建筑机械设备电气工程自动化供配电节能控制分析

丰 啸

山东华邦建设集团有限公司,山东 潍坊 262500

0 引言

建筑物中设计有多重类型的电气机械设备,传统的人工控制模式未能充分利用电能,导致能耗偏高。在供配电设计中,一方面应降低变压器、电力线缆等设备本体的能耗,另一方面则是广泛应用电气自动化技术,实现电气机械设备智能化控制,进而达到节能运行的目的。基于此,本文以某五星级酒店为例,探讨基于机械设备电气工程自动化的供配电节的设计与控制及引入智能化控制模式,提出相关设计方案,结果显示设备能耗显著降低。

1 工程背景及能耗特点分析

1.1 工程背景

某五星级酒店分为地上和地下2个部分,地上部分的建筑面积达到4.2万m2,地下部分的建筑面积约为0.9万m2,其总高度为44.8 m,属于高层建筑。酒店负荷等级分为3个级别,门厅、客房、厨房、餐厅、健身房按照一级负荷进行设计,锅炉、空调系统以及洗衣房的动力设备按照二级负荷进行设计,其他电气机械设备均属于三级负荷。

1.2 能耗特点

该酒店在设计建造阶段充分评估了同类建筑工程的电气设备能耗特点,统计分析空调、照明、电梯、通风、设备的能耗情况。表1为同类酒店项目电气机械设备的能耗统计结果。从表1可知,照明、设备、电气、通风的能耗随时间的变化较小,基本呈现出稳定的趋势,而空调设备的能耗与时间存在一定的关联,5—9月的能耗明显高于其他月份。

表1 典型酒店工程电气机械设备能耗分类统计结果 单位:kW·h/m2

2 基于机械设备电气工程自动化的供配电节能设计与控制

2.1 供配电系统设计方案

2.1.1 负荷计算

供配电系统的设计方案主要取决于酒店的负荷水平,可分别根据建筑功能区域和电气机械设备统计负荷指标。从功能分区的角度看,酒店大堂、宴会厅、游泳池、高级客房、普通客房的负荷水平较高,分布在80～160 VA/m2。电气机械设备包括冷冻水泵、冷却水泵、电梯、送排风机、空调以及洗衣设备等,其负荷统计结果如表2所示。对所有的设备容量进行求和,结果记为P,则无功功率Q=P·tanφ,其中φ为功率因数的正切角,tan为正切函数[1]。将酒店总负荷记为S,则S的计算方法为:

表2 酒店建筑项目主要电气机械设备负荷指标

(1)

2.1.2 供配电节能设计方案

1)变压器系统节能设计方案。变压器自身能耗以及变压器的安装位置能够影响供配电系统的整体能耗水平。变压器安装在变电所内,为了降低线路损耗,应尽可能将变电所设置在各类负荷的几何中心处,以减少线路总长度[2]。然而,实际情况下的线路分布通常具有不规则性。综合考虑能耗控制和噪声控制的情况下,将变电所设置在酒店地下室一层,变压器数量共计4台,每2台为1组。地下室与各个负荷点的距离较近,有利于控制线路损失。

对于变压器设备选型问题,根据相关规范,配电变压器的长期工作负载应控制在85%以下。该酒店2组变压器执行不同的任务,一组为季节性的电气机械设备供电,主要为空调;另一组为常规的电气设备供电,包括照明、给水、通风等设备。根据负荷计算的结果,季节性负荷采用2台1 250 kVA的变压器,常规负荷采用2台1 000 kVA的变压器,4台设备均属于SCRBH-15系列,该系列变压器为节能油浸式变压器,具有良好的低损耗运行能力,能够促进供配电系统节能控制。

2)电源设计方案。该酒店电源分为市电电源和自备电源。市电电源为10 kV高压线路,共设置2路,每路均能完全负载酒店的所有负荷。从市政开关柜引出10 kV供电电源,经酒店变压器降压后,引出400 V低压线路。酒店自备电源为UPS和1 200 kVA的柴油发电机,UPS的短时供电时长可达到30 min以上,柴油发电机能够替代1组变压器电源,启动后10 s内即可实现供电。

2.1.3 电缆计算与选型

在供配电系统中,电力电缆可产生一定的线损失,导致能耗水平偏高,并且随着运行时间的不断延长,线损失呈现出累积效应[3]。通过严格的理论计算,能够为电气机械设备配置更为合理的电缆,从而降低线损。以下通过低压电缆选型,论证电力线缆的节能设计方法。

1)配电系统短路电流计算。当配电系统处于最大负荷水平时,假设其0.4 kV出线侧母线发生短路,此时应计算相应的短路电流,以确保电缆可承载的电流上限。短路容量基准值SB取100 MVA,B、C两相的电压为UB=UC=0.4 kV。则0.4 kV线路在短路情况下的基准电流计算方法为:

(2)

式中:SB为B点负荷;UB为B点电压;IB为B相的基准电流,计算结果为144.34 kA。

1组变压器由2台设备组成,变压器阻抗的计算方法为:

(3)

式中:XT1和XT2分别为同一组中2台变压器的阻抗;Ud为变压器短路阻抗百分值,取值为6%;Sbe为变压器额定容量,取值为1 000 kVA。将以上参数代入式(3),求得XT1=6 Ω。

每千米电缆的电抗值记为X01,取值为0.08 Ω/km,变电站0.4 kV电缆的长度记为L,取值为50 m,则低压出线侧的线路阻抗计算方法为:

(4)

式中:XL1、XL2为同一组中2台变压器低压出线的阻抗值,计算结果为XL1=0.63 Ω。变压器10 kV线路最大短路容量记为Soc,取值为300 MVA,其阻抗XS=SB/Soc=0.33 Ω。整个系统的阻抗按照式(5)进行计算。

Xtol=XS+(XT1+XL1)//(XT2+XL2)

(5)

式中:Xtol为系统总阻抗;符号“//”表示并联电阻求总电阻运算。将各参数代入式中,Xtol=3.62 Ω。

0.4 kV低压侧母线出口短路电流Id=IB/Xtol=144.34/3.62=39.87 kA。0.4 kV低压侧短路冲击电流的峰值记为Ich,则该指标的计算方法为:

(6)

式中:Kch为冲击系数,取值为1.3,Ich=71.77 kA。0.4 kV侧短路电流最大有效值的计算方法见式(7)。

(7)

式中:Itol为短路全电流最大有效值,计算结果为43.45 kA。

2)电缆选型结果。根据以上计算结果,0.4 kV低压线路的型号为ZR-YJV22-0.6/1 kV,该电缆的载流量可达到2.74 kA,最大允许电流为102.9 kA,大于冲击电流峰值。并且该电缆的载流量略大于设计值,有利于降低线损。

2.2 电气自动化供配电能耗管理平台应用

2.2.1 照明设备供配电自动化控制设计

1)照明智能控制流程。照明设备在酒店能耗中的占比较高,仅次于空调系统。该酒店在照明管理中引入自动化、智能化的控制模式,整体的控制流程为:系统初始化—设定系统参数并发送控制指令—判断是否开启智能控制模式—如果接收到相关指令,则开启智能控制模式—灯具智能供配电[4]。

2)照明智能控制实现方案。在智能控制中引入照度传感器、红外传感器,型号分别为IL/50-1、IR/50-1.A、IR/50-2.A,由传感器感应照明设备的运行状态,将信号传输至智能照明控制器,再经过时钟控制模块、调光控制器、开关控制器,作用于现场设备。开关控制器决定灯具是否开启或者关闭,调光控制器用于调节照度,时钟控制器用于调节照明时长[5]。

2.2.2 空调系统供配电自动化控制设计

酒店采用中央空调系统,由冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、空调主机、风机盘管组成。中央空调系统支持自动控制模式,由变频器、水泵机组、温度检测装置、PLC控制器、A/D模块、D/A模块组成。操作人员可通过计算机人机界面选择是否开启自动控制模式,并实时监测能耗水平。供配电系统通过TCP/IP协议与中央监控计算机实现交互,空调系统的各种智能测控仪表经过RS485总线与中央监控计算机实现交互。可见,计算机监控系统是自动化控制的核心,能够实现供配电系统、空调设备、水泵的协同控制,进而降低运行能耗。

3 节能效果分析

3.1 空调系统节能效果分析

采用自动化智能控制模式后,对比传统运行模式,得到该酒店空调系统的节能数据,如表3所示。显然,该酒店空调系统采用自动化控制模式后,供配电系统的运行总能耗明显下降。

表3 酒店空调系统节能数据 单位:kW·h

3.2 照明系统节能效果分析

以酒店总统客房、高级客房和普通客房的节电效果为分析对象,对比传统手动控制模式和智能照明控制模式运行1周的用电量,结果如表4所示。从表4可知,采用智能供配电模式后,3类客房照明系统的能耗水平明显下降。

表4 酒店客房节能数据

4 结论

由本文分析可知,为实现建筑供配电系统的节能控制,可采取2条实施路径。①针对变压器、电力线缆等供配电设施,应制定节能设计方案,如降低线损、采用节能型变压器。②对空调、照明、通风等电气机械设备设计自动化、智能化的控制模式,可实现各类设备的低功耗运行。