張奐之, 王 斌

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司, 上海 200011)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,能源消耗量不斷增加,能源問題已成為制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素,我國政府提出了多元化、清潔化和高效化的能源發(fā)展戰(zhàn)略。其中分布式供能成為新能源行業(yè)的重要組成部分之一,相較于傳統(tǒng)供能有如下優(yōu)勢:節(jié)能減排;對電網(wǎng)具有調(diào)峰作用;可建設(shè)在地下室或屋頂,節(jié)約土地資源;提高用戶的供電可靠性;優(yōu)化能源系統(tǒng)的運行。

上海某醫(yī)學園區(qū)項目位于浦東張江地區(qū),總建筑面積16.3萬m2,以生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)為核心,園區(qū)內(nèi)有16棟標準工業(yè)廠房,其中1#～11#、14#～16#樓為6層,12#、13#樓為4層,1#～13#樓及對應(yīng)的地下車庫為一期建設(shè),14#～16#樓及對應(yīng)的地下車庫為二期建設(shè)。在園區(qū)內(nèi)1#樓地下一層建設(shè)分布式能源系統(tǒng),滿足園區(qū)用戶的冷、熱、蒸汽等能源需求且滿足園區(qū)周邊其他3個地塊的蒸汽需求,另本項目市政供電在用電高峰期存在部分容量缺口,內(nèi)燃發(fā)電機的電力輸出可保障園區(qū)用戶的電能供應(yīng),也可減輕當?shù)仉娋W(wǎng)的供電壓力,改善當?shù)仉娋W(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)和調(diào)峰性能。

1 用電負荷分析

1.1 園區(qū)與能源中心供電分界面

該項目在建設(shè)初期未考慮引入能源中心概念,由一家設(shè)計單位負責。但原先建造的另一個醫(yī)學園區(qū)由于電量不足已擴容兩次,投入大量的擴容費用。因此在后續(xù)設(shè)計中考慮引入能源中心概念,在保證園區(qū)供冷供熱的同時設(shè)置內(nèi)燃發(fā)電機解決用電量不足的問題,且可向周邊另外三個地塊企業(yè)輸送蒸汽。經(jīng)多方討論后確定能源中心與園區(qū)主體建筑分開設(shè)計,由此會牽涉到供電分界面的問題。在經(jīng)過多輪討論后,確定供電分界面如下:

(1) 由園區(qū)向供電局統(tǒng)一申請用電容量,按照當?shù)毓╇娋挚山o予的最大用電負荷,最終申請兩路獨立35 kV市政電源,一路為8 000 kVA,另一路為6 300 kVA,共14 300 kVA。

(2) 能源中心從園區(qū)10 kV高壓配電室引入兩路獨立10 kV電源,分界面為能源中心10 kV進線上樁頭(包括進線電纜)由能源中心負責。

(3) 能源中心內(nèi)消防設(shè)備電源,如應(yīng)急照明、疏散指示標志、防排煙風機、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等均由園區(qū)提供電源并配置到位。能源中心負責站內(nèi)閥門、能量計、流量計、自控系統(tǒng)電源、普通照明插座、空調(diào)、送排風機、排水泵等電源。

1.2 能源中心運行工況

能源中心在一年中不同季節(jié),一天中不同時段,其所開啟設(shè)備的臺數(shù)是不同的。該項目對能源中心進行了四種不同運行工況的分析,工況一為冬季峰平電價時段,工況二為冬季低谷電價時段,工況三為夏季峰平電價時段,工況四為夏季低谷電價時段。根據(jù)不同工況下園區(qū)所需的冷熱負荷,能源中心對應(yīng)開啟不同的設(shè)備,可得能源中心運行工況。能源中心運行工況如表1所示。

根據(jù)表1中不同工況下開啟的設(shè)備臺數(shù),可得能源中心不同工況下設(shè)備的用電量,能源中心用電量統(tǒng)計如表2所示。能源中心內(nèi)高壓設(shè)備在高峰期基本滿負荷運行,因此同時系數(shù)為1,另該項目高壓側(cè)設(shè)備均自帶無功補償裝置,因此高壓側(cè)功率因數(shù)可補償至0.95。能源中心內(nèi)低壓設(shè)備在高峰期時基本接近滿負荷運行,不過設(shè)備功率會比實際運行功率偏大,如某水泵運行功率需20 kW,實際選擇22 kW電機,另存在部分設(shè)備如閥門、排水泵等不在同一時間開啟,但此部分負荷畢竟少數(shù),因此低壓側(cè)設(shè)備的同時系數(shù)取值0.9較為合理,低壓側(cè)采用集中無功補償方式,將功率因數(shù)補償至0.95。根據(jù)上述條件,可得能源中心高低壓設(shè)備的計算負荷,見表2。

根據(jù)表2中可知,工況三下能源中心設(shè)備運行用電量最大,需設(shè)置2臺2 500 kVA 10/0.4 kV變壓器。

1.3 園區(qū)用電負荷分析

該項目以生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)為核心,建成后采用出租方式招商引資。由于在短期內(nèi)無法明確出租用戶,因此需通過調(diào)研及查閱相關(guān)規(guī)范要求,對園區(qū)各業(yè)態(tài)用電負荷進行預(yù)測計算。園區(qū)業(yè)態(tài)大致分為凈化區(qū)、辦公區(qū)及車庫區(qū),其中凈化區(qū)為生物制藥的潔凈區(qū),需要保持環(huán)境溫濕度的穩(wěn)定,因此凈化區(qū)的用電負荷隨時間變化影響很小,較為平穩(wěn)。

辦公區(qū)單位面積用電負荷根據(jù)文獻[1]第17頁6.3.2條及文獻[2]第15頁表2.7.6,按100 VA/m2,根據(jù)文獻[2]第15頁表2.7.6附注,由于園區(qū)采用能源中心集中供冷供熱,因此需去除25 VA/m2的空調(diào)單位面積用電指標,因此園區(qū)辦公區(qū)的單位面積用電指標為75 VA/m2。車庫區(qū)單位面積用電負荷根據(jù)文獻[1]第17頁6.3.2條及文獻[2]第15頁表2.7.6,按34 VA/m2。

表2 能源中心用電量統(tǒng)計

該項目附近有另一個生物制藥企業(yè),根據(jù)調(diào)研,其凈化區(qū)面積為整個項目面積的1/3,凈化區(qū)單位面積用電指標約為200 VA/m2,其中空調(diào)負荷約為112.5 VA/m2,其他負荷為87.5 VA/m2。根據(jù)文獻[3]第7頁表1.3-2,生物制藥建筑的單位面積指標為100 W/m2,功率因數(shù)cosφ取值一般在0.75～0.80,因此得出單位面積用電指標在130 VA/m2左右,但此指標為整個生物制藥建筑的單位面積用電指標,凈化區(qū)面積為整個項目的1/3,其余2/3面積的用電負荷指標按照辦公區(qū)進行計算,則凈化區(qū)單位面積用電指標為190 VA/m2;根據(jù)計算,本項目凈化區(qū)空調(diào)負荷約為100 VA/m2,因此凈化區(qū)不計空調(diào)負荷的單位面積指標為90 VA/m2。根據(jù)規(guī)范標準最終得到的90 VA/m2與調(diào)研的87.5 VA/m2非常接近,因此后續(xù)計算中凈化區(qū)的單位面積用電指標采用90 VA/m2。

表1 能源中心運行工況

綜上所述,可得整個園區(qū)引入能源中心前的用電負荷,引入能源中心前園區(qū)用電負荷計算如表3所示。同時可得整個園區(qū)引入能源中心后的用電負荷,其中能源中心按照用電量最大時段的工況三取值,引入能源中心后園區(qū)用電負荷計算如表4所示。

整個園區(qū)向電網(wǎng)公司申請的容量為14 300 kVA,根據(jù)表3可得在園區(qū)未引入能源中心的裝機容量需要17 200 kVA,申請的市政容量無法滿足園區(qū)的用電。根據(jù)表4,可得在園區(qū)引入能源中心后的裝機容量需要20 684 kVA,與申請的市政容量存在6 384 kVA的缺口,因此該項目考慮設(shè)置4臺1 500 kW的10 kV內(nèi)燃發(fā)電機用于填補用電的缺口,1 500 kW的內(nèi)燃發(fā)電機功率因數(shù)為0.8,可得4臺內(nèi)燃發(fā)電機的容量為7 500 kVA,保證在填補用電量缺口的同時剩余1 116 kVA的容量。遠期若租戶冷熱負荷持續(xù)增加或凈化區(qū)面積增大,剩余容量可擴建冰蓄冷所用,后期可增加1 000 kW的雙工況離心式冷水機組。

表3 引入能源中心前園區(qū)用電負荷計算

表4 引入能源中心后園區(qū)用電負荷計算

1.4 供配電系統(tǒng)與并網(wǎng)接入

園區(qū)由市政引入兩路35 kV電源,35 kV高壓側(cè)單母線分段,中間不設(shè)聯(lián)絡(luò);園區(qū)10 kV高壓側(cè)單母線分段,中間設(shè)置手動聯(lián)絡(luò)。能源中心由園區(qū)兩段10 kV母排上引入兩路電源,分別為4 342 kVA,能源中心10 kV高壓側(cè)同樣采用單母線分段,中間設(shè)置手動聯(lián)絡(luò)。能源中心內(nèi)4臺高壓冷水機組、2臺10/0.4 kV變壓器平均分配至兩段10 kV母排上,4臺10 kV內(nèi)燃發(fā)電機以2臺為一組分別接入兩段10 kV母排上。園區(qū)與能源中心供配電干線如圖1所示。

圖1 園區(qū)與能源中心供配電干線示意圖

內(nèi)燃發(fā)電機并網(wǎng)接入能源中心10 kV母排上,考慮到不上網(wǎng)設(shè)置的逆功率保護會使發(fā)電機經(jīng)常跳閘且園區(qū)本身用電有一定的可靠性要求,在過渡季的剩余電量可作為盈利收益,最終采用自發(fā)自用,余電上網(wǎng)的模式,在滿足能源中心用電后將剩余電量上傳至園區(qū)10 kV母排上供園區(qū)使用,待園區(qū)使用后剩余電量上傳至電網(wǎng)。

在確定內(nèi)燃發(fā)電機自發(fā)自用且余電上網(wǎng)后,根據(jù)供電局的要求設(shè)置部分并網(wǎng)接入的保護措施:

(1) 園區(qū)35 kV用戶站變壓器配置復(fù)壓閉鎖配變低壓側(cè)方向過流保護。

(2) 園區(qū)10 kV高壓配電室至能源中心的兩回10 kV線路兩側(cè)各一套主后合一保護裝置,光纖縱聯(lián)差動作為主保護,方向過流作為后備保護,并配置零壓保護。

(3) 當園區(qū)用戶站10 kV母線失電,站內(nèi)10 kV自切保護動作在跳開該失電母線進線開關(guān)的同時,跳開該失電母線至能源中心的10 kV集電線路。

(4) 能源中心內(nèi)燃發(fā)電機組的進線開關(guān)與能源中心10 kV集電線路進線開關(guān)實現(xiàn)聯(lián)跳功能。

1.5 能源中心向園區(qū)售電及取電分析

根據(jù)表4可得,除能源中心外園區(qū)的計算負荷為11 039 kVA。根據(jù)文獻[3]1.4節(jié)內(nèi)容及文獻[4]第18頁4.3.2條規(guī)定,考慮園區(qū)的用電負荷同時系數(shù)為0.85,因此除能源中心外園區(qū)的用電負荷約為9 383 kVA,其中凈化區(qū)的用電負荷約為3 047 kVA,非凈化區(qū)用電負荷約為6 336 kVA。

本項目實行峰谷電價,內(nèi)燃發(fā)電機在電價峰平時段運行,在電價低谷時段不運行,全由市政電源供電。在市政電源正常運行情況下,根據(jù)表2對不同工況下能源中心售電取電進行分析,能源中心售電取電分析如表5所示。

表5 能源中心售電取電分析

根據(jù)表5可知,在工況一與工況三下,內(nèi)燃發(fā)電機發(fā)出電量在能源中心消耗完后可向園區(qū)售電,在工況三夏季高峰時段基本能夠滿足能源中心自發(fā)自用,市政電源均供給園區(qū)使用。在工況二與工況四下,由于在用電低谷時段,不開啟內(nèi)燃發(fā)電機,能源中心使用市政電源,在工況四夏季低谷時段能源中心所消耗的3 021 kVA與園區(qū)所消耗的9 383 kVA,仍能保證在14 300 kVA的市政容量范圍內(nèi),且夏季晚上的用電量實際情況肯定小于9 383 kVA,因此使用市政電源即可,無需開啟內(nèi)燃發(fā)電機。

2 供電可靠性分析

醫(yī)學園區(qū)中由于存在凈化區(qū)且項目整體負荷等級為一級,因此需保證在一路市電失電情況下凈化區(qū)仍能正常工作,同時保證非凈化區(qū)的一、二級負荷的用電需求,對供電可靠性提出要求[5-8]?？紤]能源中心的冷熱負荷為凈化區(qū)服務(wù),同時還為附近另外三個地塊提供蒸汽需求,且能源中心還有內(nèi)燃發(fā)電機的存在,可實現(xiàn)自發(fā)自用,因此供電可靠性的分析可在除去能源中心用電后,對園區(qū)可用電容量進行研究。

2.1 正常運行方式

根據(jù)表1與表2,對能源中心0.4 kV低壓側(cè)進行負荷計算,能源中心10/0.4 kV變壓器負荷計算如表6所示。

能源中心的4臺高壓冷水機組平均分配在兩段10 kV母排上,同時根據(jù)表6可得,能源中心2臺10/0.4 kV變壓器各自承擔50%負荷。因此在后續(xù)供電可靠性分析時,表2中能源中心在四種工況下,兩段10 kV母排上的高低壓負荷均按照50%計算。而園區(qū)的用電負荷由于對末端用戶未知,在分析過程中同樣將園區(qū)用電均分在園區(qū)的兩段10 kV母排上。另遠期增加雙工況離心式冷水機組,對應(yīng)在低壓側(cè)增加400 kW配套水泵及冷卻塔,根據(jù)表6變壓器負載率,將400 kW平均分配在兩臺變壓器下,負載率達到81%左右,同樣滿足后期擴建發(fā)展。

表6 能源中心10/0.4 kV變壓器負荷計算

在園區(qū)正常運行方式下,兩路市電正常供電,1#市政電源為8 000 kVA,2#市政電源為6 300 kVA,園區(qū)10 kV 1#、2#母線分列運行,在除去能源中心用電后,正常運行方式園區(qū)電負荷分析如表7所示。

除能源中心外園區(qū)的用電負荷約為9 383 kVA,均分后園區(qū)每段母線耗電量約為4 692 kVA,其中凈化區(qū)用電為1 524 kVA,非凈化區(qū)用電為3 168 kVA。根據(jù)表7數(shù)據(jù)可得,在正常運行方式下,四種工況下園區(qū)的每段10 kV母線容量均大于4 692 kVA,可以滿足除能源中心外的園區(qū)用電負荷。

2.2 一路6 300 kVA市電供電中斷

在一路6 300 kVA市電供電中斷情況下,園區(qū)10 kV 1#、2#母線并列運行,在低谷時段可開啟內(nèi)燃發(fā)電機保證園區(qū)的正常運行,在除去能源中心用電后,6 300 kVA市電供電中斷后園區(qū)電負荷分析如表8所示。

根據(jù)表8數(shù)據(jù)可得,工況一、工況二、工況四園區(qū)10 kV母線的容量均大于9 383 kVA,可以滿足園區(qū)的用電需求。工況三園區(qū)的10 kV母線容量可滿足凈化區(qū)3 047 kVA的用電需求,同時可滿足81.3%(5 149 kVA)的非凈化區(qū)用電,非凈化區(qū)一、二級負荷占整個非凈化區(qū)負荷的50%左右,因此可以滿足園區(qū)的用電需求。

表8 6 300 kVA市電供電中斷后園區(qū)電負荷分析

2.3 一路8 000 kVA市電供電中斷

在一路8 000 kVA市電供電中斷情況下,園區(qū)10 kV 1#、2#母線并列運行,在低谷時段可開啟內(nèi)燃發(fā)電機保證園區(qū)的正常運行,在除去能源中心用電后,8 000 kVA市電供電中斷后園區(qū)電負荷分析如表9所示。

表9 8 000 kVA市電供電中斷后園區(qū)電負荷分析

根據(jù)表9數(shù)據(jù)可得,工況一、工況二、工況四園區(qū)10 kV母線的容量均大于9 383 kVA,可以滿足園區(qū)的用電需求。工況三園區(qū)的10 kV母線容量可滿足凈化區(qū)3 047 kVA的用電需求,同時滿足54.4%(3 449 kVA)的非凈化區(qū)用電,非凈化區(qū)一、二級負荷占整個非凈化區(qū)負荷的50%左右,因此可以滿足園區(qū)的用電需求。

2.4 能源中心損壞一臺10/0.4 kV變壓器

若能源中心兩臺10/0.4 kV變壓器其中一臺故障,根據(jù)負荷計算,另外一臺變壓器在工況一、工況二、工況四情況下可保證所有設(shè)備正常運行且負載率均低于85%;而工況三由于設(shè)備較多,當一臺變壓器故障時需關(guān)閉2臺離心式冷水機組及對應(yīng)的水泵、冷卻塔,保證2臺離心式冷水(熱泵)機組的正常運行,且可保證凈化區(qū)冷熱負荷的要求及園外蒸汽的供給,此時另外一臺變壓器的負載率為112.8%,可在強制風冷的情況下短時運行。

3 結(jié) 語

本項目園區(qū)分布式能源中心屬于建筑內(nèi)部的能源中心,需服務(wù)于項目本身,同時提供項目周邊地塊部分能源,且醫(yī)學園區(qū)本身屬于生物制藥租賃性質(zhì)的園區(qū),對末端用戶有著諸多不確定性。通過園區(qū)及能源中心的用電負荷分析,總結(jié)了能源中心在四種工況下的用電量,描述了項目供配電系統(tǒng)的形成,從園區(qū)用電量角度出發(fā)描述了內(nèi)燃發(fā)電機容量確定的過程,最終確定能源中心向園區(qū)售電取電的容量。另外通過園區(qū)及能源中心供電可靠性分析,描述了在一路市電供電中斷時整個園區(qū)基本能夠滿足正常的運行,同時在一臺變壓器損壞時另一臺變壓器能夠滿足園區(qū)凈化區(qū)冷熱設(shè)備的供電。