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[供电配电常规]

工程案例:某国际机场航站楼供配电系统设计

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发表于 2017-5-16 15:16:00 |显示全部楼层

本文以某国外机场航站楼供配电系统设计为例,介绍保障航站楼供电可靠性的几个措施,包括供电电源、应急电站的设置,变配电室选址等方面内容,着重分析数据通讯中心的供电方案,以及项目中用到的太阳能光伏发电系统设计。


引言
近年来,航空运输在国家综合交通运输体系中的地位及作用不断提升,民航经济得到快速发展,机场航站楼的建筑规模不断扩大,数量不断增加,许多大型机场,如香港新机场、上海浦东国际机场相继建成,北京首都新机场、青岛胶东国际机场也在建设之中,还有一些机场正处于设计阶段。伴随着航空业的发展,机场航站楼的规模越来越大,空间结构以及功能越来越复杂,用电设备数量及种类越来越多。航站楼是空中运输系统的关键部分,如何才能保证航站楼安全、可靠地运行,正成为我们设计的难点。本文通过国外工程实例对机场航站楼的供配电系统设计进行简要介绍和分析。

工程概况
某国际机场扩建项目在原机场旁扩建了一个新的航站楼,新建航站楼建筑面积约57400m2,地下1层,地上3层,建筑高度约20m。新航站楼地下一层主要为技术管廊及设备用房;零层(Ground floor)主要功能为公共大厅、旅行大厅、国内出发大厅、行李提取、室内花园、技术用房、免税店;一层(Lever1)主要功能为:公共大厅、国际出发大厅、国内出发安检及登机、免税店、商店、设备用房;二层(Lever 2)主要功能为国际出发走廊及观光露台、美食广场、健康体检、国际到达区、休息室。新航站楼还包括一个应急电站(Emergency Power Plant)和一个冷冻站(Cooling Plant),冷冻站位于新老航站楼中间,应急电站位于新老航站楼的东南侧,距新航站楼约400m。新航站楼规划如图1所示。

供电电源
该项目采用英国及欧洲标准设计,并参考了国内的一些设计规范。英标及欧标中并没有对建筑物的负荷等级进行划分,但是考虑到机场的年旅客吞吐量约为400万人次(相当于现在国内规范中划分的Ⅲ类民用机场航站楼[1]),且此机场为该国唯一的机场,而该国以旅游业著称,因此该机场在该国的重要地位不言而喻,所以该机场的供电电源的可靠性尤为重要。

为了确保机场的供电可靠性,该项目中所有的负荷均按照双电源要求供电,由当地的两个不同区域变电站分别提供1路22kV的高压电源。除了采用两路高压电源供电外,对机场航站楼内一些特别重要的设备还提供应急电源[2]。由于机场航站楼内的重要负荷较多,对供电可靠性要求较高,且设备比较分散,因此考虑设置应急柴油发电机组。

经与当地供电公司及现有机场航站楼运营管理人员沟通后得知当地高压电网的可靠性较低,时常会发生断电,甚至两路高压均断电的情况,针对这种状况,协同建设方及监理单位多次协商后,最终确定为本项目中所有的用电设备均提供应急电源。当2路高压电源均断电时,应急柴油发电机组自动启动,启动时间不大于10s。

应急电站

经计算本项目总安装容量为7.27MVA,总计算负荷约为6MVA,用电量较大,且应急柴油发电机组为所有的负荷提供应急电源,因此共设计3台2MVA的柴油发电机组。

由于应急柴油发电机组台数较多,功率较大,若将其设于航站楼地下一层,运行时必然会产生较大的噪音,且柴油发电机组的排烟设施也会影响航站楼的美观,不仅如此,更重要的是如此大容量的柴油发电机组需要巨大的储油罐,必然会对航站楼产生巨大的安全隐患,因此需将柴油发电机组设于航站楼之外。新机场规划时考虑到以后的再扩容性,在新航站楼旁边还规划有一栋远期的航站楼,为了避开此航站楼,最终将应急柴油发电站设于新航站楼南侧约400m处,位置靠近现有的消防站。

考虑应急发电站的距离以及柴油发电机组容量较大,从应急电站至航站楼需采用高压供电,为此应急电站内共设3台2MVA的升压变压器,将230/400V低压电源转变为22kV的高压电源,经室外管沟接至航站楼内。

变配电室选址
当地每年的1~3月份为雨季,雨量较大,雨次较多,有时会伴有龙卷风,气候炎热潮湿,为了确保变配电室免遭雨水淹没,同时保持室内湿度适宜、通风良好,将变配电室设于地上一层。

经计算,本项目中总用电容量为7.27MVA,其中冷冻站内总用电容量为2.24MVA,航站楼用电(包括停机坪用电、室外停车场用电)约为4.95MVA,应急柴油发电站总用电容量为84.9kVA。

图1 机场航站楼规划图

由于冷冻站内用电设备容量较大且集中,因此在冷冻站内设置1处高压配电室,1处变配电室,变配电室内设2台互为备用的2.5MVA的干式变压器。

应急柴油发电站内设备容量较少但离航站楼较远,因此单设1处高压配电室,1处变配电室,变配电室内设2台互为备用的160kVA的干式变压器。

机场航站楼占地面积较大,横向长度约290m,竖向长度约95m,若设置1处变配电室,则需设在航站楼的中间位置,但航站楼的首层中间区域为航站楼功能、办公及商业区域,若将变配电室设于此区域,一方面会影响航站楼的使用功能,另一方面变配电室产生的电磁辐射及噪声必将影响旅客及办公人员的舒适度,除此之外由于设备集中,电源进出管线较多,不仅会大大增加安装工作量,还会影响建筑的层高,显然此种方案既不合理也不安全。

因此在一层设置2处变配电室,每处变配电室内分别设置2台互为备用的2 MVA的干式变压器,两变配电室分别设于航站楼横向的两侧,同时考虑设备运输、电源进线方便,将变配电室分别靠外墙设置,最终的位置如图2所示。

图2 航站楼变配电室位置

中压配电

该项目为扩建项目,原机场航站楼内已有22kV高压配电室(高压配电柜中有备用回路),且2路高压电源分别引自两不同区域变配电站,由于原机场航站楼的规模较小,2路22kV高压电源完全能够满足新、老航站楼的用电容量需求,因此新航站楼所需的2路高压电源可以直接引自老航站楼内22kV高压配电室内两不同高压母线段。

该项目共设4处变配电室(冷冻站1处、航站楼内设2处、应急电站内设1处),考虑应急电站距离航站楼较远(约400m),经与当地供电部门及监理论证后确定分别在冷冻站、航站楼及应急电站各设1处高压配电室,采用环形配电方案,2路高压电源同时工作,互为备用,开环运行,如图3所示。此种配电方案可靠性较高,高压电缆使用量大大减少,电力线路检修时可以切换电源,故障时可以切换故障点,缩短停电时间。两路高压均断电的情况下还可以卸载一部分负荷通过应急柴油发电机组来为旧的航站楼提供应急电源。

Existing Terminal Building:现有航站楼Step-up;Tr:升压变压器;Main Sub-Station:主配电站;Satellite Sub-Station:分配电站

图3中压配电系统图

低压配电
低压配电系统应具备较高的供电可靠性和供电质量,系统接线应简单、操作安全、方便维修,并具有一定的灵活性[3]。变压器二次侧至用电设备之间的低压配电级数不宜过多。机场航站楼的单层面积较大,用电设备较多较分散,低压配电方式适合采用放射式。但放射式配电的缺点是回路较多,若从低压配电柜直接放射式至末端配电箱,一方面会导致低压配电室内管线很多,另一方面由于用电设备比较分散,距离大多较远,考虑短路电流灵敏度,电缆的截面积必将增大,同时伴随着造价增高及施工难度增大等一系列问题,为此在低压配电柜(MDB)与末端配电箱(TDB)之间增加一级配电柜(SDB)。

为了确保供电可靠性及灵活性,保证当供配电系统内部设备发生故障检修时,影响范围不致过大,重要的负荷不受到影响,本工程变压器低压侧采用单母线分段中间设联络开关的运行方式。

普通电力、消防电力等按照系统分别单独设置SDB配电柜;航站楼的空侧、陆侧及航站楼内商业用电按照功能分区分别单独设置SDB配电柜;BHS(行李处理系统)、AHU(空气处理机组)及生活水泵等比较重要、容量较大且比较集中的设备单独设置MCC控制/配电柜,电源引自MDB低压配电柜;扶梯、电梯、照明及其他容量较小且较分散的非消防负荷自普通SDB配电柜之后分别自成配电系统。

航站楼内公共区域照明采用双回路交叉供电的方式,每路电源各带一半负荷,当一路电源故障时,仍能维持公共场所50%的照度,两路电源分别来自两不同的SDB配电柜内低压母线。

在两路高压电源均断电的情况下,由于柴油发电机组的启动时间较长(7~10s),为了满足航站楼内应急照明的转换时间要求(不大于5s)[4,5],在应急照明配电箱处设置EPS电源装置。

关于消防负荷如何配电。从IEC 60364-5-56《Low-voltage electrical installations—Part 5-56:Selection and erection of electrical equipment—safety services》中560.6.5条及BS7671《Requirements for Electrical Installations》中560.6.4条的规定可知[6,7],消防设备可从电网采用双回路方式配电,两个回路不能同时断电。消防设备电源是否需要采用末端切换,英标及欧标中均未作要求,经当地消防专家论证,确定为消防设备单独设置带有双电源切换装置的SDB配电柜,两路电源分别引自两不同MDB配电柜内的低压母线段,自SDB配电柜后单回路放射式配电至消防设备末端配电箱或控制箱,低压配电系统图如图4所示。

Airside:空侧;Landside:陆侧;BHS:行李处理系统;AHU:空气处理系统lumbing:水泵;Lift:电梯;External Lighting:室外照明;Escalator:自动扶梯;Smoke Extractor Fan:排烟分机;Fire Hydrant Pump:消火栓泵ressurisation Fan:加压风机。

图4 低压配电系统图

电子信息设备配电
航站楼内电子信息设备较多,此类设备对电源的连续性要求极高,通常为毫秒级,为了保证在两路高压电源转换及两路高压电源断电柴油发电机组启动时不影响航站楼内的重要电子信息设备的正常运行,为以下设备提供UPS不间断电源装置:BMS系统、数据通信机房(BD)、电源管理系统(PMS)、闭路电视监控系统(CCTV)、出入口控制系统(ACS)、时钟系统(MCS)、用于航班信息发布的扩声系统(PAS)、航班信息显示装置、机场运营中心(AOC)、火灾自动报警系统(FAS)、检票区域设备用电、护照检测区域设备用电、部分机场管理运营办公室计算机用电等。

所有的UPS均采用在线式双变换技术,能有效消除电网中的频率偏差、操作过电压、谐波、过欠电压、电压骤降等问题。

航站楼数据通信中心内电子设备供电的可靠性要求极高且均为双电源负载,数据中心通常采用两种配电方式,冗余并机单母线配电或冗余并机双母线配电。后者的供电可靠性更高,一般用于金融行业内的数据中心配电,但此种配电方式造价高于前者,配电方式也比前者复杂。

从项目特点、工程造价、供电可靠性等多方面考虑后,最终采用冗余并机单母线配电方式。2台UPS装置同时运行,电源分别取自不同变压器下低压母线段后的SDB配电柜,每台UPS装置采用双回路配电,均设有2个电源输入端口(主回路+静态旁路),每个回路分别取自同一SDB配电柜;通过热同步并联技术使2台UPS装置的输出电压(电流、频率)的相位角一致,2台UPS装置均分负载。当其中的一台UPS发生故障或其中的一路电源中断供电时,由另外一台UPS装置承担全部的负载,故障UPS装置自动退出运行,输出电源不中断,供电可靠性达到0.99999,配电系统图如图5所示。

图5 数据通信中心配电系统图
除数据通信中心配电用UPS之外,其他所有的电子信息设备配电用UPS均设置单个UPS装置,UPS电源装置均设置两个电源输入端口(主电路+静态旁路),两路电源分别引自两不同变压器下低压母线段后的SDB配电柜,同时为了确保UPS装置发生故障检修时,负载电源不中断,每台UPS装置均设置维修旁路,如图6所示。


  图6 UPS配电系统图




图7 太阳能光伏发电系统图

节能
电能消耗是建筑主要能耗之一,航站楼是机场用电大户,如不采取行之有效的节能措施必将产生严重的电能浪费。建筑电气的节能主要体现在新能源利用、供配电系统节能、照明系统节能以及采用先进的管理控制措施。本项目按照以上原则分别采用以下节能措施:
(1)选用可再生、无污染、清洁能源——太阳能作为部分能源,利用太阳能光伏发电技术将太阳能转化为电能。本项目在航站楼的每个入口通道上方安装44块半透明的太阳能光伏板将太阳能转换为直流电,通过逆变器将直流电转换为交流电,每个通道上方的太阳能光伏板可以产生10kVA的电能,本工程共6个入口通道,共产生60kVA的电能,并将产生的电能并入低压配电网络,如图4和图7所示。

(2)采用22kV电压等级供电,合理选择变配电所位置,使其尽可能靠近负荷中心,同时选择合理的配电路径,使线路尽可能缩短,

(3)变压器的长期工作负载率控制在50%,将变压器的有功功率损耗降至最低[8]。

(4)航站楼内的空调负荷为季节性负荷,空调冷水机组冷却塔等用电负荷全都位于Cooling Plant内,本工程在Cooling Plant内单独设置变压器为其供电,在不需要空调运行的季节可以关闭变压器。航站楼内的中央空调机组AHU用电容量不大,和其他设备合用变压器,在低压柜配电回路上设置可远程通讯操作的断路器,通过BMS可以控制其开断,从而实现启停AHU设备。对于空调系统末端的风机盘管,均配备温度控制器,根据室内温度自动启停风机盘管。

(5)在变压器低压侧设置电容补偿装置及有源滤波装置,电容补偿装置根据电网中的功率因数自动进行无功功率补偿,提高配电系统的功率因数,降低线路损耗,减少变压器的铜损及电压损失,提高发配电设备的供电能力。有源滤波装置可以有效滤除电网中的谐波

(6)本工程中除了办公室等较小场所,其他场所内灯具均采用多回路配电的方式,可以根据需要关闭部分灯具;对于公共场所内灯具,其配电回路中均设置智能控制模块,同时连接至BMS系统,可以根据航站楼内的旅客量来自动控制灯具,达到节能的目的。

(7)本工程设置BMS系统,通过预先编排的程序对电力、照明、空调等设备进行最优化的管理,从而达到节能的目的。

结语
航站楼是机场的重要用电场所,用电量较大,设备较多,供配电系统较复杂,本文仅通过工程实例对某国外机场的供配电系统进行简要的介绍,航站楼内电气设计的内容较多,如照明设计、火灾自动报警及联动设计、电缆的选择、防雷与接地等等,限于篇幅,本文不再论述。

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