E-House的設計及應用探討

孫靖宇，王宇佳

（北京首鋼國際工程技術有限公司；北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心，北京 100043）

1 前言

首鋼秘鐵公司為保證1000萬t/a淡水選礦精礦生產能力的需要，配套建設一個產能為20000 t/d的海水淡化廠。首鋼秘魯鐵礦位于太平洋東海岸，礦區周圍為沙漠，氣候為濱海沙漠型，常年干旱無雨。鑒于工程所在地資源緊張、人工費用昂貴、工程工期緊等原因，工程開始設計之初，就提出工程供配電系統設備采用E-House的想法。

2 E-House的概念

E-House起源于20世紀90年代模塊化工廠的概念，由于不同國家或行業使用的習慣不同，E-House在實際使用中存在著多種叫法，如美國市場稱其為 PDC（Power Distribution Center），澳大利亞市場稱其為Power House，歐洲市場稱其為E-House，石化行業的預制式撬塊，配電應用的預裝式電氣房等等，但無論在實際工程中采用的何種叫法，它們的特點和價值定位是一致的，可以統一歸屬為E-House的應用。E-House是一個集成的、工程化的電氣解決方案，是一個安裝在預制的、緊湊的、可運輸的、客戶化定制的、具有正壓和空調的外殼內的系統。在不同的環境條件下為客戶提供持續的供電、監視和控制。

由于E-House的制造及電氣設備的安裝均在工廠內完成，整體測試通過后再發運到現場，減少了土建的工作量及周期，縮短了工廠的建設周期和時間、成本，使工廠能更早地運營獲利，是傳統水泥砌筑的開關室/變電站的高質高效替代。

2.1 E-House的構成要素

（1）E-House的建造通常包含以下設備：

房體底座框架和內外墻板搭建；

暖通空調系統/火警安防設備；

輔助電源及內外照明；

支撐柱/扶梯平臺；內部互連電纜。

（2）E-House內部可安裝的電氣設備包含以下設備：

中壓開關柜；

低壓開關柜；

UPS和直流電源；

變頻器；

電能監控系統SCADA、PLC；

其他業主要求的設備。

圖1顯示了E-House的整體構造和內部設備布置情況。

圖1 E-House構造圖

2.2 E-House和傳統箱變的區別（見表1）

2.3 E-House產品類別

E-House產品可以細分為如下幾種：集裝箱式解決方案、模塊化設計方案、單體大尺寸結構。

（1）集裝箱式解決方案

制造方案基于標準貨運集裝箱設計，標準ISO集裝箱尺寸或定制化的尺寸，全焊接或噴漆鋼結構，適用于電纜底部進線和側面進線場合，通過集裝箱模塊拼接可以搭建成更復雜的組合。

（2）模塊化設計方案

設計基于定制化的E-House布局和尺寸，布局和尺寸基于需安裝設備的量身訂做，為了滿足運輸和物流要求，E-House的設計采用模塊化切割，現場拼裝后，實現更大的整體布局。

（3）單體大尺寸結構

單體鋼結構框架實現大尺寸，大尺寸的E-House單體運輸，消除了運輸模塊及現場模塊再拼接的要求，但需要提前確認現場和運輸物流對最大運輸尺寸的要求。

3 E-House的設計

首鋼秘鐵海水淡化工程分為取水泵站及海水淡化本體2個區域，進線電壓為4.16 kV，配電電壓為460 V，照明電壓為 220 V，控制電壓為125 VDC/120 VAC，總計算負荷為7000 kVA。

本工程共設置了4套E-House，在總結本工程經驗、教訓的基礎上，就工程執行中需要注意的一些問題闡述如下。

3.1 E-House結構設計

由于E-House自身是為了工程量身定制的，因此它的結構設計具有較大的靈活性，它的尺寸大小基本取決于它內部所需要安裝的設備情況，同時還要考慮長距離運輸的要求。因此，如何用最小的空間合理布置設備，是E-House結構設計成功的關鍵。

（1）合理布局

本工程將設備進行合理的分區，并結合室外進、出線電纜的走向，做到高壓與低壓分開、強電與弱電分開布局。

設備布置遵循緊湊合理的原則，在緊湊的前提下便于設備安裝、操作、搬運、檢修、試驗和巡視。電氣柜選用了背后免維護的型式，將柜子靠墻布置，省去了柜后維護通道，從而大大節省空間。

（2）合理設計梁柱

E-House的電氣柜往往是下出線設計，這樣可以避免上出線帶來的防水問題，而且便于運抵現場后與室外的電纜橋架相接。針對電氣室布置時，常常遇到的結構梁對下出線電纜的影響問題，本工程在布置開關柜的同時，就將設備的基礎尺寸和底板開孔要求提供給結構設計工程師，從而使電纜避開橫梁的遮擋。

（3）內部電纜路由設置

本工程的每個E-House的配電和控制都是相對獨立的，其內部有許多的動力和控制電纜，這些電纜都不需要進出E-House，因此，本工程在柜體頂部規劃了電纜橋架，在E-House交貨時就完成了內部接線。

本工程經過多方案比較，最終采用單體大尺寸結構E-House，其中最大E-House尺寸為18 m×5 m×3.5 m（長×寬×高），重 52 t。

3.2 接地系統設計

接地對電力系統和電氣設備的安全及其可靠運行，對操作、維護、運行人員的人身安全，都起著至關重要的作用。E-House作為一個獨立的配電站，一般矗立于荒郊野外，易受雷電襲擊，對防雷接地的要求更為嚴格。E-House集聚了工作接地、保護接地、防雷接地、電磁兼容性接地等于一體，如果不妥善處理好這些接地的關系，容易造成設備的損壞甚至危及人身安全。本工程采用聯合接地的方式，設置了幾個主接地排，對箱內設備進行了等電位連接。并對接地系統的接觸電壓、跨步電壓進行了校驗。

3.3 抗內燃弧措施

中壓開關柜在柜頂設置了泄壓通道，在使用過程中發生燃弧故障時，由于飛濺而出的滾燙金屬顆粒以及火光極大的偶然性，即使產品試驗滿足IEC61641-2014燃弧保護等級條款，也不能完全保證在使用過程中發生內部燃弧故障時絕對不會對人員造成致命傷害。本工程在開關柜柜頂設置專用燃弧泄壓通道，并與各柜泄壓通道有效連接，箱體外設置泄壓口，以確保電氣故障時運維人員的人身安全。設置泄壓通道時，開關柜柜頂不應設置泄壓板。

3.4 箱體防腐

由于使用E-House工程的自然條件一般都比較惡劣，因此箱體的防腐至關重要，直接影響E-House的使用壽命。E-House箱體的防腐處理應遵循ISO 12944《色漆和清漆 防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護》標準，采用多道防腐工藝，包括前處理、鋅層、中間層、面層等多重處理工藝。

ISO 12944-2標準中，定義了6類大氣腐蝕環境：C1很低、C2低、C3中、C4高、C5-I很高（工業）、C5-M很高（海洋）。本工程位于海邊，箱體防腐按照C5-M級別考慮。

3.5 箱體密封與防塵

為了給E-House內部設備提供良好的使用環境，保證設備安全穩定運行。箱體的防護等級要達到IP54以上的要求，并安裝微正壓系統，配置微正壓空調或風機及多層過濾措施，配合風道均壓系統，使箱體內部產生略高于外部大氣壓25 Pa的氣壓差，實現艙內均衡的微正壓環境，使得外界的潮氣、灰塵、鹽霧等不能侵入E-House內部。

3.6 供貨商的選擇

與傳統電氣設備供貨以及傳統箱變工程相比，E-house工程需要提供完整的變配電站設備及系統，需要考慮到眾多電氣設備及系統的接口銜接，除最常見的電氣部分外，還涉及建筑結構強度計算、結構施工、油漆防腐、建筑室內暖通空調系統、消防系統、監控及門禁系統、輔助照明系統、弱電通信系統、運輸包裝、吊裝方案等等諸多方面。從供貨范圍、工程管理的角度來看，E-house工程相當于一個小型EPC工程總包的工作，是一個交鑰匙的工程解決方案，因此，選擇一個有整體實力、具有成功制造、安裝經驗的供應商尤為重要。

本工程執行中，在原理接線圖的設計環節上遇到了瓶頸，由于供貨商在設備制造實力很強，但缺少根據生產工藝條件進行系統集成設計的經驗，造成后期溝通任務量大，建議與生產工藝聯系緊密的原理接線圖由設計院負責，供貨商據此進行相應的轉化，比較符合國情，以確保工程順利進行。

4 E-House的特點及應用

E-House與以前配套使用的設備分批運輸，現場搭建廠房進行固定、調試及使用相比，具有明顯的優勢：

（1）優化成本、進度可控

采購階段：對于總包方而言，對供應商的接口簡單明了，減少了協調、管理及采購的成本，節省了采購審批時間。

施工階段：工程設計、安裝、內部連接及預調試全部在工廠內部完成，實現整體運輸、現場交付，并且設備就位即安裝完畢，（下轉第頁）

（上接第頁）減少了現場安裝、調試成本，大大縮短了現場施工周期，節約了工程施工成本。

（2）保證質量、確保安全

全部在制造工廠預測試和校核過的電氣系統，嚴控生產過程，保證預期質量水準和交貨期。

減少現場交叉施工帶來的安全隱患，確保電氣設備和施工人員的安全。

目前，E-House在國外工程中已被廣泛應用，國內工程中E-House的應用也在逐漸增多。E-House主要應用于下列市場：

（1）化工、石油和天然氣行業——防爆和非防爆陸上E-House。

（2）礦產及采礦行業——露天E-House及可拖動撬裝模塊。

（3）電網等公用工程——車載移動變及傳統箱式變電站、開閉所。

（4）鐵路——專用E-House和撬裝方案。

5 結論

本工程成功地規避了當地人工緊張、費用昂貴的風險，確保了工程工期，驗證了采用E-House方案是行之有效的。工程執行中積累的一些經驗，可供國內E-House設計者參考。