E-House的设计及应用探讨

2018-07-20孙靖宇王宇佳

冶金动力 2018年8期

孙靖宇，王宇佳

（北京首钢国际工程技术有限公司；北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心，北京 100043）

1 前言

首钢秘铁公司为保证1000万t/a淡水选矿精矿生产能力的需要，配套建设一个产能为20000 t/d的海水淡化厂。首钢秘鲁铁矿位于太平洋东海岸，矿区周围为沙漠，气候为滨海沙漠型，常年干旱无雨。鉴于工程所在地资源紧张、人工费用昂贵、工程工期紧等原因，工程开始设计之初，就提出工程供配电系统设备采用E-House的想法。

2 E-House的概念

E-House起源于20世纪90年代模块化工厂的概念，由于不同国家或行业使用的习惯不同，E-House在实际使用中存在着多种叫法，如美国市场称其为 PDC（Power Distribution Center），澳大利亚市场称其为Power House，欧洲市场称其为E-House，石化行业的预制式撬块，配电应用的预装式电气房等等，但无论在实际工程中采用的何种叫法，它们的特点和价值定位是一致的，可以统一归属为E-House的应用。E-House是一个集成的、工程化的电气解决方案，是一个安装在预制的、紧凑的、可运输的、客户化定制的、具有正压和空调的外壳内的系统。在不同的环境条件下为客户提供持续的供电、监视和控制。

由于E-House的制造及电气设备的安装均在工厂内完成，整体测试通过后再发运到现场，减少了土建的工作量及周期，缩短了工厂的建设周期和时间、成本，使工厂能更早地运营获利，是传统水泥砌筑的开关室/变电站的高质高效替代。

2.1 E-House的构成要素

（1）E-House的建造通常包含以下设备：

房体底座框架和内外墙板搭建；

暖通空调系统/火警安防设备；

辅助电源及内外照明；

支撑柱/扶梯平台；内部互连电缆。

（2）E-House内部可安装的电气设备包含以下设备：

中压开关柜；

低压开关柜；

UPS和直流电源；

变频器；

电能监控系统SCADA、PLC；

其他业主要求的设备。

图1显示了E-House的整体构造和内部设备布置情况。

图1 E-House构造图

2.2 E-House和传统箱变的区别（见表1）

2.3 E-House产品类别

E-House产品可以细分为如下几种：集装箱式解决方案、模块化设计方案、单体大尺寸结构。

（1）集装箱式解决方案

制造方案基于标准货运集装箱设计，标准ISO集装箱尺寸或定制化的尺寸，全焊接或喷漆钢结构，适用于电缆底部进线和侧面进线场合，通过集装箱模块拼接可以搭建成更复杂的组合。

（2）模块化设计方案

设计基于定制化的E-House布局和尺寸，布局和尺寸基于需安装设备的量身订做，为了满足运输和物流要求，E-House的设计采用模块化切割，现场拼装后，实现更大的整体布局。

（3）单体大尺寸结构

单体钢结构框架实现大尺寸，大尺寸的E-House单体运输，消除了运输模块及现场模块再拼接的要求，但需要提前确认现场和运输物流对最大运输尺寸的要求。

3 E-House的设计

首钢秘铁海水淡化工程分为取水泵站及海水淡化本体2个区域，进线电压为4.16 kV，配电电压为460 V，照明电压为 220 V，控制电压为125 VDC/120 VAC，总计算负荷为7000 kVA。

本工程共设置了4套E-House，在总结本工程经验、教训的基础上，就工程执行中需要注意的一些问题阐述如下。

3.1 E-House结构设计

由于E-House自身是为了工程量身定制的，因此它的结构设计具有较大的灵活性，它的尺寸大小基本取决于它内部所需要安装的设备情况，同时还要考虑长距离运输的要求。因此，如何用最小的空间合理布置设备，是E-House结构设计成功的关键。

（1）合理布局

本工程将设备进行合理的分区，并结合室外进、出线电缆的走向，做到高压与低压分开、强电与弱电分开布局。

设备布置遵循紧凑合理的原则，在紧凑的前提下便于设备安装、操作、搬运、检修、试验和巡视。电气柜选用了背后免维护的型式，将柜子靠墙布置，省去了柜后维护通道，从而大大节省空间。

（2）合理设计梁柱

E-House的电气柜往往是下出线设计，这样可以避免上出线带来的防水问题，而且便于运抵现场后与室外的电缆桥架相接。针对电气室布置时，常常遇到的结构梁对下出线电缆的影响问题，本工程在布置开关柜的同时，就将设备的基础尺寸和底板开孔要求提供给结构设计工程师，从而使电缆避开横梁的遮挡。

（3）内部电缆路由设置

本工程的每个E-House的配电和控制都是相对独立的，其内部有许多的动力和控制电缆，这些电缆都不需要进出E-House，因此，本工程在柜体顶部规划了电缆桥架，在E-House交货时就完成了内部接线。

本工程经过多方案比较，最终采用单体大尺寸结构E-House，其中最大E-House尺寸为18 m×5 m×3.5 m（长×宽×高），重 52 t。

3.2 接地系统设计

接地对电力系统和电气设备的安全及其可靠运行，对操作、维护、运行人员的人身安全，都起着至关重要的作用。E-House作为一个独立的配电站，一般矗立于荒郊野外，易受雷电袭击，对防雷接地的要求更为严格。E-House集聚了工作接地、保护接地、防雷接地、电磁兼容性接地等于一体，如果不妥善处理好这些接地的关系，容易造成设备的损坏甚至危及人身安全。本工程采用联合接地的方式，设置了几个主接地排，对箱内设备进行了等电位连接。并对接地系统的接触电压、跨步电压进行了校验。

3.3 抗内燃弧措施

中压开关柜在柜顶设置了泄压通道，在使用过程中发生燃弧故障时，由于飞溅而出的滚烫金属颗粒以及火光极大的偶然性，即使产品试验满足IEC61641-2014燃弧保护等级条款，也不能完全保证在使用过程中发生内部燃弧故障时绝对不会对人员造成致命伤害。本工程在开关柜柜顶设置专用燃弧泄压通道，并与各柜泄压通道有效连接，箱体外设置泄压口，以确保电气故障时运维人员的人身安全。设置泄压通道时，开关柜柜顶不应设置泄压板。

3.4 箱体防腐

由于使用E-House工程的自然条件一般都比较恶劣，因此箱体的防腐至关重要，直接影响E-House的使用寿命。E-House箱体的防腐处理应遵循ISO 12944《色漆和清漆防护漆体系对钢结构的腐蚀防护》标准，采用多道防腐工艺，包括前处理、锌层、中间层、面层等多重处理工艺。

ISO 12944-2标准中，定义了6类大气腐蚀环境：C1很低、C2低、C3中、C4高、C5-I很高（工业）、C5-M很高（海洋）。本工程位于海边，箱体防腐按照C5-M级别考虑。

3.5 箱体密封与防尘

为了给E-House内部设备提供良好的使用环境，保证设备安全稳定运行。箱体的防护等级要达到IP54以上的要求，并安装微正压系统，配置微正压空调或风机及多层过滤措施，配合风道均压系统，使箱体内部产生略高于外部大气压25 Pa的气压差，实现舱内均衡的微正压环境，使得外界的潮气、灰尘、盐雾等不能侵入E-House内部。

3.6 供货商的选择

与传统电气设备供货以及传统箱变工程相比，E-house工程需要提供完整的变配电站设备及系统，需要考虑到众多电气设备及系统的接口衔接，除最常见的电气部分外，还涉及建筑结构强度计算、结构施工、油漆防腐、建筑室内暖通空调系统、消防系统、监控及门禁系统、辅助照明系统、弱电通信系统、运输包装、吊装方案等等诸多方面。从供货范围、工程管理的角度来看，E-house工程相当于一个小型EPC工程总包的工作，是一个交钥匙的工程解决方案，因此，选择一个有整体实力、具有成功制造、安装经验的供应商尤为重要。

本工程执行中，在原理接线图的设计环节上遇到了瓶颈，由于供货商在设备制造实力很强，但缺少根据生产工艺条件进行系统集成设计的经验，造成后期沟通任务量大，建议与生产工艺联系紧密的原理接线图由设计院负责，供货商据此进行相应的转化，比较符合国情，以确保工程顺利进行。