5G智能終端產業園廠房供配電設計探討

李 周 林

(湖南省建筑設計院集團有限公司,湖南 長沙 410012)

0 引 言

2020年是5G規模商用元年,中國5G新基建的持續推進,將帶動整個5G產業鏈規模快速增長,智能終端產業發展將直接受益。在此背景下,全國各地開始建設高標準5G智能終端產業園項目,引入上下游配套產業,構造快捷的物料配送生態圈,打造大規模產業集群,形成“試驗檢測-研發-生產-配套”的完備生產體系,建成由生產區、倉儲區、配套動力站及生活區構成的完善產業園區。

工業廠房可分為標準廠房(又稱非定制廠房)和定制廠房兩種形式。標準工業廠房是具有廣泛通用性的、用于生產工業用途的物業,定制廠房是為使用者量身定做的工業用途物業。與此相應的,定制廠房可以采用滿足客戶特定要求的定向工藝設計,而標準廠房只能依據廠房的基本定位采用非定向的工藝設計。

5G智能終端產業園一般體量大,用電負荷高,企業入駐和工藝要求也存在一定的不確定性,多采用非定制廠房形式。如何根據智能終端產業園廠房的特點和要求,選取合適的負荷指標并計算,選用合理的供配電系統設計,既滿足當前需要,又能適應未來的發展,是智能終端產業園廠房電氣設計的重點問題[1-2]。

1 5G產品主要組件生產工藝流程

5G智能終端產業園涵蓋消費類智能終端(手機、智慧屏、平板、PC、穿戴、智能音箱、耳機、車載終端等)、通信設備終端(路由器、交換機、無線數據卡等)以及核心模組與關鍵元器件等。

智能終端產品應用場景多,品類極為豐富。對于非定向工藝設計,需根據常規的16種主工藝模擬,進行大量預留和彈性設計,可適應大部分智能終端產品的生產需求。

下面列舉幾種主要組件的生產工藝流程,包括智能終端設備主板組裝、攝像頭模組、液晶顯示模組等。

(1)智能終端設備主板組裝,其工藝流程包括錫膏印刷、SMT貼片、回流焊、插件/波峰焊、修補、測試、包裝/成品等。

(2)攝像頭模組,現在流行的有COB封裝工藝和CSP封裝工藝,應用更多的是CSP工藝,其工藝流程包括SMT貼片、FOL、EOL等。

(3)液晶顯示模組,其工藝流程包括IQC檢驗、切割、SMT貼片、ACF 貼附、測試、超聲波水洗、點膠、消泡、焊接組裝、測試、OQC 檢驗、包裝出貨等。

從以上流程可以看出,SMT是智能終端模組生產的核心工段,其對廠房建筑、結構及公用工程的需求決定了廠房的主要預留條件。

表面貼裝技術(Surface Mounted Technology,SMT)是電子組裝行業里最流行的一種技術和工藝。SMT工藝主要生產設備包括送板機、吸板機、錫膏印刷機、錫膏檢測儀、貼片機、回焊爐、自動光學檢查機等。

2 用電負荷等級的確定

根據GB 50052—2009《供配電系統設計規范》、GB 50472—2008《電子工業潔凈廠房設計規范》和GB 50073—2013《潔凈廠房設計規范》,5G智能終端生產廠區用電負荷等級和供電要求,主要根據電子產品生產工藝及設備要求,以及現行國家標準GB 50052—2009的有關規定。生產區用電若中斷,將造成較大的經濟損失,故廠房生產工藝用電按二級負荷供電,若業主有特殊要求的生產工藝用電可以按一級負荷供電,特殊用電可采用不間斷電源(UPS)供電[3-5]。

3 負荷指標及計算

定制廠房一般有明確負荷提資及需求,其用電負荷在設計時可以確定。各定制廠房由于工藝差別較大,而業主使用要求也往往不一樣,這都會導致生產工藝用電負荷的較大差別。

非定制廠房因為沒有負荷需求提資,其工藝相關部分的用電負荷在設計時無法準確計算。定制廠房和非定制廠房負荷確定性情況對比如表1所示。

表1 定制廠房和非定制廠房負荷確定性情況對比

分別通過以上兩類廠房的實際案例進行分析說明。

項目1為企業定制廠房,廠房建筑面積48 000 m2,配套倉庫17 000 m2,配套動力站4 000 m2。工藝負荷容量全部按企業提資確定。該項目依據業主方提資,某定制廠房安裝負荷容量如表2所示。

表2 某定制廠房安裝負荷容量

項目2廠區均為非定制廠房,分A、B、C共3個廠區。廠區生產工藝負荷容量由工藝專業進行估算。工藝規劃依據園區定位,考慮意向企業生產區由SMT、組裝、倉庫、機加工廠房等幾種功能區構成。根據常規項目經驗,以上各功能區面積占比約為SMT:組裝:(倉庫+機加)=1∶2∶1,SMT生產車間用電負荷約400 W/m2,組裝約250 W/m2,機加約40 W/m2。

據此,估算以上生產區工藝用電負荷密度,約(400+250×2+40)/4=235 W/m2。

而廠房實際生產區利用面積占建筑面積比例系數一般取0.60～0.75,估算整個廠房生產工藝用電負荷密度為140～176 W/m2。

其他公用設備用電負荷,按工藝用電量的50%估算,估算整個廠房的用電負荷密度為210～265 W/m2。

4 供配電設計實例分析

4.1 10 kV供配電系統接線方案

因智能終端生產廠房用電負荷高,往往需要引入多路10 kV市政電源。而對于大體量的智能終端產業園區,更是需要設置專用的35 kV及以上的高壓變電站。因為各10 kV高壓電纜均為專線,單回10 kV高壓電纜供電容量往往可以突破10 MVA,這樣可以減少由市政電網引入的10 kV高壓電纜數量。

項目1中,園區共分4期,總變壓器安裝容量估算達150 MVA,故在園區設置了1個專用110 kV園區變電站。各區的10 kV中心配電房均由園區專變引入10 kV高壓電源。

項目2中,園區總建筑面積約579 000 m2,總變壓器安裝容量估算達126 MVA,故在園區北側規劃了一個專用110 kV園區變電站。各生產區、生活區的10 kV中心配電房均由園區專變引入10 kV高壓電源。園區含1個生活區、3個生產區,共引入7組共14回高壓電纜。

4.2 變配電房設置

由于生產廠房及配套動力站負荷容量大,10/0.4 kV變配電房均深入負荷中心,設置在廠房樓棟內就近供電。

對于定制廠房,可以按入駐企業的要求,所有配電房一次投入安裝到位。

對于非定制廠房,由于生產工藝不明確,廠房均按終期最大負荷量預留配電房,考慮機房擴容面積及結構荷載。配電房投入按近遠期結合的方式,首期僅投入1F的配電房,隨著后期企業的入駐及工藝的明確,陸續投入2F及以上的配電房,預留好高低壓電纜橋架通道及路由,并對變壓器容量按后期實際需求進行調整,確保了供配電系統的經濟性和靈活性。

非定制廠房配電房分期投入運行示意圖如圖1所示。

圖1 非定制廠房配電房分期投入運行示意圖

4.3 變配電房進出線方式

5G廠房設計樓層都較高,一般按1F為6.5～7.0 m,2F以上為5.0～5.5 m,另外廠房多采用大容量低壓電纜或母線槽供電,出線回路數量不多,故配電房進出線常采用上進上出方式。這樣可以充分利用配電房的凈高,既節約成本,后期的維護檢修也很方便。

4.4 豎向供電干線系統

智能終端廠房的主要生產工藝設備,采用專用變壓器或專用低壓饋電線路供電,對于有特殊要求的生產工藝設備設置UPS供電。凈化空調系統用電負荷、照明負荷均由變電所專線供電。在電源進線處設置切斷裝置,并設置在潔凈區外便于管理的地點。

廠房單層面積較大,電氣負荷容量也大,且考慮到每層(一般為一個業主)單獨運行管理的要求,故豎向供電干線系統均按放射供電方式,采用大規格的低壓電力電纜或大電流密集母線槽供電。

在廠房每層設置配電總箱,總箱帶電費計量,在樓層各分區設置配電分箱,并由配電總箱放射供電。

廠房公區一般由建設方來投資建設。其配電系統需與廠房生產區分開設計。

5 電氣設計中幾點注意事項

5.1 動力站配電

配套動力站為廠房區的動力中心,一般設置了廠房的公共生活生產和消防設施,包括高低壓配電房、柴油發電機房、鍋爐房、制冷機房、空壓站、氮氣制備站、生活水泵房、生產水泵房、消防水泵房、廢水站、純水機房等。設計中一般在動力站的1F、2F功能房間做預留空間設計,3F、4F設計為拓展設備用房。隨著企業入住,可根據需求進行彈性拓展使用。

動力站的配電主要依據暖通、給排水和工藝專業的設備容量提資,計算電負荷總容量,變壓器一般采用大容量的變壓器,并充分預留配電房拓展空間。

動力站一般含大功率的空壓機組和冷凍機組,設備多采用10 kV高壓機組,故高壓配電部分需要充分預留高壓饋線柜安裝空間,滿足后期設備使用需求。

5.2 裝卸平臺配電

因裝卸平臺前期需進行土建施工,故電氣專業需預埋電纜管線至升降平臺,并在附近預留裝卸平臺電機控制箱。這塊的預留是設計中容易忽略的內容。裝卸平臺供電及管線預埋示意圖如圖2所示。

圖2 裝卸平臺供電及管線預埋示意圖

5.3 室外管道敷設

智能終端產業園區體量大、功能復雜、室外管線眾多,含高壓電纜、低壓電纜、室外亮化線纜、消防報警線路、弱電安防電纜、燃氣管道、給水、污水、雨水、空調水管等。

室外管道敷設方式分埋地敷設和架空綜合管廊敷設。為盡量減輕埋地敷設帶來的場地緊張情況,有條件的管線盡量采用架空綜合管廊敷設。

5.4 架空綜合管廊

架空綜合管廊是利用室外連廊下部空間設計的架空管廊。一般敷設高低壓電纜橋架、弱電橋架、氮氣管道、壓縮空氣管道、熱水供/回水管、中溫供/回水管、低溫供/回水管、冷卻水管、冷凍水管等。

根據檢修維護需要和未來發展需要,在設計中充分預留管線安裝空間,這樣方便日常維護和拓展建設,也避免直埋式管線綜合需要大量開挖的情況。在綜合成本上進行衡量,將更加經濟。

管廊管線布置示意圖如圖3所示。

圖3 管廊管線布置示意圖

6 結 語

智能終端廠房生產用電一般按二級負荷供電,若業主有特殊要求的生產工藝用電可以按一級負荷供電。定制廠房工藝負荷容量全部按企業提資確定,非定制廠房可以依據意向企業工藝進行估算,在沒有具體資料的情況下,建議按全廠面積的210～270 W/m2估算。大體量的智能終端產業園區,可以設置專用的35 kV及以上的高壓變電站,并采用10 kV高壓電纜專線供電。配電房設置可以近遠期結合,充分預留,保證其使用的靈活性和經濟性。配電房的進出線建議采用上進上出方式。動力站作為園區的動力中心,前期多為功能房間預留,并根據需求進行彈性拓展使用。智能終端廠房多采用架空綜合管廊方式,方便日常維護和拓展建設。