“双碳”目标下工业厂区供配电设计探讨.pdf

供配电汤坤元（），男，研究方向为建筑电气与智能化。“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 ）摘要：以某含氟新能源材料生产项目厂区的供配电设计为例，初步设计两个不同的供配电设计方案，然后从初始建设投资、运营期间的设备运行成本、系统运行安全性可靠性、后期维护或检修的便利性可行性等方面进行分析对比，结合本项目平面布局及用电负荷分布情况，选择最佳的供配电方案。此外，从供配电系统的主要设备选型、配电线路材料、园区室外照明灯具选择等方面，紧紧围绕低碳节能及可持续发展，以实现“双碳”目标为基本目标。关键词：供配电；配电室；铝合金电缆；玻璃钢桥架中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：引言该项目为含氟新能源材料生产项目，总用地面积 ，总建筑面积 ，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 层。主要设计依据主要设计依据如下：行业主要规范有：（年版）建筑设计防火规范，低压配电设计规范，爆炸危险环境电力装置设计规范，供配电系统设计规范，及以下电力用户业扩工程技术规范。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。工艺、水、暖专业设备提资资料，项目建设分期等。供配电设计 年 月 日，中国在联合国大会上提出，二氧化碳排放力争于 年前达到峰值，努力争取 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 主要的设计思路有：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；供配电系统 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。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，比如甲供配电类车间七设有电机 台，电源电缆、控制电缆共有 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 所示。表 主要甲类车间变频电机线缆统计动力电源电缆 风机电源电缆 启停控制电缆 调速控制电缆 甲二车间 甲六车间 甲七车间 甲八车间 罐组区 合计 该方案集中配电、集中控制的做法，可能带来后果有：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；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；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“建筑防火设计规范 中第 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 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 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 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 所示。图 甲类车间八一层平面图经过方案比选，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。配电站房布置根据“建筑防火设计规范中第 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 建筑防火设计规范 中第 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：市政电力网络 线路引入线路较短且输电线路走廊 合理可行；与其中 个配电室贴邻设置，减少配电站房布点数量；靠近 用电负荷中心，动力车间单体内有多台 用电设备，其设备功率合计达到 ；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 配电室相邻布置。厂区主要车间用电负荷统计如表 所示。本项目总装机负荷为 ，变压器负载率控制在 范围内，采用集中电容补供配电图 方案一和方案二的供配电方案系统示意图表 厂区主要车间用电负荷统计 用电场所设备功率用电场所设备功率用电场所设备功率动力车间（）甲类车间六 丙类车间五 动力车间（）甲类车间七 丙类车间六 甲类车间一 甲类车间八 罐组区 甲类车间二 丙类车间一 综合车间一 甲类车间三 丙类车间二 综合车间二 甲类车间四 丙类车间三 综合车间三 甲类车间五 丙类车间四 办公楼质检楼 偿 ，功率因数达到 以上。开关站及配电室布置平面图如图 所示。由图 可知，在动力车间设置开关站及配电室（），综合车间一设置配电室（），丙类车间四设置配电室（），丙类车间五设置配电室（），丙类联合厂房设置配电室（）。供配电材料选择 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 ，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 年，是金属桥架的两倍）、安装方便且成本低（比重仅为碳钢的 ，施工中无须动火，单根桥架长度可达，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 ，室外管廊玻璃钢桥架总计 ，整个项目节省造价约 万元。电力电缆根据“民用建筑电气设计标准 第 条”要求，配电干线除消防系统、甲供配电图 开关站及配电室布置平面图类厂房、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：价格便宜。铜杆是铝杆价格的 倍、铜的比重又是铝的 倍，所以铝芯电缆比铜芯电缆便宜，其价格为铜电缆的 ；重量轻。相同规格铝芯电缆的重量是铜芯电缆的 ，施工运输成本低，易安装；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 倍；机械性能好。铝合金电力电缆的弯曲半径最小为 倍电缆直径，优于铜的 倍，更易于敷设。铝合金电力电缆的抗拉强度为铜芯电缆的 倍，延伸率能达到或超过 ，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 ，共节省材料成本约 万元。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 ，铜矿是 ，铝土矿是 ，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。节能设备选择实现工业节能 ，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 ，占工业用电的 。”电机能效提升计划（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 及以上的电机，采用可调节（）软起动器，把起动电流控制在额定电流 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（）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：（）式中：变压器额定空载损耗或铁损；变压器额定负载损耗或铜损；变压器寿命期间空载损耗每千瓦的资本费用；变压器寿命期间负载损耗每千瓦的资本费用；变压器初始购买费用，变压器使用寿命以 年计）。经计算，取值 元 ，取值 元 。以 容量的变压器为例，变压器参数对比如表 所示。供配电表 变压器参数对比表变压器型号（）能耗等级空载损耗 负载损耗 月空载损耗电费 元月负载损耗电费 元产品指导价 元 元 旧国三 旧国二 旧国三 旧国一 新国一 注：月损耗电费 ，电费按 元 计本项目共用 台变压器，经计算、比选，采用 系列干式变压器，工程造价共节省约 万元。全密闭低损耗节能的 系列干式变压器较 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。系列变压器损耗低，空载损耗比 型产品降低 以上，负载损耗比 型产品降低 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 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 台，除 台 、台 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 。甲类车间八设有电机 台，除 台 、台 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 。按照变频电机节电 计算，全年运行 ，电费按 元 计，则以上两个车间全年节省电费约 元，与初始变频器投资 相 比（变 频 电 机 比 普 通 电 机 价 格 高 约 ），约 年时间即可收回比普通电机增加的初次一次性投资，年之后每年可以节省 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 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 所示。表 太阳能光伏路灯与普通路灯成本对比元初次投入成本每年电费每年维护费用 一年总费用二年总费用三年总费用四年总费用 五年总费用太阳能路灯 普通路灯 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 。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。梁静 基于成本分析的工业园区供电方案探讨 建筑电气，（）：供配电 王籨翔，李永恒，王智，等 工厂供配电系统运行和维护的安全技术要求分析 中国设备工程，（）：张迪，张睿卓，龙云涛，等 输电线路走廊山火监测遥感技术应用现状 世界科技研究与发展，（）：叶阳 电容补偿在配电系统的应用 机电信息，（）：魏双林 高性能玻璃钢电缆桥架问世 中国矿业报，（）工业节能监察办法 大众用电，（）：黄开胜，吴斌，黄志峰，等 积极采用变频器专用电动机节约电能 机械开发，（）：收稿日期：“”（，）：，“”：；檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 （上接第 页）（，）：，：；