區域能源站項目供電設計思考

王 斌, 張 軍, 吳 茜

(1.華東建筑設計研究總院,上海 200002;2.上海電力股份有限公司新產業管理中心,上海 200124)

0 引 言

隨著我國經濟的持續發展,能源消費總量不斷增加,能源問題已經成為制約我國經濟和社會發展的重要因素。目前,我國能源消費仍然以煤炭為主,而燃煤發電是造成霧霾天氣形成的主要原因。為應對能源與環境、資源以及氣候變化的挑戰,我國政府提出了多元化、清潔化和高效化的能源發展戰略,發展低碳經濟和轉變經濟增長方式已成為我國實現科學發展的必然要求。國家在“十二五”規劃中已經明確提出節能減排的目標,隨后國務院印發《“十二五”節能減排綜合性工作方案》,把發展分布式能源列為節能減排的一項重要措施;“十三五期間”污染防治力度加大,生態環境明顯改善;今年提出了“碳達峰、碳中和”相關目標要求。為了適應國家政策和能源發展需求,北京、上海和廣東等地區率先開展多個分布式冷熱電聯供系統的建設項目,區域能源站的項目在今后的設計中也越來越普遍。區域能源站通常負責一個片區幾十萬平方甚至幾百萬平方的能源供應,因此如何做好能源站的供電設計,提高供電系統的合理性,保證供電的可靠性顯得尤為重要。

1 負荷等級

民用建筑的區域能源站供能范圍可能涵蓋多種業態,包括辦公、商業、酒店、公寓、學校、醫院等,站內的用電設備以空調設備為主。到目前為止,國家規范中并沒有對區域能源站項目的用電設備負荷等級進行定義。參考相關常用的行業規范,對建筑內空調用電設備的負荷等級規定如下:① JGJ 392—2016《商店建筑電氣設計規范》[1]中規定,大型商店建筑的空調、鍋爐用電為二級負荷;② JGJ 57—2016《劇場建筑設計規范》[2]中規定,特等、甲等劇場觀眾廳的空調、鍋爐房用電應為二級負荷;③ JGJ 62—2014《旅館建筑設計規范》[3]中規定,四、五星級旅館的空調動力應為二級負荷;④ JGJ 284—2012《金融建筑電氣設計規范》[4]規定,直接影響金融設施運行的空調設備的用電負荷等級應與金融設計用電負荷等級相同;⑤ JGJ 310—2013《教育建筑電氣設計規范》[5]中規定,圖書館珍善本書庫的空調系統用電按二級負荷要求供電。國家相關規范中對于二級負荷的供電要求為:當一路電源故障時,其余線路應能滿足全部一、二級負荷的供電;當一臺變壓器故障時,另一臺變壓器可帶全部一、二級負荷。

區域能源站主要功能是為片區內的建筑提供能源,其樓內用電設備以空調設備為主。相關能源站項目負荷如表1所示。

表1 相關能源站項目負荷

從表1可以看出,區域能源站內空調設備的用電量占總用電量80%以上,甚至更高。如果將此類設備全部定義為二級負荷,為滿足規范對二級負荷的供電要求,其供電的市政電源及站內變壓器配置需按照全備用方式配置,增加項目供電的高可靠性費用,增大變壓器的配置,增加機房面積,大大增加初投資。反之,即使一路市電故障的情況下,區域能源站在用能最高峰時仍能保證有50%的空調設備可以正常運行,從以往的項目經驗上看,能夠滿足上述規范中把空調負荷定義為二級供電負荷建筑的用能要求。因此,對于區域能源站的空調設備負荷,按三級負荷要求供電即可,滿足規范要求的同時也大大節省初投資。

2 負荷計算

2.1 負荷容量的計算

區域能源站的用電負荷以空調設備為主,具有很強的季節性,受氣溫變化影響較大,在不同工況下的用電負荷差異非常明顯。對于電氣專業而言,區域能源站的空調設備可以定義為一種工藝設備。常規區域能源站的空調用電負荷可以按照白天制冷工況、夜間蓄冷(畜冰)工況(若有)、制熱工況來對負荷進行分組分類計算,不同的運行工況下的設備用電總量差異較大,對于計算單臺變壓器而言,應按照長期運行工況下的最大用電量來確定變壓器的容量。根據以往項目經驗來看,最大工況通常是出現在夏季最熱的時間的制冷工況下,按照相關專業的提資,在這種工況下,能源站內幾乎所有的空調用電設備都需要開啟,包括冷凍機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、一次泵組等,以保證供能區域內所有用戶的空調溫度。

某能源站項目的變壓器負荷計算如表2所示。在計算之初就對負荷類型進行分組,對不同類別的用電設備進行分類計算,然后根據不同的運行工況疊加進行復核統計計算,得出一個最大值來確定變壓器容量。

表2 某能源站項目的變壓器負荷計算

2.2 需要系數的取值

從目前建成并投入運行的幾個區域能源站調研實際結果來看,在夏季用能的最高峰時段,為制冷設備供電的變壓器運行負載率長時間維持在95%以上,有的甚至已經超過了110%。而與相關專業溝通的結果也表明,在夏季最熱季節為保證能源站所覆蓋區域的正常供能,能源站內所有的制冷相關設備需要同時運行。

民用建筑中對于空調用電設備的需要系數取值,在《全國民用建筑工程設計技術措施》[6](2009年版)(簡稱《技術措施》)有相關規定?！都夹g措施》中空調設備需要系數取值如表3所示。在《工業與民用供配電設計手冊》[7](第4版)(簡稱《配電手冊》)中空調設備需要系數取值如表4所示。

表3 《技術措施》中空調設備需要系數取值

表4 《配電手冊》中空調設備需要系數取值

通過目前已運行的幾個能源站調研結果分析,《技術措施》和《配電手冊》中給定的需要系數并不適用于區域能源站項目。建議能源站內同一運行工況下空調用電設備的需要系數宜按0.95～1選取,以保證變壓器的可靠運行能力。

3 設備供電思考

3.1 低壓工藝設備的供電

能源站內的用電設備除了為站內配套的照明、送排風風機、排水泵等附屬用電設備以外,主要以大功率的冷凍機、水泵、冷卻塔等制冷制熱設備為主,設備分布也相對集中。對于能源內的制冷低壓用電設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機控制中心,再通過控制中心內設置的水泵控制柜(配電柜)為設備供電;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)供電方式引至電動機控制中心的水泵控制柜。

采用第一種總分式的供電方式時,若變電所低壓柜內的配出總開關出現故障,造成其配電回路中的所有用電設備失電,影響整個空調系統的正常運行,其單點故障所造成的事故面大;采用第二種放射式供電方式,即使某一個配出開關故障,影響的也只是單個低壓設備,此時也可以通過設置的備用泵組進行補位,并不影響整個空調系統的正常工作。因此,對于這兩種供電方式,第二種供電方式更加合理,對于工藝系統的運行更加安全、可靠[8]。

3.2 同一泵組常備用泵的供電

在民用建筑項目設計中,為了計算方便、保持同一組變壓器負載率的相對均衡,通常會將同一類設備的供電電源分開至2臺變壓器下供電,此種供電方式在區域能源站項目中并不適用。

以水泵為例,區域能源站項目中,為保證空調系統的可靠運行,暖通專業在同一類水泵的配置上至少會設置1臺備用泵組,并且即使在最大運行工況下,備用泵組也不需要投入使用。表2中,項目設置6臺(5用1備)雙工況冷卻循環水泵,6臺水泵之間相互輪轉運行,最大同時使用率為5臺,并不存在6臺水泵同時開啟的工況,因此在變壓器的負荷計算中,備用水泵也是不計入變壓器容量的。實際工程中,為防止備用泵長期不用而導致設備故障,備用泵并不固定是某一臺設備,在系統的運行中常用泵與備用泵之間通常采用輪換運行的控制方式,由控制系統自動(或手動)來實現。若將此6臺(5用1備)雙工況冷卻循環水泵分開至2臺變壓器供電,每臺變壓器負責3臺(其中一臺變壓器含備用泵的供電),即:1#變壓器負責1#水泵～3#水泵的配電,2#變壓器負責4#水泵～6#水泵的配電(6#水泵為設計的備用泵)。當2#變壓器下的備用泵(6#水泵)輪轉運行而1#變壓器下的常用泵(1#水泵)輪轉為停用時,由于水泵的容量過大,每臺有220 kW,即使配電采用2 000 kVA的變壓器,1#變壓器的負載率會降低10%,2#變壓器負載率會增加10%,2臺變壓器的負載率會瞬間變得不均衡,且2#變壓器很可能超負荷運行。為避免此種情況的發生,對水泵的輪換運行控制就需要設定很多的限定條件,不利于運行維護。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置在同一臺變壓器下,即使設備輪轉運行,對變壓器的負載率也不會有任何影響,有利于實際工程的運行管理。

4 結 語

對于不同類型的項目,其用電負荷應根據項目的特點、設備配置、實際運行情況等進行分析、計算和配電設計,以保證供配電系統的合理性、安全性、可靠性。本文介紹了區域能源站項目的設計和調研中的經驗總結,希望對類似項目的設計提供參考。