E-House的設(shè)計(jì)及應(yīng)用探討

孫靖宇，王宇佳

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司；北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)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(chǎn)能力的需要，配套建設(shè)一個(gè)產(chǎn)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(qū)周圍為沙漠，氣候?yàn)闉I海沙漠型，常年干旱無雨。鑒于工程所在地資源緊張、人工費(fèi)用昂貴、工程工期緊等原因，工程開始設(shè)計(jì)之初，就提出工程供配電系統(tǒng)設(shè)備采用E-House的想法。

2 E-House的概念

E-House起源于20世紀(jì)90年代模塊化工廠的概念，由于不同國家或行業(yè)使用的習(xí)慣不同，E-House在實(shí)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(yè)的預(yù)制式撬塊，配電應(yīng)用的預(yù)裝式電氣房等等，但無論在實(shí)際工程中采用的何種叫法，它們的特點(diǎn)和價(jià)值定位是一致的，可以統(tǒng)一歸屬為E-House的應(yīng)用。E-House是一個(gè)集成的、工程化的電氣解決方案，是一個(gè)安裝在預(yù)制的、緊湊的、可運(yùn)輸?shù)?、客戶化定制的、具有正壓和空調(diào)的外殼內(nèi)的系統(tǒng)。在不同的環(huán)境條件下為客戶提供持續(xù)的供電、監(jiān)視和控制。

由于E-House的制造及電氣設(shè)備的安裝均在工廠內(nèi)完成，整體測試通過后再發(fā)運(yùn)到現(xiàn)場，減少了土建的工作量及周期，縮短了工廠的建設(shè)周期和時(shí)間、成本，使工廠能更早地運(yùn)營獲利，是傳統(tǒng)水泥砌筑的開關(guān)室/變電站的高質(zhì)高效替代。

2.1 E-House的構(gòu)成要素

（1）E-House的建造通常包含以下設(shè)備：

房體底座框架和內(nèi)外墻板搭建；

暖通空調(diào)系統(tǒng)/火警安防設(shè)備；

輔助電源及內(nèi)外照明；

支撐柱/扶梯平臺(tái)；內(nèi)部互連電纜。

（2）E-House內(nèi)部可安裝的電氣設(shè)備包含以下設(shè)備：

中壓開關(guān)柜；

低壓開關(guān)柜；

UPS和直流電源；

變頻器；

電能監(jiān)控系統(tǒng)SCADA、PLC；

其他業(yè)主要求的設(shè)備。

圖1顯示了E-House的整體構(gòu)造和內(nèi)部設(shè)備布置情況。

圖1 E-House構(gòu)造圖

2.2 E-House和傳統(tǒng)箱變的區(qū)別（見表1）

2.3 E-House產(chǎn)品類別

E-House產(chǎn)品可以細(xì)分為如下幾種：集裝箱式解決方案、模塊化設(shè)計(jì)方案、單體大尺寸結(jié)構(gòu)。

（1）集裝箱式解決方案

制造方案基于標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)集裝箱設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)ISO集裝箱尺寸或定制化的尺寸，全焊接或噴漆鋼結(jié)構(gòu)，適用于電纜底部進(jìn)線和側(cè)面進(jìn)線場合，通過集裝箱模塊拼接可以搭建成更復(fù)雜的組合。

（2）模塊化設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)基于定制化的E-House布局和尺寸，布局和尺寸基于需安裝設(shè)備的量身訂做，為了滿足運(yùn)輸和物流要求，E-House的設(shè)計(jì)采用模塊化切割，現(xiàn)場拼裝后，實(shí)現(xiàn)更大的整體布局。

（3）單體大尺寸結(jié)構(gòu)

單體鋼結(jié)構(gòu)框架實(shí)現(xiàn)大尺寸，大尺寸的E-House單體運(yùn)輸，消除了運(yùn)輸模塊及現(xiàn)場模塊再拼接的要求，但需要提前確認(rèn)現(xiàn)場和運(yùn)輸物流對最大運(yùn)輸尺寸的要求。

3 E-House的設(shè)計(jì)

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(gè)區(qū)域，進(jìn)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(jì)算負(fù)荷為7000 kVA。

本工程共設(shè)置了4套E-House，在總結(jié)本工程經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，就工程執(zhí)行中需要注意的一些問題闡述如下。

3.1 E-House結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于E-House自身是為了工程量身定制的，因此它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的靈活性，它的尺寸大小基本取決于它內(nèi)部所需要安裝的設(shè)備情況，同時(shí)還要考慮長距離運(yùn)輸?shù)囊?。因此，如何用最小的空間合理布置設(shè)備，是E-House結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

（1）合理布局

本工程將設(shè)備進(jìn)行合理的分區(qū)，并結(jié)合室外進(jìn)、出線電纜的走向，做到高壓與低壓分開、強(qiáng)電與弱電分開布局。

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

（2）合理設(shè)計(jì)梁柱

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

（3）內(nèi)部電纜路由設(shè)置

本工程的每個(gè)E-House的配電和控制都是相對獨(dú)立的，其內(nèi)部有許多的動(dòng)力和控制電纜，這些電纜都不需要進(jìn)出E-House，因此，本工程在柜體頂部規(guī)劃了電纜橋架，在E-House交貨時(shí)就完成了內(nèi)部接線。

本工程經(jīng)過多方案比較，最終采用單體大尺寸結(jié)構(gòu)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(tǒng)設(shè)計(jì)

接地對電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全及其可靠運(yùn)行，對操作、維護(hù)、運(yùn)行人員的人身安全，都起著至關(guān)重要的作用。E-House作為一個(gè)獨(dú)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(yán)格。E-House集聚了工作接地、保護(hù)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(guān)系，容易造成設(shè)備的損壞甚至危及人身安全。本工程采用聯(lián)合接地的方式，設(shè)置了幾個(gè)主接地排，對箱內(nèi)設(shè)備進(jìn)行了等電位連接。并對接地系統(tǒng)的接觸電壓、跨步電壓進(jìn)行了校驗(yàn)。

3.3 抗內(nèi)燃弧措施

中壓開關(guān)柜在柜頂設(shè)置了泄壓通道，在使用過程中發(fā)生燃弧故障時(shí)，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(chǎn)品試驗(yàn)滿足IEC61641-2014燃弧保護(hù)等級(jí)條款，也不能完全保證在使用過程中發(fā)生內(nèi)部燃弧故障時(shí)絕對不會(huì)對人員造成致命傷害。本工程在開關(guān)柜柜頂設(shè)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(shè)置泄壓口，以確保電氣故障時(shí)運(yùn)維人員的人身安全。設(shè)置泄壓通道時(shí)，開關(guān)柜柜頂不應(yīng)設(shè)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(guān)重要，直接影響E-House的使用壽命。E-House箱體的防腐處理應(yīng)遵循ISO 12944《色漆和清漆 防護(hù)漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)中，定義了6類大氣腐蝕環(huán)境：C1很低、C2低、C3中、C4高、C5-I很高（工業(yè)）、C5-M很高（海洋）。本工程位于海邊，箱體防腐按照C5-M級(jí)別考慮。

3.5 箱體密封與防塵

為了給E-House內(nèi)部設(shè)備提供良好的使用環(huán)境，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。箱體的防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP54以上的要求，并安裝微正壓系統(tǒng)，配置微正壓空調(diào)或風(fēng)機(jī)及多層過濾措施，配合風(fēng)道均壓系統(tǒng)，使箱體內(nèi)部產(chǎn)生略高于外部大氣壓25 Pa的氣壓差，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)均衡的微正壓環(huán)境，使得外界的潮氣、灰塵、鹽霧等不能侵入E-House內(nèi)部。

3.6 供貨商的選擇

與傳統(tǒng)電氣設(shè)備供貨以及傳統(tǒng)箱變工程相比，E-house工程需要提供完整的變配電站設(shè)備及系統(tǒng)，需要考慮到眾多電氣設(shè)備及系統(tǒng)的接口銜接，除最常見的電氣部分外，還涉及建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)施工、油漆防腐、建筑室內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控及門禁系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)、弱電通信系統(tǒng)、運(yùn)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(dāng)于一個(gè)小型EPC工程總包的工作，是一個(gè)交鑰匙的工程解決方案，因此，選擇一個(gè)有整體實(shí)力、具有成功制造、安裝經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商尤為重要。

本工程執(zhí)行中，在原理接線圖的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上遇到了瓶頸，由于供貨商在設(shè)備制造實(shí)力很強(qiáng)，但缺少根據(jù)生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，造成后期溝通任務(wù)量大，建議與生產(chǎn)工藝聯(lián)系緊密的原理接線圖由設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)，供貨商據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，比較符合國情，以確保工程順利進(jìn)行。

4 E-House的特點(diǎn)及應(yīng)用

E-House與以前配套使用的設(shè)備分批運(yùn)輸，現(xiàn)場搭建廠房進(jìn)行固定、調(diào)試及使用相比，具有明顯的優(yōu)勢：

（1）優(yōu)化成本、進(jìn)度可控

采購階段：對于總包方而言，對供應(yīng)商的接口簡單明了，減少了協(xié)調(diào)、管理及采購的成本，節(jié)省了采購審批時(shí)間。

施工階段：工程設(shè)計(jì)、安裝、內(nèi)部連接及預(yù)調(diào)試全部在工廠內(nèi)部完成，實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)輸、現(xiàn)場交付，并且設(shè)備就位即安裝完畢，（下轉(zhuǎn)第頁）

（上接第頁）減少了現(xiàn)場安裝、調(diào)試成本，大大縮短了現(xiàn)場施工周期，節(jié)約了工程施工成本。

（2）保證質(zhì)量、確保安全

全部在制造工廠預(yù)測試和校核過的電氣系統(tǒng)，嚴(yán)控生產(chǎn)過程，保證預(yù)期質(zhì)量水準(zhǔn)和交貨期。

減少現(xiàn)場交叉施工帶來的安全隱患，確保電氣設(shè)備和施工人員的安全。

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

（1）化工、石油和天然氣行業(yè)——防爆和非防爆陸上E-House。

（2）礦產(chǎn)及采礦行業(yè)——露天E-House及可拖動(dòng)撬裝模塊。

（3）電網(wǎng)等公用工程——車載移動(dòng)變及傳統(tǒng)箱式變電站、開閉所。

（4）鐵路——專用E-House和撬裝方案。

5 結(jié)論

本工程成功地規(guī)避了當(dāng)?shù)厝斯ぞo張、費(fèi)用昂貴的風(fēng)險(xiǎn)，確保了工程工期，驗(yàn)證了采用E-House方案是行之有效的。工程執(zhí)行中積累的一些經(jīng)驗(yàn)，可供國內(nèi)E-House設(shè)計(jì)者參考。