工业建筑机电设计探讨——常德卷烟厂项目案例

崔俊泽， 朱立彤， 焦鹤勇， 王 锋， 侯冉冉

(中国五洲工程设计集团有限公司，北京100053)

[摘要] 以常德卷烟厂为例，简要分析工业建筑常德卷烟厂供电系统、电气动力、照明和防雷接地等设计的主要内容和方法，以对类似项目的电气设计起到一定的借鉴作用。

[关键词] 工业建筑； 常德卷烟厂； 电气设计； 绿色工房

中图分类号:TU277.1文献标识码:A文章编号:1729-1275(2021)03-0037-04

0 引言

工业建筑的电气设计与民用建筑不同，工业建筑包含建筑类型较多，如生产工房、动力中心、污水处理站、库房、办公楼、技术研发楼、食堂等，生产工房建筑一般为单层，层高较高，单间面积大，工房环境条件较为复杂，动力负荷种类多、容量大，会涉及到普通照明、应急照明、动力设备配电、其他电气设备控制等方面的设计。 设计师针对卷烟厂这种较为特殊的工业建筑，首先要对设计对象进行深入的分析研究，总结出设计的重点和难点，有针对性的进行电气设计，并满足规范和工艺方面的要求。

1 相关部分重要规范及理解

卷烟工业建筑的消防电气设计主要遵循GB 50016－2014《建筑设计防火规范》(2018 年版)的各项要求。 本规范第10.1 节对各类建筑物的消防用电负荷等级进行了划分。 对规范中的一些不确定的条文具体落实到设计当中时，还需要征询当地消防部门和审图办的意见，各地区的消防部门和审图办对规范条文的理解不尽相同，要求也因此可能不同。

作为卷烟工业建筑的设计，离不开烟草行业标准:YC/T 9－2015《卷烟厂设计规范》和YC/T 384《烟草企业安全生产标准化规范》。 前者对卷烟生产电力负荷等级、用电负荷计算、车间环境划分以及主要场所照度标准值做了相应的规定。 后者中的内容也是烟厂安全生产部门要求执行的重点检查范围。

常德卷烟厂联合工房按照绿色工房“三星级”、办公及研发楼按照绿色建筑“二星级”的标准进行建设，需按照YC/T 396－2011《烟草行业绿色工房评价标准》中的评价标准采取相应的设计措施。

2 项目概况

常德卷烟厂易地技改项目为大型工业建设项目，产能规模按照年产卷烟160 万箱(其中叶片预处理能力按180 万箱/年配置)生产规模进行规划设计。 是行业内唯一结合海绵城市设计理念的绿色工房、绿色建筑，也是全球最具现代化的卷烟工业建筑之一。

项目场地基本呈梯形，北宽南窄，北侧宽约1 280m， 南侧宽约880m，南北长约550m。 建设用地1076.91 亩，按规划部门要求，市政景观水系沿厂区东南侧穿过，在厂区内水面面积约55 亩。 项目总投资45.6 亿元(不含专卖设备)。

本项目新建110kV 总降变电站、动力中心、联合工房、辅料综合库、香精香料库、工业废品站、污水处理站、地下油库、办公及研发楼、职工食堂，以及门卫室等，总建筑面积约42.7 万m2。

该项目初步设计始于2012 年，于2016 年施工图设计基本结束，于2020 年8 月进入全面正式生产运行阶段。

3 供电系统设计

3.1 负荷等级

根据YC/T 9－2015《卷烟厂设计规范》，卷烟生产电力负荷等级为二级负荷；根据GB 50016－2014《建筑设计防火规范》及当地消防专家评审会的结论，全厂消防设备、应急照明均按一级负荷供电；安防、通讯、电话、计算机系统、生产生活变频设备等重要用电设备为二级负荷；其余一般设备用电属三级负荷。

3.2 供电电源

常德卷烟厂分别由两个不同的市政220kV 变电站各引入一路110kV 高压电源专用线，采用电缆接入到厂区内的110/10kV 总降变电站，两路电源各自独立运行，同时供电。 两路专用线可以满足全厂一、二级负荷的供电要求。 当其中一路110kV 进线电源故障停电时，通过另一路110kV 线路为全厂区一、二级负荷及重要用电负荷供电。 同时，在各个建筑物的消防控制室、计算机房等区域根据需要设置EPS 或UPS 不间断电源系统。

在厂区内新建110/10kV 总降变电站，站内通过GIS 气体绝缘金属封闭开关设备将两路市政110kV 供电电源分别送至站内两台110/10kV，25 000kVA 有载调压油浸式变压器，变压器低压侧通过封闭母线将10kV 电源送至站内10kV 高压配电室。 10kV 高压配电室采用高压电缆放射式为全厂分变电所供电。

全厂共设10 个变电所，计24 台变压器，变压器总装机容量为36 500kVA。 全厂配电系统示意图见图1。

图1 全厂配电系统示意图

4 电气动力设计

(1)动力中心制冷站高压制冷机组及高压压缩机采用10kV 配电，其余用电设备均采用0.4/0.23kV 供电。

(2)联合工房按照工艺生产线、物流系统合理设计分配变压器，避免因为变压器故障而引起停产范围的扩大。

(3)对消防及其他重要负荷的供电措施

设有两台及以上变压器的建筑物对一、二级负荷用电设备供电采用双电源供电，两路电源分别来自于变电所接自不同高压母线段的变压器低压侧，并在最末一级配电箱处自动切换。 消防设备采用专用的供电回路，其配电装置应有明显标志。

设有单台变压器的建筑物对一、二级负荷用电设备供电采用双电源供电，其中一路电源来自于变压器低压侧，另一路电源引自临近建筑物内变电所接自不同高压母线段的变压器低压侧。

5 照明设计

(1)照明电源电压为220/380V，灯具的工作电压为220V。

(2)照明光源全部采用高效节能的LED 光源，灯具型式和安装方式:1)卷接包车间、滤棒成型发射间:LED 灯带，嵌入式安装；2)办公室、控制室:LED 灯盘，嵌入式安装；3)走廊、卫生间:LED 筒灯，嵌入式安装；4)制丝车间:LED 工矿灯，管吊安装；5)高架库:LED 工矿灯，管吊、壁装。

(3)各建筑物房间或场所的照明功率密度值均不高于现行国家标准GB 50034－2013《建筑照明设计标准》规定的目标值。 主要房间或场所照明的照度及功率密度值详见表1。

(4)应急照明:在变配电所、消防控制室、消防水泵房、配电间、报警阀间、排烟机房等消防设备用房设置应急备用照明，供发生火灾时继续工作使用。

表1 主要房间或场所采用的照明照度及功率密度值一览表

采用集中电源集中控制型应急照明及疏散指示系统，由监控主机、控制分机、通讯模块、消防联动转换箱、电池、显示终端、应急照明灯具和疏散指示灯具等组成。 灯具自带地址编码，若灯具发生故障，监控主机能及时报警。 当消防联动信号到达或者停电后，能强制点亮应急灯具，确保在混乱状态人身安全。 备用电源由电池提供，持续供电时间≥90min。

设置疏散照明的部位则依据GB 50016－2014《建筑设计防火规范》第10.3 节的要求来设置。 而对于条文中未明确规定的场所或部位，设计师可根据实际情况，从有利于人员安全疏散需要出发考虑来设置疏散照明，如生产车间、仓库、重要办公楼中的会议室等。 也可与当地消防部门沟通后确定设置场所或部位。

(5)智能照明:在生产车间、面积较大的设备用房、公共走廊、楼梯间等场所采用智能照明控制系统，根据卷包机组和生产线，以及是否靠采光窗，分成若干个控制区域，控制系统根据每个控制区域的使用功能、不同时间及室外光亮度，以及人员流动性来自动控制照明，实现照明管理智能化。

(6)室外路灯照明均采用LED 灯，在厂前区则采用太阳能LED 灯具，同时接入智能照明控制系统，可实现远动及自动功能，使控制方式更加灵活、节电。

6 配电设备和灯具选择

卷烟厂建筑物种类较多，场所环境较为复杂，不同场所的配电设备和灯具应根据其环境类型来选择对应的防护结构及等级。 主要场所设备选择表见表2。

表2 主要场所设备选择表

7 建筑物防雷接地设计

(1)根据相关计算，本工程联合工房、办公及研发楼、110kV 总降变电站、动力中心、香精香料库按第二类防雷设计，其他建筑物按第三类防雷建筑物要求设置防雷措施。

为防止直击雷，在建筑物的屋面设接闪网，采用直径为10mm 的热浸镀锌圆钢，二类防雷建筑物在整个屋面组成≤10m×10m 或12m×8m 的接闪网，三类防雷建筑物在整个屋面组成≤20m×20m 或24m×16m 的接闪网；所有突出屋面的金属设备及管道，均应与接闪网焊接。

利用混凝土柱内主钢筋作为防雷引下线，通长焊接，防雷引下线上部出屋面与屋顶接闪带相接，引下线下部接至基础接地装置，构成整体防雷接地系统。

一般建筑物利用建筑物的基础作为接地装置。较小型建筑物如香精香料库、门卫室等采用人工接地装置。

(2)主要建筑物的工作接地，保护接地，防雷接地，计算机接地等采用共用接地系统，接地电阻应≤1Ω。 施工结束后实际的接地电阻值经检测均为0.55～0.75Ω。

(3)为了提高用电安全性，在建筑物内设置等电位联结。 所有按规范需要保护接地的电气设备外壳必须与等电位联结线可靠连接。 总等电位连接应将建筑物内的保护干线、给水总管、金属输送管道、冷冻、冷却水管和建筑物的金属构件等部件进行连接。 在淋浴间等潮湿场所，还应设局部等电位连接。

建筑物内低压配电系统采用TN－S 系统，将PE线与N 线严格分开。 室外道路照明采用TT 接地系统，同时在其电源线路装设RCD 做接地故障保护。

为防止闪电感应的次生灾害，按GB 50057－2010《建筑物防雷设计规范》相关要求， 110kV 总降变电站、动力中心、香精香料库等建筑物采取防闪电感应和防闪电电涌侵入措施。 在低压配电系统中，设置SPD 保护装置；在高压配电系统中，设置过电压保护装置。 对电缆进出线，在电缆的进出端将电缆的金属外皮、钢管等与电气接地相连。

8 绿色工房和绿色建筑

联合工房按照行业绿色工房“三星级”标准建设；办公及研发楼按照绿色建筑“二星级”标准建设。 严格执行国家建设有关规定，推进绿色工房建设，做到实用、经济、节地、节能、节水、节材和环保。电气设计中主要采取如下措施。

(1)配电系统按照明、冷热源及空调末端系统、输配系统、给排水系统和工艺设备等各部分能耗进行独立分项设计量仪表。

(2)在动力中心10kV 侧设置集中无功补偿；在各分变压器低压侧设置抵压无功补偿柜，补偿后，变压器低压侧的功率因数在0.95 以上；在装有大功率变频器的空调机组、除尘系统设备、冷水机组等用电设备的配电回路上就地安装有源电力滤波器。低压配电柜的无功补偿电容上串联电抗器。 在低压配电系统母线上安装有源滤波器。

(3)各变电所10/0.4kV 变压器均采用高效节能干式有载调压变压器，变压器空载损耗和负载损耗均不高于GB 20052－2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》表2 中3 级损耗标准值。

(4)各建筑物的照明功率密度值不高于GB 50034－2013《建筑照明设计标准》规定的目标值。

(5)在生产车间、面积较大的设备用房、公共走廊、楼梯间等场所采用智能照明控制系统，对主要生产区按系统分区进行控制，通过设定开关时间，根据工作环境照度的需求进行控制。

(6)在室内停车场设置20 个交流充电桩、室外停车场设置80 个交流充电桩，设置由控制层、间隔层及网络设备构成的充电设施监控系统。

9 结束语

通过以上案例可以看出，一般工业建筑的电气设计，关键是抓住工业建筑的特点，了解生产工艺特点及需求，掌握工业建筑与民用建筑的不同之处，依据相关国家标准、规范、标准图集和设计手册进行科学合理的设计。