市政綜合管廊電氣負(fù)荷計算探討

杜永幫， 王 義

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司， 深圳518029)

0 引言

2015 年來，我國綜合管廊發(fā)展快速，迄今為止，全國已有300 多個城市規(guī)劃建設(shè)綜合管廊，總里程超過6 000km，已建成綜合管廊總里程超過4 000 km。 其中，第一、二批試點城市共計25 個，總建設(shè)里程約1 000 km，試點城市綜合管廊具有分布范圍廣、項目類型多、入廊管線全的特點，目前，這些工程項目均已建成投運，在規(guī)劃建設(shè)中積累了豐富的經(jīng)驗。

根據(jù)已建成投運綜合管廊項目，現(xiàn)有綜合管廊普遍存在計算負(fù)荷偏大、變壓器常年低載運行、保護(hù)電器和導(dǎo)線選取偏大等問題，直接導(dǎo)致工程建設(shè)投資增加、后續(xù)運維成本過高。 因此，設(shè)計過程中如何根據(jù)負(fù)荷情況合理計算負(fù)荷，保障綜合管廊經(jīng)濟(jì)可靠運行，成為綜合管廊供配電設(shè)計面臨的首要問題。

1 負(fù)荷類型及分級

城市地下綜合管廊內(nèi)的用電負(fù)荷包括風(fēng)機、水泵、管道電動閥、檢修插座箱、電動逃生井蓋、照明、監(jiān)控與報警設(shè)備、消防設(shè)備等。

GB 50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》第7.3.2 條對負(fù)荷等級要求為“綜合管廊的消防設(shè)備、監(jiān)控與報警設(shè)備、應(yīng)急照明設(shè)備應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的二級負(fù)荷供電。 天然氣管道艙的監(jiān)控和報警設(shè)備、管道緊急切斷閥、事故風(fēng)機應(yīng)按二級負(fù)荷供電，且宜采用兩回路供電；當(dāng)采用兩回線路供電有困難時，應(yīng)另設(shè)置備用電源。 其余用電設(shè)備可按三級負(fù)荷供電”。

因此，管廊內(nèi)負(fù)荷分為二級負(fù)荷和三級負(fù)荷，消防設(shè)備、監(jiān)控與報警設(shè)備、應(yīng)急照明設(shè)備以及天然氣管道艙的監(jiān)控和報警設(shè)備、管道緊急切斷閥、事故風(fēng)機按二級負(fù)荷供電，其余負(fù)荷按照三級負(fù)荷供電。

2 綜合管廊運行工況及電氣負(fù)荷運行特點

城市地下綜合管廊本質(zhì)上是一種管線敷設(shè)方式，首要功能是保障管線安全可靠運行。 綜合管廊電氣設(shè)計主要目的是保障管廊及廊內(nèi)管線安全運行，針對管廊不同運行工況，管廊內(nèi)的電氣設(shè)備運行情況不同。

(1)平時工況:管廊內(nèi)的火災(zāi)報警設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、應(yīng)急照明設(shè)備運行，這三大類設(shè)備為管廊內(nèi)不間斷運行設(shè)備，屬于長期持續(xù)負(fù)荷。

(2)人員巡檢工況:根據(jù)運維管理單位制定的運維章程，對管廊內(nèi)管線、廊體定期巡檢，檢查管廊內(nèi)各管線、設(shè)備、結(jié)構(gòu)健康狀況，一般情況為巡檢前通風(fēng)設(shè)備開啟提前通風(fēng)，巡檢過程中沿線照明、通風(fēng)設(shè)備根據(jù)巡檢路線逐段開啟，巡檢時一般最多連續(xù)2 個分區(qū)通風(fēng)和照明開啟。

(3)排除余熱工況:一般針對含電力電纜艙室，艙室溫度高于40℃時啟動風(fēng)機降溫，溫度達(dá)到要求時停止通風(fēng)。

(4)管線安裝及檢修工況:管廊建成投運后，后續(xù)存在管廊內(nèi)進(jìn)行管線敷設(shè)及維修情況，該工況下運行的設(shè)備主要為作業(yè)區(qū)間的通風(fēng)、照明、檢修插座箱(為安裝和檢修設(shè)備供電)，給水、再生水管線、天然氣管道檢修作業(yè)時還可能涉及到對應(yīng)電動閥門、水泵等設(shè)備運行。

(5)積水工況:當(dāng)管廊內(nèi)局部廊道內(nèi)積水時，需啟動對應(yīng)艙室水泵進(jìn)行排水。

(6)環(huán)境異常工況:管廊艙室內(nèi)含氧量、溫濕度等達(dá)不到要求，或者有害氣體濃度超過設(shè)定值時，需啟動對應(yīng)艙室通風(fēng)設(shè)備換氣。

(7)火災(zāi)工況:一般為火災(zāi)時人員逃生井蓋開啟、消防設(shè)備啟動及災(zāi)后通風(fēng)設(shè)備啟動排除廢氣。

(8)天然氣泄漏工況:天然氣管道艙天然氣濃度超過報警濃度設(shè)定值(上限值)時，需啟動天然氣事故段分區(qū)及其相鄰分區(qū)的事故通風(fēng)設(shè)備。

依據(jù)以上管廊運行工況，結(jié)合國內(nèi)管廊運行現(xiàn)狀分析，綜合管廊內(nèi)各用電設(shè)備運行特點如下。

(1)普通照明:綜合管廊運維過程中一般考慮同一艙室前后兩個分區(qū)開啟，分區(qū)內(nèi)普通照明一般所有燈具全部開啟。

(2)普通艙室風(fēng)機:一般巡檢前0.5h 考慮單個變電所范圍內(nèi)單個艙室全線正常通風(fēng)(不同運維規(guī)程要求略有不同)，管廊內(nèi)環(huán)境(溫度、氣體濃度)異常時啟動異常區(qū)間通風(fēng)，這兩類工況通風(fēng)換氣次數(shù)按照≥2 次/h 考慮；發(fā)生事故時啟動事故段分區(qū)及其相鄰分區(qū)的事故通風(fēng)設(shè)備，通風(fēng)換氣次數(shù)按照≥6次/h 考慮。

(3)天然氣艙室風(fēng)機:一般巡檢前0.5h 考慮單個變電所范圍內(nèi)單個艙室全線通風(fēng)，管廊內(nèi)環(huán)境(溫度、非甲烷氣體濃度)異常時啟動異常區(qū)間通風(fēng)，這兩類工況通風(fēng)換氣次數(shù)按照≥6 次/h 考慮；發(fā)生事故時啟動事故段分區(qū)及其相鄰分區(qū)的事故通風(fēng)設(shè)備，一般考慮事故分區(qū)前后分區(qū)及左右分區(qū)，通風(fēng)換氣次數(shù)按照≥12 次/h 考慮。

(4)監(jiān)控和報警設(shè)備:一般管廊投運后正常全部投運，實時監(jiān)測管廊各項指標(biāo)及參數(shù)。

(5)水泵:普通水泵管廊集水坑里積水超過啟泵水位時工作，平時一般不運行。 放空水泵有管道放空需求時啟動，一般配合管道維修。

(6)火災(zāi)自動報警設(shè)備:一般管廊投運后正常全部投運。

(7)消防設(shè)備:火災(zāi)發(fā)生時啟用。

(8)檢修箱:管廊內(nèi)管線安裝或檢修時使用，一般一臺變壓器供電范圍內(nèi)考慮1～2 處使用。

(9)管道電動閥:管道發(fā)生漏水、漏氣時使用，一般為2 個閥門配套啟動。

(10)電動井蓋:管廊有檢修人員進(jìn)出或有人員逃生需求時啟動，一般僅1 處啟動。

(11)應(yīng)急照明:管廊建成后啟用，一直運行。

綜上可知，管廊主體建成投運后，不間斷運行的負(fù)荷有火災(zāi)自動報警、監(jiān)控與報警、應(yīng)急照明設(shè)備；其次風(fēng)機、普通照明使用頻率相對較高；消防、水泵、管道電動閥門、檢修插座箱、電動井蓋平時基本不使用。 可以看出，影響負(fù)荷計算的主要設(shè)備為管廊風(fēng)機和普通照明。 照明運行工況相對單一，因此負(fù)荷計算的重點是依據(jù)管廊通風(fēng)特性，合理計算風(fēng)機負(fù)荷。

3 分區(qū)總配電箱負(fù)荷計算

GB 50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》第7.3.3 條要求“綜合管廊應(yīng)以防火分區(qū)作為配電單元，各配電單元電源進(jìn)線截面應(yīng)滿足該配電單元內(nèi)設(shè)備同時投入使用時的用電需要”，本文中單獨提及分區(qū)總配電箱負(fù)荷計算，主要因為分區(qū)總箱容量選取直接關(guān)系到干線電纜截面及保護(hù)電器的選取，而低壓大截面電纜一般敷設(shè)于變壓器低壓母線至分區(qū)總配電箱之間，工程量大，因此合理計算分區(qū)總配電箱容量意義重大。

(1)單艙室管廊設(shè)置一處分區(qū)總配電箱、含天然氣艙室雙艙管廊(天然氣艙室單獨設(shè)置分區(qū)總配電箱，總共兩處)，需要系數(shù)和同時系數(shù)的選取參見表1。

單艙室管廊需要系數(shù)和同時系數(shù)選取表 表1

以某單艙室管廊為例，原設(shè)計Pjs為42.83kW，經(jīng)計算分區(qū)總配電箱容量參見表2。

單艙室管廊內(nèi)各負(fù)荷容量 表2

經(jīng)計算，本方法比常規(guī)計算方式減少約13%。

(2)對于多艙室管廊(除天然氣管道艙室外艙室數(shù)量不小于2，艙室數(shù)量為N)，需要系數(shù)和同時系數(shù)的選取建議參見表3。

分區(qū)總配電箱負(fù)荷計算時，需充分了解管廊運行工況，按照最不利情況校核配電箱計算容量，保證特殊情況下用電設(shè)備的正常運行。

以某雙艙室管廊為例，原設(shè)計Pjs為84.94kW，經(jīng)計算，分區(qū)總配電箱容量參見表4。

經(jīng)計算， 本方法比常規(guī)計算方式減少超過30%。

4 變壓器負(fù)荷計算

對于變壓器負(fù)荷計算，考慮到綜合管廊負(fù)荷分散，供電距離一般在500 ～800m，管廊一般負(fù)荷較大，工況主要為以下幾種情況。

多艙室管廊需要系數(shù)和同時系數(shù)選取表 表3

多艙室管廊需要系數(shù)和同時系數(shù)選取表 表4

(1)管廊巡檢前通風(fēng)工況，一般為巡檢前半小時單艙室通風(fēng)，基本為單個變配電所范圍內(nèi)管廊全線通風(fēng)。

(2)天然氣艙室泄露通風(fēng):一般為天然氣艙室前后分區(qū)及隔壁艙室通風(fēng)，4 個艙室風(fēng)機啟動。

(3)電纜火災(zāi)工況:一般為發(fā)生火災(zāi)艙室及前后艙室通風(fēng)，根據(jù)管廊特性及工況，建議按照運行設(shè)備容量、需要系數(shù)、同時系數(shù)計算負(fù)荷。

變壓器負(fù)荷需要系數(shù)和同時系數(shù)的選取參見表5。

需要注意的是:(1)消防、監(jiān)控與報警、應(yīng)急照明負(fù)荷按照安裝容量考慮運行容量；(2)普通照明負(fù)荷按照最大功率單艙室相鄰2 個分區(qū)考慮運行容量；(3)風(fēng)機負(fù)荷按照單艙室風(fēng)機全開(最大功率艙室)運行容量加一處艙室排除余熱＼因環(huán)境異常起動風(fēng)機、事故通風(fēng)考慮容量，運行容量選取其中最大值；(4)水泵按照單臺變壓器兩臺水泵考慮運行容量，變壓器供電范圍若有排空水水泵，需按照1 處排空水水泵＋1 臺最大排除積水水泵考慮容量，若無排空水水泵，按照最大功率兩臺水泵考慮運行容量；(5)電動井蓋、檢修插座箱按照單臺變壓器各1處考慮運行容量；(6)管道電動閥根據(jù)變壓器供電范圍內(nèi)是否有電動閥門考慮安裝容量，單根管道閥門數(shù)量大于1 時應(yīng)結(jié)合應(yīng)急工況啟動閥門需求確定運行容量，不考慮兩根管道閥門同時啟動工況；(7)以上為考慮一臺變壓器為連續(xù)分區(qū)供電時負(fù)荷計算建議，若兩臺變壓器交叉供電，則根據(jù)以上情況進(jìn)行相應(yīng)折減；(8)最終變壓器選取應(yīng)根據(jù)二級負(fù)荷需求進(jìn)行校核，確保一路電源發(fā)生故障時所有二級負(fù)荷運行需求；(9)依據(jù)表5 進(jìn)行同時系數(shù)選取過程中，應(yīng)綜合考慮各運行設(shè)備容量、性質(zhì)在整個運行設(shè)備總?cè)萘空急取?/p>

變壓器負(fù)荷需要系數(shù)和同時系數(shù)選取表 表5

以某雙艙室管廊為例，原設(shè)計Pjs為174.66kW，經(jīng)計算變壓器低壓母線側(cè)計算負(fù)荷參見表6。

經(jīng)計算， 本方法比常規(guī)計算方式減少超過30%。

雙艙室管廊變壓器負(fù)荷低壓母線側(cè)負(fù)荷容量 表6

5 結(jié)束語

當(dāng)前我國已成為綜合管廊投運里程最多的國家，里程數(shù)據(jù)還在逐年增加，綜上所述，筆者認(rèn)為合理的負(fù)荷計算方法對于節(jié)省管廊投資，推進(jìn)國內(nèi)管廊建設(shè)意義重大。 由于不同類型管廊、不同運維單位最終運維章程所確定的管廊運維方式會略有不同，運行工況及電氣負(fù)荷運行特點也會有差異，同時，各設(shè)計人員在具體設(shè)計時供配電系統(tǒng)構(gòu)成會有差異，因此本文僅為建議，具體應(yīng)根據(jù)工程實際情況合理計算。 以上為筆者對綜合管廊負(fù)荷計算的一點淺薄理解，希望能對各位電氣同仁在以后的工作中有一些啟發(fā)。