上海某医学园区项目分布式能源中心用电负荷分析与供电可靠性研究

张奂之, 王 斌

(华东建筑设计研究院有限公司, 上海 200011)

0 引 言

随着我国经济的迅速发展,能源消耗量不断增加,能源问题已成为制约我国经济和社会发展的重要因素,我国政府提出了多元化、清洁化和高效化的能源发展战略。其中分布式供能成为新能源行业的重要组成部分之一,相较于传统供能有如下优势:节能减排;对电网具有调峰作用;可建设在地下室或屋顶,节约土地资源;提高用户的供电可靠性;优化能源系统的运行。

上海某医学园区项目位于浦东张江地区,总建筑面积16.3万m2,以生物医药产业为核心,园区内有16栋标准工业厂房,其中1#～11#、14#～16#楼为6层,12#、13#楼为4层,1#～13#楼及对应的地下车库为一期建设,14#～16#楼及对应的地下车库为二期建设。在园区内1#楼地下一层建设分布式能源系统,满足园区用户的冷、热、蒸汽等能源需求且满足园区周边其他3个地块的蒸汽需求,另本项目市政供电在用电高峰期存在部分容量缺口,内燃发电机的电力输出可保障园区用户的电能供应,也可减轻当地电网的供电压力,改善当地电网的电源结构和调峰性能。

1 用电负荷分析

1.1 园区与能源中心供电分界面

该项目在建设初期未考虑引入能源中心概念,由一家设计单位负责。但原先建造的另一个医学园区由于电量不足已扩容两次,投入大量的扩容费用。因此在后续设计中考虑引入能源中心概念,在保证园区供冷供热的同时设置内燃发电机解决用电量不足的问题,且可向周边另外三个地块企业输送蒸汽。经多方讨论后确定能源中心与园区主体建筑分开设计,由此会牵涉到供电分界面的问题。在经过多轮讨论后,确定供电分界面如下:

(1) 由园区向供电局统一申请用电容量,按照当地供电局可给予的最大用电负荷,最终申请两路独立35 kV市政电源,一路为8 000 kVA,另一路为6 300 kVA,共14 300 kVA。

(2) 能源中心从园区10 kV高压配电室引入两路独立10 kV电源,分界面为能源中心10 kV进线上桩头(包括进线电缆)由能源中心负责。

(3) 能源中心内消防设备电源,如应急照明、疏散指示标志、防排烟风机、火灾自动报警系统等均由园区提供电源并配置到位。能源中心负责站内阀门、能量计、流量计、自控系统电源、普通照明插座、空调、送排风机、排水泵等电源。

1.2 能源中心运行工况

能源中心在一年中不同季节,一天中不同时段,其所开启设备的台数是不同的。该项目对能源中心进行了四种不同运行工况的分析,工况一为冬季峰平电价时段,工况二为冬季低谷电价时段,工况三为夏季峰平电价时段,工况四为夏季低谷电价时段。根据不同工况下园区所需的冷热负荷,能源中心对应开启不同的设备,可得能源中心运行工况。能源中心运行工况如表1所示。

根据表1中不同工况下开启的设备台数,可得能源中心不同工况下设备的用电量,能源中心用电量统计如表2所示。能源中心内高压设备在高峰期基本满负荷运行,因此同时系数为1,另该项目高压侧设备均自带无功补偿装置,因此高压侧功率因数可补偿至0.95。能源中心内低压设备在高峰期时基本接近满负荷运行,不过设备功率会比实际运行功率偏大,如某水泵运行功率需20 kW,实际选择22 kW电机,另存在部分设备如阀门、排水泵等不在同一时间开启,但此部分负荷毕竟少数,因此低压侧设备的同时系数取值0.9较为合理,低压侧采用集中无功补偿方式,将功率因数补偿至0.95。根据上述条件,可得能源中心高低压设备的计算负荷,见表2。

根据表2中可知,工况三下能源中心设备运行用电量最大,需设置2台2 500 kVA 10/0.4 kV变压器。

1.3 园区用电负荷分析

该项目以生物医药产业为核心,建成后采用出租方式招商引资。由于在短期内无法明确出租用户,因此需通过调研及查阅相关规范要求,对园区各业态用电负荷进行预测计算。园区业态大致分为净化区、办公区及车库区,其中净化区为生物制药的洁净区,需要保持环境温湿度的稳定,因此净化区的用电负荷随时间变化影响很小,较为平稳。

办公区单位面积用电负荷根据文献[1]第17页6.3.2条及文献[2]第15页表2.7.6,按100 VA/m2,根据文献[2]第15页表2.7.6附注,由于园区采用能源中心集中供冷供热,因此需去除25 VA/m2的空调单位面积用电指标,因此园区办公区的单位面积用电指标为75 VA/m2。车库区单位面积用电负荷根据文献[1]第17页6.3.2条及文献[2]第15页表2.7.6,按34 VA/m2。

表2 能源中心用电量统计

该项目附近有另一个生物制药企业,根据调研,其净化区面积为整个项目面积的1/3,净化区单位面积用电指标约为200 VA/m2,其中空调负荷约为112.5 VA/m2,其他负荷为87.5 VA/m2。根据文献[3]第7页表1.3-2,生物制药建筑的单位面积指标为100 W/m2,功率因数cosφ取值一般在0.75～0.80,因此得出单位面积用电指标在130 VA/m2左右,但此指标为整个生物制药建筑的单位面积用电指标,净化区面积为整个项目的1/3,其余2/3面积的用电负荷指标按照办公区进行计算,则净化区单位面积用电指标为190 VA/m2;根据计算,本项目净化区空调负荷约为100 VA/m2,因此净化区不计空调负荷的单位面积指标为90 VA/m2。根据规范标准最终得到的90 VA/m2与调研的87.5 VA/m2非常接近,因此后续计算中净化区的单位面积用电指标采用90 VA/m2。

表1 能源中心运行工况

综上所述,可得整个园区引入能源中心前的用电负荷,引入能源中心前园区用电负荷计算如表3所示。同时可得整个园区引入能源中心后的用电负荷,其中能源中心按照用电量最大时段的工况三取值,引入能源中心后园区用电负荷计算如表4所示。

整个园区向电网公司申请的容量为14 300 kVA,根据表3可得在园区未引入能源中心的装机容量需要17 200 kVA,申请的市政容量无法满足园区的用电。根据表4,可得在园区引入能源中心后的装机容量需要20 684 kVA,与申请的市政容量存在6 384 kVA的缺口,因此该项目考虑设置4台1 500 kW的10 kV内燃发电机用于填补用电的缺口,1 500 kW的内燃发电机功率因数为0.8,可得4台内燃发电机的容量为7 500 kVA,保证在填补用电量缺口的同时剩余1 116 kVA的容量。远期若租户冷热负荷持续增加或净化区面积增大,剩余容量可扩建冰蓄冷所用,后期可增加1 000 kW的双工况离心式冷水机组。

表3 引入能源中心前园区用电负荷计算

表4 引入能源中心后园区用电负荷计算

1.4 供配电系统与并网接入

园区由市政引入两路35 kV电源,35 kV高压侧单母线分段,中间不设联络;园区10 kV高压侧单母线分段,中间设置手动联络。能源中心由园区两段10 kV母排上引入两路电源,分别为4 342 kVA,能源中心10 kV高压侧同样采用单母线分段,中间设置手动联络。能源中心内4台高压冷水机组、2台10/0.4 kV变压器平均分配至两段10 kV母排上,4台10 kV内燃发电机以2台为一组分别接入两段10 kV母排上。园区与能源中心供配电干线如图1所示。

图1 园区与能源中心供配电干线示意图

内燃发电机并网接入能源中心10 kV母排上,考虑到不上网设置的逆功率保护会使发电机经常跳闸且园区本身用电有一定的可靠性要求,在过渡季的剩余电量可作为盈利收益,最终采用自发自用,余电上网的模式,在满足能源中心用电后将剩余电量上传至园区10 kV母排上供园区使用,待园区使用后剩余电量上传至电网。

在确定内燃发电机自发自用且余电上网后,根据供电局的要求设置部分并网接入的保护措施:

(1) 园区35 kV用户站变压器配置复压闭锁配变低压侧方向过流保护。

(2) 园区10 kV高压配电室至能源中心的两回10 kV线路两侧各一套主后合一保护装置,光纤纵联差动作为主保护,方向过流作为后备保护,并配置零压保护。

(3) 当园区用户站10 kV母线失电,站内10 kV自切保护动作在跳开该失电母线进线开关的同时,跳开该失电母线至能源中心的10 kV集电线路。

(4) 能源中心内燃发电机组的进线开关与能源中心10 kV集电线路进线开关实现联跳功能。

1.5 能源中心向园区售电及取电分析

根据表4可得,除能源中心外园区的计算负荷为11 039 kVA。根据文献[3]1.4节内容及文献[4]第18页4.3.2条规定,考虑园区的用电负荷同时系数为0.85,因此除能源中心外园区的用电负荷约为9 383 kVA,其中净化区的用电负荷约为3 047 kVA,非净化区用电负荷约为6 336 kVA。

本项目实行峰谷电价,内燃发电机在电价峰平时段运行,在电价低谷时段不运行,全由市政电源供电。在市政电源正常运行情况下,根据表2对不同工况下能源中心售电取电进行分析,能源中心售电取电分析如表5所示。

表5 能源中心售电取电分析

根据表5可知,在工况一与工况三下,内燃发电机发出电量在能源中心消耗完后可向园区售电,在工况三夏季高峰时段基本能够满足能源中心自发自用,市政电源均供给园区使用。在工况二与工况四下,由于在用电低谷时段,不开启内燃发电机,能源中心使用市政电源,在工况四夏季低谷时段能源中心所消耗的3 021 kVA与园区所消耗的9 383 kVA,仍能保证在14 300 kVA的市政容量范围内,且夏季晚上的用电量实际情况肯定小于9 383 kVA,因此使用市政电源即可,无需开启内燃发电机。

2 供电可靠性分析

医学园区中由于存在净化区且项目整体负荷等级为一级,因此需保证在一路市电失电情况下净化区仍能正常工作,同时保证非净化区的一、二级负荷的用电需求,对供电可靠性提出要求[5-8]。考虑能源中心的冷热负荷为净化区服务,同时还为附近另外三个地块提供蒸汽需求,且能源中心还有内燃发电机的存在,可实现自发自用,因此供电可靠性的分析可在除去能源中心用电后,对园区可用电容量进行研究。

2.1 正常运行方式

根据表1与表2,对能源中心0.4 kV低压侧进行负荷计算,能源中心10/0.4 kV变压器负荷计算如表6所示。

能源中心的4台高压冷水机组平均分配在两段10 kV母排上,同时根据表6可得,能源中心2台10/0.4 kV变压器各自承担50%负荷。因此在后续供电可靠性分析时,表2中能源中心在四种工况下,两段10 kV母排上的高低压负荷均按照50%计算。而园区的用电负荷由于对末端用户未知,在分析过程中同样将园区用电均分在园区的两段10 kV母排上。另远期增加双工况离心式冷水机组,对应在低压侧增加400 kW配套水泵及冷却塔,根据表6变压器负载率,将400 kW平均分配在两台变压器下,负载率达到81%左右,同样满足后期扩建发展。

表6 能源中心10/0.4 kV变压器负荷计算

在园区正常运行方式下,两路市电正常供电,1#市政电源为8 000 kVA,2#市政电源为6 300 kVA,园区10 kV 1#、2#母线分列运行,在除去能源中心用电后,正常运行方式园区电负荷分析如表7所示。

除能源中心外园区的用电负荷约为9 383 kVA,均分后园区每段母线耗电量约为4 692 kVA,其中净化区用电为1 524 kVA,非净化区用电为3 168 kVA。根据表7数据可得,在正常运行方式下,四种工况下园区的每段10 kV母线容量均大于4 692 kVA,可以满足除能源中心外的园区用电负荷。

2.2 一路6 300 kVA市电供电中断

在一路6 300 kVA市电供电中断情况下,园区10 kV 1#、2#母线并列运行,在低谷时段可开启内燃发电机保证园区的正常运行,在除去能源中心用电后,6 300 kVA市电供电中断后园区电负荷分析如表8所示。

根据表8数据可得,工况一、工况二、工况四园区10 kV母线的容量均大于9 383 kVA,可以满足园区的用电需求。工况三园区的10 kV母线容量可满足净化区3 047 kVA的用电需求,同时可满足81.3%(5 149 kVA)的非净化区用电,非净化区一、二级负荷占整个非净化区负荷的50%左右,因此可以满足园区的用电需求。

表8 6 300 kVA市电供电中断后园区电负荷分析

2.3 一路8 000 kVA市电供电中断

在一路8 000 kVA市电供电中断情况下,园区10 kV 1#、2#母线并列运行,在低谷时段可开启内燃发电机保证园区的正常运行,在除去能源中心用电后,8 000 kVA市电供电中断后园区电负荷分析如表9所示。

表9 8 000 kVA市电供电中断后园区电负荷分析

根据表9数据可得,工况一、工况二、工况四园区10 kV母线的容量均大于9 383 kVA,可以满足园区的用电需求。工况三园区的10 kV母线容量可满足净化区3 047 kVA的用电需求,同时满足54.4%(3 449 kVA)的非净化区用电,非净化区一、二级负荷占整个非净化区负荷的50%左右,因此可以满足园区的用电需求。

2.4 能源中心损坏一台10/0.4 kV变压器

若能源中心两台10/0.4 kV变压器其中一台故障,根据负荷计算,另外一台变压器在工况一、工况二、工况四情况下可保证所有设备正常运行且负载率均低于85%;而工况三由于设备较多,当一台变压器故障时需关闭2台离心式冷水机组及对应的水泵、冷却塔,保证2台离心式冷水(热泵)机组的正常运行,且可保证净化区冷热负荷的要求及园外蒸汽的供给,此时另外一台变压器的负载率为112.8%,可在强制风冷的情况下短时运行。

3 结 语

本项目园区分布式能源中心属于建筑内部的能源中心,需服务于项目本身,同时提供项目周边地块部分能源,且医学园区本身属于生物制药租赁性质的园区,对末端用户有着诸多不确定性。通过园区及能源中心的用电负荷分析,总结了能源中心在四种工况下的用电量,描述了项目供配电系统的形成,从园区用电量角度出发描述了内燃发电机容量确定的过程,最终确定能源中心向园区售电取电的容量。另外通过园区及能源中心供电可靠性分析,描述了在一路市电供电中断时整个园区基本能够满足正常的运行,同时在一台变压器损坏时另一台变压器能够满足园区净化区冷热设备的供电。