区域能源中心的电气设计分析

孟 强, 杨国荣, 衣健光

(华东建筑设计研究院有限公司, 上海 200011)

0 引 言

在我国提出2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”的宏伟目标下,各行业节能减排、降低碳排放的需求日趋增长。2018年全国建筑建材生产阶段、建筑施工阶段、建筑运行阶段能耗总量为21.47亿t,其中建筑运行阶段能耗为10亿t,占全国能源消费总量的21.7%[1]。在公共建筑全年能耗中,暖通空调系统的能耗占建筑总能耗的40%以上[2],暖通空调系统的节能对降低建筑运行能耗、减少碳排放量具有重要意义。

区域能源中心可对各种设备、系统、技术进行综合、集成、互补,实现能源的梯级利用、合理用能、科学用能、集中用能,具有极好的节能减排意义[3],许多区域能源中心项目正在全国范围内规划、实施和建设中[4]。能源中心中有大量的大容量电动机(冷水机组、水泵、冷却塔等),且设备运行工况复杂,合理高效地配置相应的电气系统,才能保证能源中心的可靠运行。本文基于国家标准对建筑物空调系统用电负荷等级的要求,提出用户分级方法,结合能源中心服务的不同业态,给出相应空调系统用电的负荷分级策略,总结能源中心的电气设计要点。

1 用户分级

民用建筑中各类建筑物的空调系统用电负荷级别主要依据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》(以下简称“民标”)附录A进行分级[5],各类建筑物的空调系统用电负荷分级如表1所示。

表1 各类建筑物的空调系统用电负荷分级

能源中心为一栋或多栋建筑物空调系统提供冷热源。各建筑物作为用能用户,空调系统用电负荷等级体现了对建筑物空调系统运行可靠性的要求,因此可按其服务的建筑物空调系统用电负荷等级划分为一级、二级、三级用户。

2 供能业态

由于用户需求的多样性,一个能源中心的用能用户可能包含一级、二级、三级中的一种或多种。上海地区实际工程中能源中心不同等级用户占比如表2所示。

表2 上海地区实际工程中能源中心不同等级用户占比

注:a根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》附录A[6],A级数据中心空调系统用电负荷级别等同于一级负荷中特别重要负荷,B级数据中心空调系统用电负荷级别等同于二级负荷;

b与民标稍有不同,根据JGJ 392—2016《商店建筑电气设计规范》第3.3.2条[7],中型商店建筑的空调系统用电负荷级别为三级;

c根据JGJ 62—2014《旅馆建筑设计规范》第6.3.1条1款[8];

d根据JGJ 64—2017《饮食建筑设计标准》第5.3.1条1款[9]。

注:a用户主要为数据中心;b用户主要为大型商业、酒店(四、五星级)、图书馆(藏书量超过100万册);c用户主要为办公、中小型商业、酒店、公寓、住宅。

由表2可见,大多数能源中心的三级用户占比超过50%;能源中心4的用户包含大量大型商业建筑,故二级用户占比较高;能源中心7、8的用户主要为A级数据中心,故主要为一级用户。

一级用户的应用场景较为特殊,对空调系统及其配电系统可靠性要求高,通常需设置独立的能源中心或空调系统,如能源中心7、8,因此一级用户与其他等级用户由同一能源中心供能的情况极少。按用户等级不同,可将能源中心分为四种常见供能业态:只含一级用户,只含二级用户,只含三级用户,同时含二级、三级用户。

3 负荷分级

3.1 空调系统用电

能源中心内主要为空调系统用电,其负荷等级决定了供电容量、系统构架、供配电设备,直接影响电力资源的用量与供配电系统的造价。电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电对人身安全、经济损失上所造成的影响程度进行分级[10],能源中心内的空调系统用电负荷等级应根据用能用户对可靠性的要求等进行分级。

在前三种供能业态下,只含一级、二级、三级用户中的一种,则能源中心的空调系统用电负荷等级对应为一级、二级、三级。

在第四种供能业态下,同时含有二、三级用户,能源中心内的空调系统用电按二级负荷供电会造成电力装机容量大、电气设备多、电力资源浪费;按三级负荷供电则会造成部分用户空调系统的可靠性、连续性不一定能得到保证。因此,统一按二级或三级负荷供电都是不合理的,需结合用户需求、电力资源情况具体分析。

能源中心可以是独立的一栋建筑,也可以附设于其他建筑内,考虑到建筑特征与应用场景,通常其消防、安防、事故相关用电设备的负荷等级不低于二级,其供电系统宜由两回线路供电;能源中心内用电负荷容量大、负荷密度高,两回线路供电能减小单路线路负荷容量,提高供电的可靠性。因此,在不考虑空调系统设备的负荷等级下,多数能源中心供电系统均为两回线路供电。

二级负荷中断供电将在经济上造成较大损失或影响较重要用电单位的工作,二级负荷的供电系统宜由两回线路供电[10],其核心是保证二级负荷设备的供电连续性,即在一路供电线路中断供电时,仍能保证二级负荷的供电。因此,二级用户对空调系统供电的要求可等效为对能源中心供能的要求,即能源中心一路供电线路中断供电时,仍能保证二级用户的供能。同理,三级负荷用户对供能的连续性无特殊要求。

典型能源中心供电系统示意图如图1所示。

图1 典型能源中心供电系统示意图

能源中心内设置4套空调系统,均按三级负荷设备供电,其中4台10 kV冷水机组平均分配在两段10 kV母线上,对应0.4 kV水泵、冷却塔等空调系统设备经10/0.4 kV变压器平均分配在两段10 kV母线上。当其中一路供电线路中断供电时,能源中心将还有2套空调系统设备可正常运行,供能能力减少为50%,在同时含二级、三级用户业态下,二级用户用能占比不超过能源中心供能能力的50%时,可通过切除三级用户的方式保障二级用户供能的连续性。此时,能源中心空调系统用电虽然按三级负荷供电,却能通过空调系统设备的冗余度达到二级用户的供能要求,最大化地利用电力资源。

同理,当能源中心内设置N套空调系统,空调系统设备由两回线路按三级负荷供电时,能源中心的二级用户用能占比最大值βmax为

(1)

当二级用户用能占比超过βmax时,可通过部分空调系统按二级负荷供电的方式予以补充,提高一路市电中断供电时可正常运行的空调系统比例,以满足用户用能需求。

能源中心为用户空调系统提供冷热源,用户对空调系统设备供电连续性的要求可等效转化为对供能连续性的要求,故能源中心内空调系统设备的负荷等级与用户等级可在一定程度上解耦,其负荷分级策略应结合供能业态重点考察用户供能的连续性。能源中心内空调系统设备的负荷分级策略如下:

(1) 在只含一种用户等级时,应与用户等级一致;

(2) 在同时含二级、三级用户,且二级用户用能占比不超过式(1)时,可按三级负荷供电,空调系统设备按组分配在两回供电线路上;

(3) 在同时含二级、三级用户,且二级用户用能占比超过式(1)时,可通过部分空调系统按二级负荷供电的方式予以补充,提高一路市电中断供电时可正常运行的空调系统比例。

3.2 特殊用电设备

能源中心内其他用电设备应参考民标相关要求进行负荷分级,特别是二级泵、阀门及自控系统用电由于其应用场景的特殊性,需结合用户等级做特殊考虑。能源中心内空调系统可视为一个能源池,当采用二级泵系统时,二级泵是将能源送至用户的核心设备,而阀门和自控系统设备是能源系统正常运行必要设备,因此其负荷分级及配电需特殊考虑:

(1) 在只含一种用户等级时,应不低于用户等级;

(2) 在同时含二级、三级用户时,应不低于二级负荷;

(3) 阀门及自控系统用电还需设置不间断供电装置。

4 供配电系统

4.1 负荷计算

负荷计算是电气设备选型的主要依据,一般民用建筑负荷计算只有一种工况。但是,能源中心可利用多种能源进行耦合,并通过不同时段不同能源的价格选择不同的运行方式,存在多种运行工况的可能。根据平、峰、谷分时电价时段划分,常见的有夏季平峰、夏季谷、冬季平峰、冬季谷四种运行工况,最大电气负荷可能出现在四种工况的任何一种。因此,能源中心的负荷计算需根据系统的运行工况计算各种工况下的负荷,并以其中最大负荷值进行电气设备选型。

4.2 短路电流计算

短路电流值是电气设备选型的重要参数,一般民用建筑中,异步电动机占比较小,电动机馈入对短路电流影响小,而能源中心中水泵、冷却塔类异步电动机占比较大,其影响需进行校验。以某能源中心为例,一台10/0.4 kV 1 600 kVA干式变压器最大运行工况下有1 200 kW异步电动机,假设10 kV系统短路容量为300 MVA,不考虑电动机馈入时变压器低压侧最大三相短路电流约为36.45 kA,考虑电动机馈入时约为53.24 kA。可见电动机馈入对三相短路电流影响较大,需按要求进行校验。此外,计算时还需注意:应按最大运行工况下计入异步电动机总量,静止变频器驱动电动机不计入[11]。

4.3 电力配电

能源中心中空调系统配电与用电设备的运行有很强的关联性,供配电系统需结合设备运行工况和设备间的关联关系进行配置,才能合理、高效供电。主要方法有如下方面:

(1) 成组配电,如一套制冷系统包含冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备,设备间可能存在一一对应或连锁运行关系,需将一套设备成组配电,即由同一电源供电,可避免考虑当一路电源中断供电时部分设备停止运行连锁影响多套系统停机;

(2) 错峰配电,将不同时运行的设备,如冬季运行与夏季运行设备,平峰电段运行与谷电段运行设备,配至一组变压器下,可以减少变压器装机容量;

(3) 分期配电,当能源中心内设备需分期投产时,相应电气设备需与之相匹配,考虑分期配电、分期投产的可能性。

4.4 无功补偿

为提高能源中心的运行效率,冷水机组、水泵、冷却塔等电动机会采用变频运行方式,同时为限制变频器谐波对其他设备的影响,可加装就地谐波处理装置。常用变频器电动机组有三种配置方案:方案一,变频器+电动机;方案二,变频器+电动机+无源滤波器,滤波后总谐波含有量不超过10%;方案三,变频器+电动机+无源滤波器,滤波后总谐波含有量不超过5%。

不同配置方案下,变频器电动机组的无功功率不同。以90 kW电动机为例,不配变频器时功率因数为0.8,满负荷运行无功功率约为67.5 kvar;配变频器,采用丹弗斯FC102变频器、AHF010无源滤波器、AHF005无源滤波器,通过MCT31软件进行仿真,不同工况下变频器电动机组的功率因数和无功功率如表3所示。

表3 不同工况下变频器电动机组的功率因数和无功功率

通过仿真数据可以得出:

(1) 变频器电动机组的功率因数会随着电动机负荷率的降低而降低;

(2) 配置无源滤波装置有利于改善变频器电动机组的功率因数;

(3) 方案一,无功功率最大值为43.7 kvar,约为不配变频器时的65%;

(4) 方案二、三,无功功率最大值为32.6 kvar,约为不配变频器时的48%。

综上,采用变频运行方式不仅有利于电动机节能,也有利于减小电动机运行时的无功功率,特别是配置无源滤波器时,无功功率减小更显著。因此,在无功补偿量计算时,需考虑变频器电动机组的配置情况,按需减少无功补偿的配置量,降低无功补偿装置设备投资。

5 结 语

能源中心的用能用户等级是空调系统用电负荷分级的主要依据,而不同的业态下,可结合电力资源情况,通过合理的供配电系统架构减少电气设备投资,提高能源中心供能的可靠性。在能源中心的规划设计中,应着重分析用户需求,将供电可靠性与供能可靠性有效融合,即达到用户的实际使用需求又节省电气设备投资。在供配电设计中,需结合能源中心设备特点及其运行工况,进行相关计算与设计。