“双碳”目标下工业厂区供配电设计探讨

汤 坤 元

(福州理工学院, 福建 福州 350000)

0 引 言

该项目为含氟新能源材料生产项目,总用地面积136 022 m2,总建筑面积66 886 m2,项目主要由办公楼、研发楼、质检楼、生产车间、罐组区、室外管廊等组成,车间有甲类车间、丙类车间、普通生产车间,建筑层数为1～5层。

1 主要设计依据

主要设计依据如下:① 行业主要规范有:GB 50016—2014(2018年版)《建筑设计防火规范》,GB 50054—2011《低压配电设计规范》,GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》,GB 50052—2010《供配电系统设计规范》,DB35_T_1536—2016《10 kV及以下电力用户业扩工程技术规范》。② 建设单位设计任务书,业主要求所有电机类设备配电均从变配电房直接配出。③ 工艺、水、暖专业设备提资资料,项目建设分期等。

2 供配电设计

2020年9月22日,中国在联合国大会上提出,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”,即“双碳”目标。中国作为最大的发展中国家,要实现这一“双碳”目标,任务异常艰巨,而工业又是“双碳”目标的关键所在。

基于“双碳”目标的要求,工业园区供配电[1]主要的设计思路有:① 初始投资尽量少,变配电设施在满足生产运行要求条件下,做到不过度预留不浪费。如合理布置配电站房,减少电缆的用量,配电材料、配电设备的选择做到经济合理;② 供配电系统[2]运行环保节能,选择性能好寿命长的变配电设备,如变压器、电机等的选择既考虑一次性的投入成本,也兼顾后续生命周期持续运行的成本。

2.1 配电方案选择

方案一:甲类车间动力设备的配电不设置配电总柜(控制柜),不在车间单体就地设置配电间,每个车间动力设备的电源均单独设置电源线到配电室低压出线柜(控制柜),进行集中配电。这样从每个车间出来的电缆数量非常多,比如甲类车间七设有电机122台,电源电缆、控制电缆共有473条。几个车间电缆汇聚到变配电室后,数量庞大,整个厂区的电缆用量也非常多。主要甲类车间变频电机线缆统计如表1所示。

表1 主要甲类车间变频电机线缆统计

该方案集中配电、集中控制的做法,可能带来后果有:① 电缆数量太多且外径较小,大量“堆积”几乎没有空隙,对其散热带来了很大的影响,特别是夏天高温时,对于敷设在室外廊架的电缆,无疑是一种致命的伤害;② 电缆“堆积”在一起,盘根错节,其中一个回路出现线路故障,电缆无法抽出更换;③ 电缆用量多,人工成本及材料成本高,而且施工难度大。

方案二:根据“GB 50016—2018《建筑防火设计规范》中第3.3.8条:变、配电站不应设置在甲、乙类厂房内或毗邻,且不应设置在爆炸性气体、粉尘环境的危险区域内。供甲、乙类厂房专用的10 kV及以下的变、配电站,采用无门、窗、洞口的防火墙分隔时,可一面贴邻,并应符合GB 50058《爆炸危险环境电力装置设计规范》等标准的规定。”甲类车间八一层平面图如图1所示。因甲类车间基本没有建筑外墙,仅有疏散楼梯有封闭隔墙,可在一层楼梯间外墙设置配电间,一面贴邻本建筑,设置本楼总配电柜及变频控制柜(数量依据现场电机需求设置),从总配电柜配出电力电缆到电机、变频器控制柜,这样从配电室到每个车间总配电柜的回路数及电缆数量大大减少,且从变频器控制柜到电机及现场控制按钮的电缆数量相对分散,不会全部集中到廊架上再敷设到厂区总变频器柜室,电缆长度大大缩短,减少了投资成本,也便于后期维护。方案一和方案二的供配电方案系统示意图如图2所示。

图1 甲类车间八一层平面图

图2 方案一和方案二的供配电方案系统示意图

经过方案比选,从建设成本、后期维护、系统运行安全等角度综合考虑,最终选择了方案二的供配电方案。

2.2 配电站房布置

根据“GB 50016—2018《建筑防火设计规范》中第3.3.8条“变、配电站不应设置在甲、乙类厂房内或贴邻,且不应设置在爆炸性气体、粉尘环境的危险区域内”的要求,变配电房不设置在甲类车间所在建筑,均设置在相邻建筑内,距离满足GB 50016—2014《建筑防火设计规范》中第3.4.1条规定。

配电室的设置以用电负荷为中心,分区域就近设置配电室,减少配电电缆长度。如甲类车间七、甲类车间八用电负荷较大,在隔壁丙类车间四、丙类车间五设置相应的配电室。

开关站的设置主要考虑以下因素:① 市政电力网络10 kV线路引入线路较短且输电线路走廊[3]合理可行;② 与其中1个配电室贴邻设置,减少配电站房布点数量;③ 靠近10 kV用电负荷中心,动力车间单体内有多台10 kV用电设备,其设备功率合计达到9 191 kW;④ 居于其他几个配电室的中间位置,减少高压配电电缆长度。

根据以上几方面的考虑,开关站设置在动力车间单体内,与1#配电室相邻布置。厂区主要车间用电负荷统计如表2所示。

表2 厂区主要车间用电负荷统计 kW

本项目总装机负荷为24 700 kW,变压器负载率控制在75%～85%范围内,采用集中电容补偿[4],功率因数达到0.9以上。开关站及配电室布置平面图如图3所示。由图3可知,在动力车间设置开关站及配电室①(4×2 500 kVA),综合车间一设置配电室②(2×1 250 kVA),丙类车间四设置配电室③(2×2 000 kVA),丙类车间五设置配电室④(2×2 500 kVA),丙类联合厂房设置配电室⑤(2×1 600 kVA)。

图3 开关站及配电室布置平面图

2.3 供配电材料选择

2.3.1 电气桥架

居于生产环境及大量的室外廊架布线,所有电力桥架均采用玻璃钢电缆桥架[5],玻璃钢桥架由玻璃纤维增强塑料和阻燃剂及其他材料组成,通过复合模压料加夹不锈钢屏蔽网压制而成。玻璃钢桥架与铁制桥架相比,具有使用寿命长(一般设计寿命为20年,是金属桥架的两倍)、安装方便且成本低(比重仅为碳钢的1/4,施工中无须动火,单根桥架长度可达6 m,甚至更长)、切割方便无须明火作业、无须维护、强度高、绝缘性能好、耐化学腐蚀等诸多优点。该厂区室内玻璃钢桥架总计8 450 m,室外管廊玻璃钢桥架总计3 800 m,整个项目节省造价约24.5万元。

2.3.2 电力电缆

根据“GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》第7.4.1条”要求,配电干线除消防系统、甲类厂房、甲类仓库的配电采用铜芯电缆之外,其余丙类厂房、综合车间、办公楼、研发楼等的配电干线电缆均采用铝合金电缆。铝合金电缆是采用特殊紧压工艺和退火处理等先进技术的新型材料电力电缆,弥补了以往纯铝电缆的不足,与铜芯电缆的性能比较具有如下:① 价格便宜。铜杆是铝杆价格的3.5倍、铜的比重又是铝的3.3倍,所以铝芯电缆比铜芯电缆便宜,其价格为铜电缆的50%～75%;② 重量轻。相同规格铝芯电缆的重量是铜芯电缆的40%,施工运输成本低,易安装;③ 抗氧化且耐腐蚀。铝在空气中与氧反应,很快生成一种氧化膜,能防止进一步氧化,抗腐蚀能力为铜芯电缆的10～100倍;④ 机械性能好。铝合金电力电缆的弯曲半径最小为7倍电缆直径,优于铜的10～20倍,更易于敷设。铝合金电力电缆的抗拉强度为铜芯电缆的1.3倍,延伸率能达到或超过30%,增强长跨距安装的可靠性、美观性。本项目中采用铝合金电缆的总长度达到89 230 m,共节省材料成本约700万元。2013年,我国铁矿、铜矿、铝土矿的进口量按照统一的金属品位折算,对外依存度铁矿是71%,铜矿是59%,铝土矿是48%,铝合金电缆代替铜芯电缆,一定程度上减少了铜矿产资源的使用。

2.4 节能设备选择

实现工业节能[6],推动工业绿色发展,高效电机将发挥重要作用。“中国电机每年耗电量占全社会用电量的69%,占工业用电的75%。”《电机能效提升计划(2021—2023年)》中要求,引导企业实施电机等重点用能设备更新升级,优先选用高效节能电机,加快淘汰不符合现行国家能效标准要求的落后低效电机。

本项目中,车间、泵房等单台额定功率30 kW及以上的电机,采用可调节(1～60 s)软起动器,把起动电流控制在额定电流2～3倍的范围内,以减轻电机起动时对电网的冲击,改善供电质量。

采用总拥有费用(TOC)计算法作为变压器选择参考依据,即变压器的初始投资和其在使用期内的损耗费用之和,如下式所示:

TOC=C+A×P0+B×PK

(1)

式中:P0——变压器额定空载损耗或铁损;PK——变压器额定负载损耗或铜损;A——变压器寿命期间空载损耗每千瓦的资本费用;

B——变压器寿命期间负载损耗每千瓦的资本费用;

C——变压器初始购买费用,变压器使用寿命以20年计)。

经计算,A取值48 672元/kW,B取值17 668元/kW。以630 kVA容量的变压器为例,SCB10-SCB14变压器参数对比如表3所示。

表3 SCB10-SCB14变压器参数对比表

本项目共用12台变压器,经计算、比选,采用SCB14系列干式变压器,工程造价共节省约48万元。全密闭低损耗节能的SCB14系列干式变压器较SCB9～SCB13系列变压器铁芯截面积增大,空载电流降低,降低了空载损耗。SCB14系列变压器损耗低,空载损耗比SCB10型产品降低25%以上,负载损耗比SCB10型产品降低35%以上,节能效果明显,运行经济,免维修。

采用专用变频感应电动机[7]加变频器的交流调速方式,使机械自动化程度和生产效率大为提高,同时也减少电能损耗。甲类车间七设有电机122台,除2台110 kW、3台220 kW电机采用常规电机外,其余全部选用变频电机,总设备功率为3 470 kW。甲类车间八设有电机81台,除3台200 kW、1台90 kW电机采用常规电机外,其余全部选用变频电机,总设备功率为2 213 kW。

按照变频电机节电25%计算,全年运行4 320 h,电费按0.57元/kWh计,则以上两个车间全年节省电费约3 498 455元,与初始变频器投资相比(变频电机比普通电机价格高约30%),约1年时间即可收回比普通电机增加的初次一次性投资,1年之后每年可以节省350万元的用电运行成本。

厂区道路照明选用光伏太阳能路灯,光源采用LED光源,设置光敏感应元器件,根据自然光环境照度自行开启、关闭。正常天气条件下,由光伏板供电提供照明电源,极端天气情况下光伏板电源耗尽时由市电供电。太阳能光伏路灯与普通路灯成本对比如表4所示。

3 结 语

工业是能源消耗和碳排放的主要来源,工业能源消耗占全国能源消耗的约70%。工业厂区的供配电设计方案是否合理,不仅关系到项目初始减少投资,而且关系到后续长时间运行的成本,应多方面推敲对比,从配电站房及配电间设置、电缆选择、用电设备选择等方面着手,以“双碳”为目标,做可持续低碳节能的供配电设计。