控制方式,由控制系統(tǒng)自動(dòng)(或手動(dòng))來實(shí)現(xiàn)。若將此6臺(tái)(5用1備)雙工況冷卻循環(huán)水泵分開至2臺(tái)變壓器供電,每臺(tái)變壓器負(fù)責(zé)3臺(tái)(其中一臺(tái)變壓器含備用泵的供電),即:1#變壓器負(fù)責(zé)1#水泵～3#水泵的配電,2#變壓器負(fù)責(zé)4#水泵～6#水泵的配電(6#水泵為設(shè)計(jì)的備用泵)。當(dāng)2#變壓器下的備用泵(6#水泵)輪轉(zhuǎn)運(yùn)行而1#變壓器下的常用泵(1#水泵)輪轉(zhuǎn)為停用時(shí),由于水泵的容量過大,每臺(tái)有220 kW,即使配電采用2 000 kVA的變壓器,1#變壓器的負(fù)載率會(huì)降低10%,2#變壓器負(fù)載率會(huì)增加10%,2臺(tái)變壓器的負(fù)載率會(huì)瞬間變得不均衡,且2#變壓器很可能超負(fù)荷運(yùn)行。為避免此種情況的發(fā)生,對水泵的輪換運(yùn)行控制就需要設(shè)定很多的限定條件,不利于運(yùn)行維護(hù)。因此,建議在變壓器容量允許的條件下,宜將同一類水泵常備用泵的供電回路設(shè)置在同一臺(tái)變壓器下,即使設(shè)備輪轉(zhuǎn)運(yùn)行,對變壓器的負(fù)載率也不會(huì)有任何影響,有利于實(shí)際工程的運(yùn)行管理。

4 結(jié) 語

對于不同類型的項(xiàng)目,其用電負(fù)荷應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)、設(shè)備配置、實(shí)際運(yùn)行情況等進(jìn)行分析、計(jì)算和配電設(shè)計(jì),以保證供配電系統(tǒng)的合理性、安全性、可靠性。本文介紹了區(qū)域能源站項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和調(diào)研中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),希望對類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。