综合能源站的电气设计研究

中海油石化工程有限公司 赵晓娟

1 引言

随着新能源汽车使用数量的增多，急需建设加油、加气和充电一体的综合能源站，并在降低碳排放，合理使用绿电的前提下，配套光伏发电系统。本站拟利用站内建筑屋顶，设置光伏发电装置一套，以补充站内的用电需求，结合用电情况和实际可用屋顶面积，计算光伏发电的装机容量。本文将主要阐述综合能源站电气设计的工作内容。

2 综合能源站的供配电系统的设计

2.1 用电负荷分级及供电方式

综合能源站的主要用电设备为加氢用电设备（氢气压缩机、加氢机冷水机组、压缩机冷水机组和加氢机、加气机、CNG 子站压缩机）、加油用电设备（加油机、潜油泵）、充电桩用电设备（充电机等）、道路及罩棚照明、站房（暖通设备、照明、电信系统、仪表自控系统等）等。本综合能源站根据规范[1]要求，大部分用电设备分为三级负荷，另外一部分为一级负荷，包括电信、仪表自控系统、应急照明，因此从附近市政高压电网引进一路10kV电源，供给三级负荷，电力与照明在母线上统一供电；电信系统、仪表自控系统供电采用UPS 电源；应急照明采用EPS或蓄电池供电。

2.2 配电系统的设计

根据负荷等级、总平面布置、不同电压等级的用电负荷分布、供电距离等因素，按380V 配电装置以允许配电半径布置的原则，同时结合工艺装置、辅助生产装置、公用工程等用电单位的用电容量及需求，安装一台干式变压器，负责整个站区供电，采用380/220V 系统单母线的接线方式，采用放射式向各装置区的低压用电负荷配电，接地型式采用TN-S[2]。计量方式采用无功补偿采用高、低压集中补偿，补偿后功率因数不低于0.95。本站利用站内建筑屋顶，设置光伏发电装置一套，以补充站内加氢工艺等用电要求。根据站所在地的总辐射能、光伏方阵面积、电池组件转换效率等计算出光伏方阵年发电量，转换为符合要求的交流电之后直接接入站内公共电网，供给本站的用电设备。

2.3 电缆截面及敷设方式的选择

2.3.1 电缆截面的选择

控制电缆截面选择的基本原则为：第一，交流电动机主回路导线或者电缆的载流量；爆炸危险区域环境内，1kV及以下的鼠笼感应电动机选择的电缆截面的长期载流量应满足Iz（电缆截面的长期载流量）≥1.25×Irm（电动机额定电流）；第二，电动机回路压降不应超过+5%～-5%；第三，当发生短路时，电缆要满足热稳定要求；第四，电缆的经济电流密度。

控制电缆截面选择的基本原则为：第一，满足机械强度要求，控制回路导体截面积为≥1.5mm2；第二，按电压降校验控制线路截面。

2.3.2 电缆敷设方式的选择

综合能源站内电缆采用铠装电缆直埋、穿管或沿电缆沟敷设。直埋敷设时埋于冻土层以下，电缆外皮至地面深度，必须为≥0.7m，过路时埋深1m以下；穿墙、出地面、穿越道路应穿热镀锌钢管保护。

电缆在与工艺管道平行敷设时dmin为1.0m，交叉时dmin为0.5m，电力电缆与通信线之间的dmin为0.1m。在爆炸危险环境区域敷设的电缆，应采取隔离密封措施；钢管配线时，在电机的进线口处应加防爆挠性连接管。对于落地式的充电桩[3]，应安装在车位左/右后方，充电设备基础室内高出地坪不宜低于50mm，室外基础不宜低于200mm。

3 照明系统的设计

综合能源站内的配电室、控制室、工具间、便利店、充电区、办公室、加气加油罩棚、卫生间及工艺装置区其照度标准值[3]；其中充电区、配电室、加气加油罩棚、控制室、便利店内设置应急备用照明，应急备用照明采用EPS 供电，其不间断供电时间要求为≥90min；其中配电室、控制室、楼梯间内设置消防应急照明和疏散指示系统，采用非集中控制电源供电，连续供电时间不应少于30min；配电室、工具间为200lx，控制室、便利店、办公室为300lx，充电区、工艺装置区为75lx，罩棚、卫生间为100lx。

4 防雷接地系统

4.1 防雷保护

4.1.1 站房防雷

站房按照三类防雷设计，站房屋面为混凝土结构，沿屋面敷设为≤20m×20m或24m×16m的网格。站房上安装太阳能光伏板，光伏板组件边框是金属材质，且高于屋面，雷电击中金属边框时，会击坏光伏组件。因此在站房屋面上设计接闪杆，根据滚球半径法计算杆的高度，布置接闪杆的位置需要考虑接闪杆保护的范围和接闪杆对光伏组件的影响。接闪杆通过引下线、接地体接入接地干线网。引下线采用柱内两根主钢筋（≥φ16）或明敷专设引下线热镀锌圆钢（≥φ10），通过接地体引入到接地干线。屋面金属设备、光伏发电系统的金属设备（设备外壳、光伏系统支架等）都要求可靠接地，并与联合接地体等电位连接。

4.1.2 加气加油罩棚防雷

加气加油罩棚按照二类防雷设计，加气加油罩棚为钢结构，应满足板间的连接是持久的电气贯通，还有在金属板下面如有易燃物品，热镀锌钢板的厚度应不小于4mm或者夹有非易燃物保温层的双金属板（上层金属板的厚度不小于0.5mm），利用屋顶自身做接闪器，与柱内钢筋可靠连接，采用混凝土柱内钢筋作为引下线，与接地网做可靠连接。

4.1.3 充电区的防雷

充电区按照三类防雷设计，充电区屋面为金属雨棚，金属雨棚的厚度达不到作为接闪器的要求，所以沿整个屋面设置接闪杆，接闪杆与引下线连接（钢柱作为引下线），并与接地干网做可靠连接。

4.1.4 工艺装置区的防雷

工艺装置区的油罐区、储氢罐等采用第二类防雷措施。油罐埋在地下，通气管都安装有阻火器，油罐和储氢罐材质为碳钢，壁厚大于4mm，利用油罐和储氢罐自身作为接闪器和引下线，并与接地网相连；根据工艺及管道专业条件，氢气放散管排放气体为氢气，管口距地为10m，无管帽，其中对接闪器作出了明显规定，详细界定了保护范围：针对无管帽类型，应设置半球体，集中在放散管上部，其半径一般为5m；本次设置了一根接闪杆对该管和管口上方半径5m 的半球体、顺序控制阀组、卸气柱、压缩机、冷冻机组、仪表风和氮气吹扫阀组等进行防雷保护；根据工艺及管道专业条件，放散管排放气体为天然气，管口距地为10m，带阻火器，其材质为铬镍不锈钢S30408，厚度大于4mm。在爆炸危险场所设置的放散管，尤其是增设了阻火器的类型，可以不采用接闪器达到防雷保护目的，但是需要连接屋面防雷设备。

4.2 防静电保护

在采取防静电接地时，相关设备和管道等应实现独立连接，主要是与接地干线等，避免采用串联接地方式。对一些加油站等的设备，如油罐车等，应在附近合理设置防静电接地装置，同时应配备各种检测仪器完成对这些装置的监视，确保其处于正常运行状态；对一些重要的进出管道或者危险场合的边缘位置，应采取防静电接地处理并合理设置接地电阻，使其低于100Ω。

储罐汽车周围要设计等电位连接装置（等电位连接板、专用接地线、接地线夹），作业前，连接储罐汽车的设备到等电位连接装置，作业后去除。

4.3 接地系统

室外接地干线采用-50×5 热镀锌扁钢，埋深0.8m，埋设深度应在冻土层以下。室内接地干线采用-50×5 热镀锌扁钢，沿墙0.3m 距地暗敷，过门处沿地面暗敷，要躲开电气插座或电信信息插座，接地支线的材料为热镀锌扁钢，规格为-40×4，埋地敷设，出地面处穿DN50 的硬质PVC 管保护。人工接地极需合理选择材质和参数为热镀锌角钢∠50×5，L为2.5m，接地极埋深0.8m，入口处埋深1m，埋设间距不小于5m，接地电阻不应大于4Ω。

5 综合能源站的爆炸危险区域划分

综合能源站的释放源主要集中在加氢流程、加油流程、加CNG 流程；根据工艺提出的介质性能、管道提出具体释放源位置、规范[4]等划分爆炸危险环境区域。

5.1 加氢流程爆炸危险环境划分

加氢流程释放爆炸危险气体的设备为加氢机（罩棚下）、高压氢气储罐（户外）、中压氢气储罐（户外）、撬装压缩机组（户外）、卸气柱（户外）；其中释放源是氢气，二级释放源，均为通风良好场所。加氢机、氢气卸气柱内部空间为1 区；氢气储罐设备本身为1 区；撬装压缩机组内为1 区。加氢机、氢气储罐及撬装压缩机组以外轮廓开始，往外延伸4.5m距离的空间内为2区。氢气储罐的放空管采用集中设置，从管口计算，四周延伸距离为4.5m，顶部延伸距离为7.5m的空间内为2区。

5.2 加油流程爆炸危险环境划分

加油流程释放爆炸危险气体的设备为加油机（罩棚下）、汽油储罐（埋地）和油罐车（户外）；其中释放源为汽油，二级释放源。汽油储罐（埋地）油品表面上部空间为0 区；油罐车同样设置该区域为0 区。对于加油机，应主要参考其下箱体位置，并将其中的空间作为1 区；对于汽油储罐，需要考虑其人孔（阀）井，并参考其中的空间，结合通气管口和密封卸油口，将其看作中心位置分别设置一定的球形区域，设置不同的半径，分别为0.75m 和0.5m，这些构成的区域为1 区；对于油罐车，考虑到通气口和密封卸油口，将其看作中心位置分别设置一定的球形区域，设置不同的半径，分别为1.5m 和0.5m，这些构成的区域为1 区。对于加油机，主要参考其中心线，以地面和设备下箱体顶部为参考位置，分别设置半径4.5m（3m）、0.15m 和1.5m，其共同构成的区域为2 区；对于汽油储罐，参考其人孔井，并考虑其边缘位置，距离设置为1.5m，参考地面位置，设置了1m 的高度，形成了一定的空间，有油气回收的装置，定义管口为圆心、半径为2.0m 的空间；定义封闭的卸油口为圆心、半径为1.5m 的空间，应划分为2 区，密闭卸油口设在卸油坑内时，坑内的空间应划分为1 区，坑口外1.5m 范围内的空间应划分为2 区；对于油罐车，考虑其通气口和密封卸油口，将其看作中心位置分别设置一定的球形区域，设置不同的半径，为3.0m 和1.5m，这些构成的区域为2 区。

5.3 加CNG流程爆炸危险环境划分

加CNG流程释放爆炸危险气体的设备为加气机（罩棚下）、储气CNG 井组（户外，并筒埋地）、CNG 压缩机组（户外）、卸气柱（户外）等。其中CNG 为二级释放源。加气机（罩棚下）、卸气柱（户外）的内部区域应划分为1区。储气CNG井组、加气机（罩棚下）、卸气柱（户外）的外壳为边界，距离四周区域为4.5m，高度上规定距离外壳上部边界的为5.5m，将其作为2 区。对于罩棚，如果其相对于地面达到不高于5.5m 的距离，应作为非防爆区，并主要集中在其上部。距CNG 压缩机组（户外）壳体水平方向4.5m以内并延至地面的空间，距压缩机壳体顶部以上7.5m的空间应划分为2区。

6 结语

本文对综合能源站的配电系统、照明系统、防雷接地系统及爆炸危险区域划分电气设计进行了分析和实施建议。随着新能源的创新式发展，综合能源站设施的阶跃式进步，综合能源站的理论设计和实际建设中、运行中遇到的问题，需要进一步研究适合综合能源站的发展需求的设计方案，以期保障综合能源站的安全稳定运行。