区域能源站项目供电设计思考

2021-09-13王斌,张军,吴茜

现代建筑电气 2021年8期

王斌, 张军, 吴茜

(1.华东建筑设计研究总院,上海 200002;2.上海电力股份有限公司新产业管理中心,上海 200124)

0 引言

随着我国经济的持续发展,能源消费总量不断增加,能源问题已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。目前,我国能源消费仍然以煤炭为主,而燃煤发电是造成雾霾天气形成的主要原因。为应对能源与环境、资源以及气候变化的挑战,我国政府提出了多元化、清洁化和高效化的能源发展战略,发展低碳经济和转变经济增长方式已成为我国实现科学发展的必然要求。国家在“十二五”规划中已经明确提出节能减排的目标,随后国务院印发《“十二五”节能减排综合性工作方案》,把发展分布式能源列为节能减排的一项重要措施;“十三五期间”污染防治力度加大,生态环境明显改善;今年提出了“碳达峰、碳中和”相关目标要求。为了适应国家政策和能源发展需求,北京、上海和广东等地区率先开展多个分布式冷热电联供系统的建设项目,区域能源站的项目在今后的设计中也越来越普遍。区域能源站通常负责一个片区几十万平方甚至几百万平方的能源供应,因此如何做好能源站的供电设计,提高供电系统的合理性,保证供电的可靠性显得尤为重要。

1 负荷等级

民用建筑的区域能源站供能范围可能涵盖多种业态,包括办公、商业、酒店、公寓、学校、医院等,站内的用电设备以空调设备为主。到目前为止,国家规范中并没有对区域能源站项目的用电设备负荷等级进行定义。参考相关常用的行业规范,对建筑内空调用电设备的负荷等级规定如下:① JGJ 392—2016《商店建筑电气设计规范》[1]中规定,大型商店建筑的空调、锅炉用电为二级负荷;② JGJ 57—2016《剧场建筑设计规范》[2]中规定,特等、甲等剧场观众厅的空调、锅炉房用电应为二级负荷;③ JGJ 62—2014《旅馆建筑设计规范》[3]中规定,四、五星级旅馆的空调动力应为二级负荷;④ JGJ 284—2012《金融建筑电气设计规范》[4]规定,直接影响金融设施运行的空调设备的用电负荷等级应与金融设计用电负荷等级相同;⑤ JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》[5]中规定,图书馆珍善本书库的空调系统用电按二级负荷要求供电。国家相关规范中对于二级负荷的供电要求为:当一路电源故障时,其余线路应能满足全部一、二级负荷的供电;当一台变压器故障时,另一台变压器可带全部一、二级负荷。

区域能源站主要功能是为片区内的建筑提供能源,其楼内用电设备以空调设备为主。相关能源站项目负荷如表1所示。

表1 相关能源站项目负荷

从表1可以看出,区域能源站内空调设备的用电量占总用电量80%以上,甚至更高。如果将此类设备全部定义为二级负荷,为满足规范对二级负荷的供电要求,其供电的市政电源及站内变压器配置需按照全备用方式配置,增加项目供电的高可靠性费用,增大变压器的配置,增加机房面积,大大增加初投资。反之,即使一路市电故障的情况下,区域能源站在用能最高峰时仍能保证有50%的空调设备可以正常运行,从以往的项目经验上看,能够满足上述规范中把空调负荷定义为二级供电负荷建筑的用能要求。因此,对于区域能源站的空调设备负荷,按三级负荷要求供电即可,满足规范要求的同时也大大节省初投资。

2 负荷计算

2.1 负荷容量的计算

区域能源站的用电负荷以空调设备为主,具有很强的季节性,受气温变化影响较大,在不同工况下的用电负荷差异非常明显。对于电气专业而言,区域能源站的空调设备可以定义为一种工艺设备。常规区域能源站的空调用电负荷可以按照白天制冷工况、夜间蓄冷(畜冰)工况(若有)、制热工况来对负荷进行分组分类计算,不同的运行工况下的设备用电总量差异较大,对于计算单台变压器而言,应按照长期运行工况下的最大用电量来确定变压器的容量。根据以往项目经验来看,最大工况通常是出现在夏季最热的时间的制冷工况下,按照相关专业的提资,在这种工况下,能源站内几乎所有的空调用电设备都需要开启,包括冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、一次泵组等,以保证供能区域内所有用户的空调温度。

某能源站项目的变压器负荷计算如表2所示。在计算之初就对负荷类型进行分组,对不同类别的用电设备进行分类计算,然后根据不同的运行工况叠加进行复核统计计算,得出一个最大值来确定变压器容量。

表2 某能源站项目的变压器负荷计算

2.2 需要系数的取值

从目前建成并投入运行的几个区域能源站调研实际结果来看,在夏季用能的最高峰时段,为制冷设备供电的变压器运行负载率长时间维持在95%以上,有的甚至已经超过了110%。而与相关专业沟通的结果也表明,在夏季最热季节为保证能源站所覆盖区域的正常供能,能源站内所有的制冷相关设备需要同时运行。

民用建筑中对于空调用电设备的需要系数取值,在《全国民用建筑工程设计技术措施》[6](2009年版)(简称《技术措施》)有相关规定。《技术措施》中空调设备需要系数取值如表3所示。在《工业与民用供配电设计手册》[7](第4版)(简称《配电手册》)中空调设备需要系数取值如表4所示。

表3 《技术措施》中空调设备需要系数取值

表4 《配电手册》中空调设备需要系数取值

通过目前已运行的几个能源站调研结果分析,《技术措施》和《配电手册》中给定的需要系数并不适用于区域能源站项目。建议能源站内同一运行工况下空调用电设备的需要系数宜按0.95～1选取,以保证变压器的可靠运行能力。

3 设备供电思考

3.1 低压工艺设备的供电

能源站内的用电设备除了为站内配套的照明、送排风风机、排水泵等附属用电设备以外,主要以大功率的冷冻机、水泵、冷却塔等制冷制热设备为主,设备分布也相对集中。对于能源内的制冷低压用电设备通常有两种配电方式:一种是采用总分式供电方式,即采用大容量的配电断路器,通过大容量母线方式分组将电源引至电动机控制中心,再通过控制中心内设置的水泵控制柜(配电柜)为设备供电;另一种是采用放射式供电方式,即将电源采用一对一(或分组一对一)供电方式引至电动机控制中心的水泵控制柜。

采用第一种总分式的供电方式时,若变电所低压柜内的配出总开关出现故障,造成其配电回路中的所有用电设备失电,影响整个空调系统的正常运行,其单点故障所造成的事故面大;采用第二种放射式供电方式,即使某一个配出开关故障,影响的也只是单个低压设备,此时也可以通过设置的备用泵组进行补位,并不影响整个空调系统的正常工作。因此,对于这两种供电方式,第二种供电方式更加合理,对于工艺系统的运行更加安全、可靠[8]。

3.2 同一泵组常备用泵的供电

在民用建筑项目设计中,为了计算方便、保持同一组变压器负载率的相对均衡,通常会将同一类设备的供电电源分开至2台变压器下供电,此种供电方式在区域能源站项目中并不适用。

以水泵为例,区域能源站项目中,为保证空调系统的可靠运行,暖通专业在同一类水泵的配置上至少会设置1台备用泵组,并且即使在最大运行工况下,备用泵组也不需要投入使用。表2中,项目设置6台(5用1备)双工况冷却循环水泵,6台水泵之间相互轮转运行,最大同时使用率为5台,并不存在6台水泵同时开启的工况,因此在变压器的负荷计算中,备用水泵也是不计入变压器容量的。实际工程中,为防止备用泵长期不用而导致设备故障,备用泵并不固定是某一台设备,在系统的运行中常用泵与备用泵之间通常采用轮换运行的控制方式,由控制系统自动(或手动)来实现。若将此6台(5用1备)双工况冷却循环水泵分开至2台变压器供电,每台变压器负责3台(其中一台变压器含备用泵的供电),即:1#变压器负责1#水泵～3#水泵的配电,2#变压器负责4#水泵～6#水泵的配电(6#水泵为设计的备用泵)。当2#变压器下的备用泵(6#水泵)轮转运行而1#变压器下的常用泵(1#水泵)轮转为停用时,由于水泵的容量过大,每台有220 kW,即使配电采用2 000 kVA的变压器,1#变压器的负载率会降低10%,2#变压器负载率会增加10%,2台变压器的负载率会瞬间变得不均衡,且2#变压器很可能超负荷运行。为避免此种情况的发生,对水泵的轮换运行控制就需要设定很多的限定条件,不利于运行维护。因此,建议在变压器容量允许的条件下,宜将同一类水泵常备用泵的供电回路设置在同一台变压器下,即使设备轮转运行,对变压器的负载率也不会有任何影响,有利于实际工程的运行管理。