冷水機組的380V與10kV供電系統(tǒng)的分析比較

1、22008奧運會北京射擊館冷水機組高低壓供電方案比較武毅王磊（清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院100084）摘要本文介紹了 2008奧運會北京射擊館集中制冷換熱機房的離心式冷水機組的高低壓供電系統(tǒng)比較方案，從電力系統(tǒng)初投資、運行中的電能損耗費用、零配件和維修費用、機電系 統(tǒng)綜合投資、對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響、運行管理等多方面進行比較。進而針對不同制冷量的常用 離心式冷水機組的供電方案進行了綜合對比，得岀了較為合理的通用選擇方案。關(guān)鍵詞離心式冷水機組供電方案投資費用1 前言目前，我國民用建筑中使用的冷水機組的工作電壓大多采用380V,這一電壓等級對于中小容量的冷水機組較為合適，在大量的實踐中也得到了證明。但是

2、隨著建筑體量的不斷增大以及集中設(shè)置冷源節(jié)約能源的需求，冷水機組的單機容量越來越大，制冷量達到了幾千 kW電動式機組的設(shè)備電功率達到了幾百甚至上千kW，如果冷水機組再采用 380V工作電壓,那么在投資、運行和電氣綜合性能方面是否合適，能否采用更高的電壓等級的機組？這是工程設(shè)計人員需要研究和回答的課題。本文以2008奧運會北京射擊館的制冷換熱機房的電氣設(shè)計為例探討了這個問題。2 工程概況2008奧運會北京射擊館位于國家體育總局射擊射箭運動管理中心園區(qū)內(nèi)，園區(qū)規(guī)劃供 電電源為由杏石口變電站和大屯路變電站引來兩路10kV電源至擬建的園區(qū)變電站，園區(qū)變電站向園區(qū)內(nèi)的建筑提供 10kV或者380 V電源。

3、集中制冷換熱機房位于變電站的南側(cè)，距離擴建變電站25米，用于向整個園區(qū)提供冷源，機房內(nèi)設(shè)制冷量 1406 kW（電功率269kW電動式離心式冷水機組一臺、制冷量3165 kW（電功率556kW電動式離心式冷水機組兩臺，水泵及其它配套設(shè)備的設(shè)備電容量為398kW3供電方案3.1 380V低壓冷水機組供電方案冷水機組采用380V低壓電動機，設(shè)兩臺1000kVA的SCB9-1000/10型環(huán)氧樹脂絕緣的干 式變壓器向集中制冷換熱機房供電。由于集中制冷換熱機房規(guī)劃面積有限而且距變電站較近，因此將兩臺變壓器設(shè)在園區(qū)變電站內(nèi)，采用低壓電纜沿電纜溝敷設(shè)至冷水機組控制柜和其它配套設(shè)備的配電柜，配電柜至低壓冷水

4、機組的配線根據(jù)容量的不同采用電纜或密集母線。冷水機組自帶啟動裝置。3.2 10kV高壓冷水機組供電方案冷水機組采用10kV高壓電動機，園區(qū)變電站向集中制冷換熱機房提供一路10k V電源，冷水機組的高壓柜位于機房控制室內(nèi)；同時園區(qū)變電站內(nèi)的變壓器增容約600 kVA，向集中制冷換熱機房內(nèi)的機組配套設(shè)備提供一路380V低壓電源。10kV冷水機組自帶啟動柜。4供電方案綜合分析4.1電系統(tǒng)投資成本及運行費用4.1.1投資成本380V低壓冷水機組供電系統(tǒng)的投資成本構(gòu)成如下圖：31 k-.'4x區(qū).業(yè)Ml汗幵關(guān)梅II 規(guī)壓器tji i IQCOkVA H）萬走Uik開笑柜I 囪伽】萬走|LVl-3

5、0 it I2.4萬元卡外惟訊電編 lLV2-aO*1出萬元手外祐壓皚編I 旳Y0米1用萬兀rT7ikv#3tite1辿&舟元喪斥器THHJOOCkVA1印萬苑10一|想哥羌糧| 4 tf| ?17tI寺殲惟斤皚審LV1-30*1萬元Q.JkV#關(guān)栃ItM/燈萬兀-電拎筍幣壕 仃0萬幣U. lkV#Xfr | 1R/Gjo制持機-F幸內(nèi)低脈屯笑I LVJE I芒為元 |38。¥律水刪I 1#一 kWI 恥萬元 |I審向低壓母統(tǒng)LT0-1 *7X元Fw?-冷水機組e#-,Tn0kw1887TjtrViWE+mLT7 -1 r)K萬元' 3#-n5CkW丄陽萬jfc烷愉電

6、氣系逐：2燈上萬丸（機電系縊：£!出）.廿萬元圖1 380V低壓冷水機組供電系統(tǒng)的主要設(shè)備材料的投資成本構(gòu)成圖10kV高壓冷水機組供電系統(tǒng)的投資成本構(gòu)成如下圖:10kV7f/I :U k"奸關(guān)相II推用赭増客300fcVA7, /r'AI 一：. IkV舟疋柜 |1 AT恥石元UJ丄一叮0.3 7SI燮杠皿豈.削LVi-O?K2. 1方云唾內(nèi)為M、.電前I LHM 1導(dǎo)岸|ickvjktjmi丄#-TF)k網(wǎng)111萬元丨座內(nèi)聲從豈綏LH1-15*0訐萬元HOkVH2比力元電弋睡縄：1P仏萬無機電蕪療：豈門戶萬兀:圖2 10kV冷水機組供電系統(tǒng)的主要設(shè)備材料投資成本構(gòu)

7、成圖9根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出10kV高壓冷水機組的供電系統(tǒng)比380V低壓高壓冷水機組的供電系統(tǒng)節(jié)省投資91萬。4.1.2 運行中電能損耗的費用無論是高壓電機冷水機組還是低壓電機冷水機組采用的的都是電制冷方式，機組自身的運行費用基本相同， 二者的差異主要體現(xiàn)在不同供電方案的電系統(tǒng)內(nèi)部的電能損耗不同。電能損耗主要包括線路損耗和變壓器損耗兩部分。380V冷水機組供電系統(tǒng)的電能損耗費用如下表所示：表1 : 380V冷水機組方案系統(tǒng)運行電能損耗費用序號設(shè)備規(guī)格電纜線路變壓器設(shè)備全 年運營 投入小 時數(shù)th最大負 荷年損 失小時數(shù)Th年有 功電 能損 耗 W WkWh電費單價元年電 能損 耗費 用

8、5;萬元15年電能 損耗 費用¥ 15萬元線路長度Lm計算電流I jsA線路單 位長度 交流阻 抗R'Q /km空載有功 損耗 P0kW負載有功 損耗 PkkW1TM11000kVA1.557.621602160145210.55 ().8015.972TM21000kVA、1.557.621602160147830.55 ().8116.263lV12-JV22-3x240+2x120305110.0912160216023100.55 0.132.544lV24-ZRYJV22-3x240+2x1203010560.0912160216049320.55 0.275.42

9、5lV34-YJV22-3x240+2x1203010560.0912160216049320.55 0.275.426lV42-YJV22-3x240+2x120305290.0912160216024750.55 0.142.727lV52-YJV-3x240+2x120155110.0912160216011550.55 0.061.278lV61500A1510560.0452160216024390.55 0.132.689lV71500A1510560.0452160216024390.55 0.132.6810總 計V499850.55 :2.7541.24注：1.冷水機組的使用

10、壽命為15年，機組運行時間按每年運行6個月，每月運行30天，每天運行12小時計算，則全年運行的小時數(shù)為2160小時。2.計算公式：供電線路年有功電能損耗： W=A P t (kWh)(1)其中 Pl:三相線路有功電能損耗 Pl=3I js2 R x 10 3 (kW)Ijs :計算電流R:每相線路電阻.Q .R=R l x 103R :線路單位長度的交流電阻及阻抗，Q /kmL:線路的長度，mT :最大負荷年損失小時數(shù),h變壓器年有功電能損耗： WT=A Po t + PkkT (kWh)(1)其中 Po :空載有功損耗，kW Pk :負載有功損耗，kWt :設(shè)備全年運營投入小時數(shù),hk :變

11、壓器負荷率10kV冷水機組供電系統(tǒng)的電能損耗費用如下表所示：表2: 10kV冷水機組方案系統(tǒng)運行電能損耗費用序號設(shè)備規(guī)格電纜線路變壓器設(shè)備全 年運營 投入小 時數(shù)th最大負 荷年損 失小時 數(shù)Th年有 功電 能損 耗 Wt, WlkWh電 費 單 價（元）年電能損耗費用Y萬元15年電能損耗費用Y 15萬元線 路 長 度Lm計 算 電 流IjsA線路單位長度 交流阻抗R'Q /km空載有功 損耗 PokW負載 有功 損耗 PkkW1變壓器增容600kVAK1.25.443202160133090.550.73214.642LV12-YJV22-3x240+2x120305290.091N

12、2160216024750.550.1362.723LH1YJV22-3x15030800.145216021601800.550.0100.204LH2YJV-3x5015160.43521602160110.550.0010.015LH3YJV-3x5015320.43521602160430.550.0020.056LH4YJV-3x5015320.43521602160430.550.0020.057合計R160620.550.88317.67注：1.冷水機組的使用壽命為15年，機組運行時間按每年運行6個月，每月運行30天，每天運行12小時計算，則全年運行的小時數(shù)為2160小時。2.計

13、算公式：與表1相同。采用高壓系統(tǒng)每年可以節(jié)省系統(tǒng)電能損耗費用：Yts=Y TL- Y TH =1.87萬元冷水機組的使用壽命按15年計，則15年節(jié)省的費用為：Y= Y tsX 15=28.0萬元4.1.3 零配件和維修費用高壓機組零配件和維修費用比低壓機組高。此外，在市場上，10kV高壓機組的備品備件和零部件的采購也比低壓380V機組困難。4.1.4 在整個冷水機組運行期間，10kV高壓機組供電系統(tǒng)的投資運行費用比380V低壓冷水機組節(jié)省約114.5萬元（不含人員費用和零配件及維修費用）。4.2 對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量是指電壓、頻率和波形，主要指標(biāo)包括電壓偏差、電壓波動和閃變、頻

14、率偏差、諧波和三相電壓不對稱度等。4.2.1 由市電網(wǎng)提供給射擊館市的電源為兩路10kV電纜線路，若使用的冷水機組也為10kV，當(dāng)機組的配電及控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，為平行電壓直接沖擊電網(wǎng)，其危害性比380V系統(tǒng)大。4.2.2 電壓波動和閃變大容量電動機起動時，起動電流較大會引起供電系統(tǒng)電壓下降，造成電網(wǎng)的電壓波動，會引起對電網(wǎng)造成一定損害，危害與其連接在同一供電網(wǎng)絡(luò)上的其它用戶的電工設(shè)備。特別是10kV高壓電動機，由于直接連接在10kV電網(wǎng)上，其對電網(wǎng)的影響更大。423 諧波冷水機組的電機運轉(zhuǎn)時都會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，諧波電流會使變壓器、 電動機等損耗增加、溫度上升、絕緣加速老化。同時還會因大量

15、諧波電流的存在使電容器和系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振造成諧波電流放大，從而使電容器過載故障。在低壓冷水機組供電系統(tǒng)中，由于D,ynil接線組別的三相電力變壓器的存在， 利用一次 側(cè)繞組的三角形接法為 3次及3的倍數(shù)次諧波電流提供了環(huán)流通路， 使其不注入電網(wǎng)，注入 電網(wǎng)的只有7、7、11、13等次諧波電流，大大降低了注入諧波電流對10kV電網(wǎng)的影響。4.2.4 無功功率補償感應(yīng)電動機、變壓器、高低壓線路均需要大量的無功功率。由于無功功率通過線路系統(tǒng)導(dǎo)致電能損失、電壓壓降變大、增加了設(shè)備容量，因此在高壓、低壓供電系統(tǒng)方案中都應(yīng)設(shè) 置靜電電容器補償裝置，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達到0.95以上，滿足電網(wǎng)的要求。在低壓機

16、組供電系統(tǒng)方案中采用變電站集中設(shè)置帶靜電電容器補償裝置，由功率因數(shù)控制器根據(jù)負荷的情況分組投切電容器。在高壓供電系統(tǒng)方案中采用每臺冷水機組配一臺高壓電容器柜，電容器并接在電動機的端子側(cè)與電動機同時啟動和停止。4.2.5 安全性10kV設(shè)備絕緣層破損、擊穿對操作人員的危害比380V設(shè)備大得多。電壓高，則線路及設(shè)備周圍的產(chǎn)生的磁場強度就大， 吸附力強；同時電壓高，線路及設(shè)備周圍的電場強度就高， 會產(chǎn)生電暈放電，極易導(dǎo)致觸電。4.3 運行管理10kV高壓的運行對操作人員的要求較高，必須持有高壓操作證，低壓沒有這個特殊要 求。4.4 綜上所述，在電氣系統(tǒng)投資運行費用方面，10kV高壓機組供電系統(tǒng)比 O

17、.4kV低壓機組供電系統(tǒng)節(jié)省約114.5萬元，但在冷水機組的壽命運行期間的人員費用、零配件和維修費用比低壓機組高，而在系統(tǒng)的對電能質(zhì)量的影響、安全性以及運行管理方面低壓機組方案都有 較大的優(yōu)勢。5綜合評價對于冷水機組高壓電機和低壓電機方案的的比較中，除了對電系統(tǒng)進行對比外還應(yīng)考慮冷水機組本身采用不同電壓等級的電機帶來的差異，特別是價格方面：制冷量為3165kW的380V冷水機組（帶自耦降壓啟動柜）的價格約為188萬元，10kV冷水機組（帶自耦降壓啟動柜、電容補償柜）的價格約為282萬元；制冷量為1406kW的380V冷水機組（帶自耦降壓啟動柜）的價格約為 96萬元，10kV冷水機組（帶自耦降壓

18、啟動柜、電容補償柜）的價格約 為144萬元。10kV高壓冷水機組的設(shè)備投資比380V低壓冷水機組設(shè)備投資高 236萬元。在整個冷水機組投資運行期間，380V低壓電機冷水機組的機組設(shè)備及電氣部分的整體費用比10kV高壓機組相節(jié)省121.5萬（不含人員費用和零配件及維修費用）。結(jié)論不難得出，從整體投資到運行管理以及對電網(wǎng)的影響等各個方面而言采用380V低壓電機冷水機組是最合理的選擇。6常用離心式冷水機組綜合投資費用比較在大型、超大型民用建筑設(shè)計中，冷凍動站是必不可少的，常用離心式冷水機組的制冷容量從100kW到5500kW間，2008奧運會北京射擊館的制冷換熱機房的機組選型結(jié)論具有 一定的有普遍意

19、義，我們可以采用與奧運射擊館制冷換熱機房同樣的比較方法對從下面比較 典型的機組供電方案進行分析比較。常用冷水機組380V電機和10kV電機供電方案如下圖所示：。I rv«iotvffxfr1 ：kT肓血尾出I)1 ：kY薩關(guān)柜O.lkvf* Io.lkVHfite,if豐兒見如/3O*卿軸刪Ji!電 舉境住壓器T1JI3H0V跟材闞H1汀高呱邑軌丨/和箕lGkV/ 30 XIKkYOtwa1d1. |：VI掙床毗劃卷超卑圖3常用冷水機組380V電機和10kV電機供電方案常用10kV與380V冷水機組系統(tǒng)投資費用比較如下表所示：表3常用10kV與380V冷水機組系統(tǒng)投資費用比較表) 兀 萬( 用 費10009509008508007507006506005505004504003503002502001501005001iiiUOMU !Illl1406 15821758 1934 2110 2285 2461 2637 2813 3165 3516 3868 4218 45714922 5260制冷量(kW)-380V冷水機組綜合費用7 10kV冷水機組綜合費用從系統(tǒng)投資費用比較表中可以看出對于全系列冷水機組而言，380V電機冷水機組的電系統(tǒng)投資費用遠遠大于10kV系統(tǒng)。但是當(dāng)考慮到冷水機組本身的差異時