5G智能终端产业园厂房供配电设计探讨

李 周 林

(湖南省建筑设计院集团有限公司,湖南 长沙 410012)

0 引 言

2020年是5G规模商用元年,中国5G新基建的持续推进,将带动整个5G产业链规模快速增长,智能终端产业发展将直接受益。在此背景下,全国各地开始建设高标准5G智能终端产业园项目,引入上下游配套产业,构造快捷的物料配送生态圈,打造大规模产业集群,形成“试验检测-研发-生产-配套”的完备生产体系,建成由生产区、仓储区、配套动力站及生活区构成的完善产业园区。

工业厂房可分为标准厂房(又称非定制厂房)和定制厂房两种形式。标准工业厂房是具有广泛通用性的、用于生产工业用途的物业,定制厂房是为使用者量身定做的工业用途物业。与此相应的,定制厂房可以采用满足客户特定要求的定向工艺设计,而标准厂房只能依据厂房的基本定位采用非定向的工艺设计。

5G智能终端产业园一般体量大,用电负荷高,企业入驻和工艺要求也存在一定的不确定性,多采用非定制厂房形式。如何根据智能终端产业园厂房的特点和要求,选取合适的负荷指标并计算,选用合理的供配电系统设计,既满足当前需要,又能适应未来的发展,是智能终端产业园厂房电气设计的重点问题[1-2]。

1 5G产品主要组件生产工艺流程

5G智能终端产业园涵盖消费类智能终端(手机、智慧屏、平板、PC、穿戴、智能音箱、耳机、车载终端等)、通信设备终端(路由器、交换机、无线数据卡等)以及核心模组与关键元器件等。

智能终端产品应用场景多,品类极为丰富。对于非定向工艺设计,需根据常规的16种主工艺模拟,进行大量预留和弹性设计,可适应大部分智能终端产品的生产需求。

下面列举几种主要组件的生产工艺流程,包括智能终端设备主板组装、摄像头模组、液晶显示模组等。

(1)智能终端设备主板组装,其工艺流程包括锡膏印刷、SMT贴片、回流焊、插件/波峰焊、修补、测试、包装/成品等。

(2)摄像头模组,现在流行的有COB封装工艺和CSP封装工艺,应用更多的是CSP工艺,其工艺流程包括SMT贴片、FOL、EOL等。

(3)液晶显示模组,其工艺流程包括IQC检验、切割、SMT贴片、ACF 贴附、测试、超声波水洗、点胶、消泡、焊接组装、测试、OQC 检验、包装出货等。

从以上流程可以看出,SMT是智能终端模组生产的核心工段,其对厂房建筑、结构及公用工程的需求决定了厂房的主要预留条件。

表面贴装技术(Surface Mounted Technology,SMT)是电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。SMT工艺主要生产设备包括送板机、吸板机、锡膏印刷机、锡膏检测仪、贴片机、回焊炉、自动光学检查机等。

2 用电负荷等级的确定

根据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》、GB 50472—2008《电子工业洁净厂房设计规范》和GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》,5G智能终端生产厂区用电负荷等级和供电要求,主要根据电子产品生产工艺及设备要求,以及现行国家标准GB 50052—2009的有关规定。生产区用电若中断,将造成较大的经济损失,故厂房生产工艺用电按二级负荷供电,若业主有特殊要求的生产工艺用电可以按一级负荷供电,特殊用电可采用不间断电源(UPS)供电[3-5]。

3 负荷指标及计算

定制厂房一般有明确负荷提资及需求,其用电负荷在设计时可以确定。各定制厂房由于工艺差别较大,而业主使用要求也往往不一样,这都会导致生产工艺用电负荷的较大差别。

非定制厂房因为没有负荷需求提资,其工艺相关部分的用电负荷在设计时无法准确计算。定制厂房和非定制厂房负荷确定性情况对比如表1所示。

表1 定制厂房和非定制厂房负荷确定性情况对比

分别通过以上两类厂房的实际案例进行分析说明。

项目1为企业定制厂房,厂房建筑面积48 000 m2,配套仓库17 000 m2,配套动力站4 000 m2。工艺负荷容量全部按企业提资确定。该项目依据业主方提资,某定制厂房安装负荷容量如表2所示。

表2 某定制厂房安装负荷容量

项目2厂区均为非定制厂房,分A、B、C共3个厂区。厂区生产工艺负荷容量由工艺专业进行估算。工艺规划依据园区定位,考虑意向企业生产区由SMT、组装、仓库、机加工厂房等几种功能区构成。根据常规项目经验,以上各功能区面积占比约为SMT:组装:(仓库+机加)=1∶2∶1,SMT生产车间用电负荷约400 W/m2,组装约250 W/m2,机加约40 W/m2。

据此,估算以上生产区工艺用电负荷密度,约(400+250×2+40)/4=235 W/m2。

而厂房实际生产区利用面积占建筑面积比例系数一般取0.60～0.75,估算整个厂房生产工艺用电负荷密度为140～176 W/m2。

其他公用设备用电负荷,按工艺用电量的50%估算,估算整个厂房的用电负荷密度为210～265 W/m2。

4 供配电设计实例分析

4.1 10 kV供配电系统接线方案

因智能终端生产厂房用电负荷高,往往需要引入多路10 kV市政电源。而对于大体量的智能终端产业园区,更是需要设置专用的35 kV及以上的高压变电站。因为各10 kV高压电缆均为专线,单回10 kV高压电缆供电容量往往可以突破10 MVA,这样可以减少由市政电网引入的10 kV高压电缆数量。

项目1中,园区共分4期,总变压器安装容量估算达150 MVA,故在园区设置了1个专用110 kV园区变电站。各区的10 kV中心配电房均由园区专变引入10 kV高压电源。

项目2中,园区总建筑面积约579 000 m2,总变压器安装容量估算达126 MVA,故在园区北侧规划了一个专用110 kV园区变电站。各生产区、生活区的10 kV中心配电房均由园区专变引入10 kV高压电源。园区含1个生活区、3个生产区,共引入7组共14回高压电缆。

4.2 变配电房设置

由于生产厂房及配套动力站负荷容量大,10/0.4 kV变配电房均深入负荷中心,设置在厂房楼栋内就近供电。

对于定制厂房,可以按入驻企业的要求,所有配电房一次投入安装到位。

对于非定制厂房,由于生产工艺不明确,厂房均按终期最大负荷量预留配电房,考虑机房扩容面积及结构荷载。配电房投入按近远期结合的方式,首期仅投入1F的配电房,随着后期企业的入驻及工艺的明确,陆续投入2F及以上的配电房,预留好高低压电缆桥架通道及路由,并对变压器容量按后期实际需求进行调整,确保了供配电系统的经济性和灵活性。

非定制厂房配电房分期投入运行示意图如图1所示。

图1 非定制厂房配电房分期投入运行示意图

4.3 变配电房进出线方式

5G厂房设计楼层都较高,一般按1F为6.5～7.0 m,2F以上为5.0～5.5 m,另外厂房多采用大容量低压电缆或母线槽供电,出线回路数量不多,故配电房进出线常采用上进上出方式。这样可以充分利用配电房的净高,既节约成本,后期的维护检修也很方便。

4.4 竖向供电干线系统

智能终端厂房的主要生产工艺设备,采用专用变压器或专用低压馈电线路供电,对于有特殊要求的生产工艺设备设置UPS供电。净化空调系统用电负荷、照明负荷均由变电所专线供电。在电源进线处设置切断装置,并设置在洁净区外便于管理的地点。

厂房单层面积较大,电气负荷容量也大,且考虑到每层(一般为一个业主)单独运行管理的要求,故竖向供电干线系统均按放射供电方式,采用大规格的低压电力电缆或大电流密集母线槽供电。

在厂房每层设置配电总箱,总箱带电费计量,在楼层各分区设置配电分箱,并由配电总箱放射供电。

厂房公区一般由建设方来投资建设。其配电系统需与厂房生产区分开设计。

5 电气设计中几点注意事项

5.1 动力站配电

配套动力站为厂房区的动力中心,一般设置了厂房的公共生活生产和消防设施,包括高低压配电房、柴油发电机房、锅炉房、制冷机房、空压站、氮气制备站、生活水泵房、生产水泵房、消防水泵房、废水站、纯水机房等。设计中一般在动力站的1F、2F功能房间做预留空间设计,3F、4F设计为拓展设备用房。随着企业入住,可根据需求进行弹性拓展使用。

动力站的配电主要依据暖通、给排水和工艺专业的设备容量提资,计算电负荷总容量,变压器一般采用大容量的变压器,并充分预留配电房拓展空间。

动力站一般含大功率的空压机组和冷冻机组,设备多采用10 kV高压机组,故高压配电部分需要充分预留高压馈线柜安装空间,满足后期设备使用需求。

5.2 装卸平台配电

因装卸平台前期需进行土建施工,故电气专业需预埋电缆管线至升降平台,并在附近预留装卸平台电机控制箱。这块的预留是设计中容易忽略的内容。装卸平台供电及管线预埋示意图如图2所示。

图2 装卸平台供电及管线预埋示意图

5.3 室外管道敷设

智能终端产业园区体量大、功能复杂、室外管线众多,含高压电缆、低压电缆、室外亮化线缆、消防报警线路、弱电安防电缆、燃气管道、给水、污水、雨水、空调水管等。

室外管道敷设方式分埋地敷设和架空综合管廊敷设。为尽量减轻埋地敷设带来的场地紧张情况,有条件的管线尽量采用架空综合管廊敷设。

5.4 架空综合管廊

架空综合管廊是利用室外连廊下部空间设计的架空管廊。一般敷设高低压电缆桥架、弱电桥架、氮气管道、压缩空气管道、热水供/回水管、中温供/回水管、低温供/回水管、冷却水管、冷冻水管等。

根据检修维护需要和未来发展需要,在设计中充分预留管线安装空间,这样方便日常维护和拓展建设,也避免直埋式管线综合需要大量开挖的情况。在综合成本上进行衡量,将更加经济。

管廊管线布置示意图如图3所示。

图3 管廊管线布置示意图

6 结 语

智能终端厂房生产用电一般按二级负荷供电,若业主有特殊要求的生产工艺用电可以按一级负荷供电。定制厂房工艺负荷容量全部按企业提资确定,非定制厂房可以依据意向企业工艺进行估算,在没有具体资料的情况下,建议按全厂面积的210～270 W/m2估算。大体量的智能终端产业园区,可以设置专用的35 kV及以上的高压变电站,并采用10 kV高压电缆专线供电。配电房设置可以近远期结合,充分预留,保证其使用的灵活性和经济性。配电房的进出线建议采用上进上出方式。动力站作为园区的动力中心,前期多为功能房间预留,并根据需求进行弹性拓展使用。智能终端厂房多采用架空综合管廊方式,方便日常维护和拓展建设。