建筑機械設備電氣工程自動化供配電節能控制分析

豐 嘯

山東華邦建設集團有限公司,山東 濰坊 262500

0 引言

建筑物中設計有多重類型的電氣機械設備,傳統的人工控制模式未能充分利用電能,導致能耗偏高。在供配電設計中,一方面應降低變壓器、電力線纜等設備本體的能耗,另一方面則是廣泛應用電氣自動化技術,實現電氣機械設備智能化控制,進而達到節能運行的目的。基于此,本文以某五星級酒店為例,探討基于機械設備電氣工程自動化的供配電節的設計與控制及引入智能化控制模式,提出相關設計方案,結果顯示設備能耗顯著降低。

1 工程背景及能耗特點分析

1.1 工程背景

某五星級酒店分為地上和地下2個部分,地上部分的建筑面積達到4.2萬m2,地下部分的建筑面積約為0.9萬m2,其總高度為44.8 m,屬于高層建筑。酒店負荷等級分為3個級別,門廳、客房、廚房、餐廳、健身房按照一級負荷進行設計,鍋爐、空調系統以及洗衣房的動力設備按照二級負荷進行設計,其他電氣機械設備均屬于三級負荷。

1.2 能耗特點

該酒店在設計建造階段充分評估了同類建筑工程的電氣設備能耗特點,統計分析空調、照明、電梯、通風、設備的能耗情況。表1為同類酒店項目電氣機械設備的能耗統計結果。從表1可知,照明、設備、電氣、通風的能耗隨時間的變化較小,基本呈現出穩定的趨勢,而空調設備的能耗與時間存在一定的關聯,5—9月的能耗明顯高于其他月份。

表1 典型酒店工程電氣機械設備能耗分類統計結果 單位:kW·h/m2

2 基于機械設備電氣工程自動化的供配電節能設計與控制

2.1 供配電系統設計方案

2.1.1 負荷計算

供配電系統的設計方案主要取決于酒店的負荷水平,可分別根據建筑功能區域和電氣機械設備統計負荷指標。從功能分區的角度看,酒店大堂、宴會廳、游泳池、高級客房、普通客房的負荷水平較高,分布在80～160 VA/m2。電氣機械設備包括冷凍水泵、冷卻水泵、電梯、送排風機、空調以及洗衣設備等,其負荷統計結果如表2所示。對所有的設備容量進行求和,結果記為P,則無功功率Q=P·tanφ,其中φ為功率因數的正切角,tan為正切函數[1]。將酒店總負荷記為S,則S的計算方法為:

表2 酒店建筑項目主要電氣機械設備負荷指標

(1)

2.1.2 供配電節能設計方案

1)變壓器系統節能設計方案。變壓器自身能耗以及變壓器的安裝位置能夠影響供配電系統的整體能耗水平。變壓器安裝在變電所內,為了降低線路損耗,應盡可能將變電所設置在各類負荷的幾何中心處,以減少線路總長度[2]。然而,實際情況下的線路分布通常具有不規則性。綜合考慮能耗控制和噪聲控制的情況下,將變電所設置在酒店地下室一層,變壓器數量共計4臺,每2臺為1組。地下室與各個負荷點的距離較近,有利于控制線路損失。

對于變壓器設備選型問題,根據相關規范,配電變壓器的長期工作負載應控制在85%以下。該酒店2組變壓器執行不同的任務,一組為季節性的電氣機械設備供電,主要為空調;另一組為常規的電氣設備供電,包括照明、給水、通風等設備。根據負荷計算的結果,季節性負荷采用2臺1 250 kVA的變壓器,常規負荷采用2臺1 000 kVA的變壓器,4臺設備均屬于SCRBH-15系列,該系列變壓器為節能油浸式變壓器,具有良好的低損耗運行能力,能夠促進供配電系統節能控制。

2)電源設計方案。該酒店電源分為市電電源和自備電源。市電電源為10 kV高壓線路,共設置2路,每路均能完全負載酒店的所有負荷。從市政開關柜引出10 kV供電電源,經酒店變壓器降壓后,引出400 V低壓線路。酒店自備電源為UPS和1 200 kVA的柴油發電機,UPS的短時供電時長可達到30 min以上,柴油發電機能夠替代1組變壓器電源,啟動后10 s內即可實現供電。

2.1.3 電纜計算與選型

在供配電系統中,電力電纜可產生一定的線損失,導致能耗水平偏高,并且隨著運行時間的不斷延長,線損失呈現出累積效應[3]。通過嚴格的理論計算,能夠為電氣機械設備配置更為合理的電纜,從而降低線損。以下通過低壓電纜選型,論證電力線纜的節能設計方法。

1)配電系統短路電流計算。當配電系統處于最大負荷水平時,假設其0.4 kV出線側母線發生短路,此時應計算相應的短路電流,以確保電纜可承載的電流上限。短路容量基準值SB取100 MVA,B、C兩相的電壓為UB=UC=0.4 kV。則0.4 kV線路在短路情況下的基準電流計算方法為:

(2)

式中:SB為B點負荷;UB為B點電壓;IB為B相的基準電流,計算結果為144.34 kA。

1組變壓器由2臺設備組成,變壓器阻抗的計算方法為:

(3)

式中:XT1和XT2分別為同一組中2臺變壓器的阻抗;Ud為變壓器短路阻抗百分值,取值為6%;Sbe為變壓器額定容量,取值為1 000 kVA。將以上參數代入式(3),求得XT1=6 Ω。

每千米電纜的電抗值記為X01,取值為0.08 Ω/km,變電站0.4 kV電纜的長度記為L,取值為50 m,則低壓出線側的線路阻抗計算方法為:

(4)

式中:XL1、XL2為同一組中2臺變壓器低壓出線的阻抗值,計算結果為XL1=0.63 Ω。變壓器10 kV線路最大短路容量記為Soc,取值為300 MVA,其阻抗XS=SB/Soc=0.33 Ω。整個系統的阻抗按照式(5)進行計算。

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

(5)

式中:Xtol為系統總阻抗;符號“//”表示并聯電阻求總電阻運算。將各參數代入式中,Xtol=3.62 Ω。

0.4 kV低壓側母線出口短路電流Id=IB/Xtol=144.34/3.62=39.87 kA。0.4 kV低壓側短路沖擊電流的峰值記為Ich,則該指標的計算方法為:

(6)

式中:Kch為沖擊系數,取值為1.3,Ich=71.77 kA。0.4 kV側短路電流最大有效值的計算方法見式(7)。

(7)

式中:Itol為短路全電流最大有效值,計算結果為43.45 kA。

2)電纜選型結果。根據以上計算結果,0.4 kV低壓線路的型號為ZR-YJV22-0.6/1 kV,該電纜的載流量可達到2.74 kA,最大允許電流為102.9 kA,大于沖擊電流峰值。并且該電纜的載流量略大于設計值,有利于降低線損。

2.2 電氣自動化供配電能耗管理平臺應用

2.2.1 照明設備供配電自動化控制設計

1)照明智能控制流程。照明設備在酒店能耗中的占比較高,僅次于空調系統。該酒店在照明管理中引入自動化、智能化的控制模式,整體的控制流程為:系統初始化—設定系統參數并發送控制指令—判斷是否開啟智能控制模式—如果接收到相關指令,則開啟智能控制模式—燈具智能供配電[4]。

2)照明智能控制實現方案。在智能控制中引入照度傳感器、紅外傳感器,型號分別為IL/50-1、IR/50-1.A、IR/50-2.A,由傳感器感應照明設備的運行狀態,將信號傳輸至智能照明控制器,再經過時鐘控制模塊、調光控制器、開關控制器,作用于現場設備。開關控制器決定燈具是否開啟或者關閉,調光控制器用于調節照度,時鐘控制器用于調節照明時長[5]。

2.2.2 空調系統供配電自動化控制設計

酒店采用中央空調系統,由冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、空調主機、風機盤管組成。中央空調系統支持自動控制模式,由變頻器、水泵機組、溫度檢測裝置、PLC控制器、A/D模塊、D/A模塊組成。操作人員可通過計算機人機界面選擇是否開啟自動控制模式,并實時監測能耗水平。供配電系統通過TCP/IP協議與中央監控計算機實現交互,空調系統的各種智能測控儀表經過RS485總線與中央監控計算機實現交互。可見,計算機監控系統是自動化控制的核心,能夠實現供配電系統、空調設備、水泵的協同控制,進而降低運行能耗。

3 節能效果分析

3.1 空調系統節能效果分析

采用自動化智能控制模式后,對比傳統運行模式,得到該酒店空調系統的節能數據,如表3所示。顯然,該酒店空調系統采用自動化控制模式后,供配電系統的運行總能耗明顯下降。

表3 酒店空調系統節能數據 單位:kW·h

3.2 照明系統節能效果分析

以酒店總統客房、高級客房和普通客房的節電效果為分析對象,對比傳統手動控制模式和智能照明控制模式運行1周的用電量,結果如表4所示。從表4可知,采用智能供配電模式后,3類客房照明系統的能耗水平明顯下降。

表4 酒店客房節能數據

4 結論

由本文分析可知,為實現建筑供配電系統的節能控制,可采取2條實施路徑。①針對變壓器、電力線纜等供配電設施,應制定節能設計方案,如降低線損、采用節能型變壓器。②對空調、照明、通風等電氣機械設備設計自動化、智能化的控制模式,可實現各類設備的低功耗運行。