2008奥运会北京射击馆冷水机组高低压供电方案比较
武毅 王磊（清华大学建筑设计研究院 100084）
摘要 本文介绍了2008奥运会北京射击馆集中制冷换热机房的离心式冷水机组的高低压供电系统比较方案，从电力系统初投资、运行中的电能损耗费用、零配件和维修费用、机电系统综合投资、对电网电能质量的影响、运行管理等多方面进行比较。进而针对不同制冷量的常用离心式冷水机组的供电方案进行了综合对比，得出了较为合理的通用选择方案。
关键词 离心式冷水机组 供电方案 投资费用
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前言
目前，我国民用建筑中使用的冷水机组的工作电压大多采用380V，这一电压等级对于中小容量的冷水机组较为合适，在大量的实践中也得到了证明。但是随着建筑体量的不断增大以及集中设置冷源节约能源的需求，冷水机组的单机容量越来越大，制冷量达到了几千kW，电动式机组的设备电功率达到了几百甚至上千kW，如果冷水机组再采用380V工作电压，那么在投资、运行和电气综合性能方面是否合适，能否采用更高的电压等级的机组？这是工程设计人员需要研究和回答的课题。本文以2008奥运会北京射击馆的制冷换热机房的电气设计为例探讨了这个问题。 2 工程概况
2008奥运会北京射击馆位于国家体育总局射击射箭运动管理中心园区内，园区规划供电电源为由杏石口变电站和大屯路变电站引来两路10kV电源至拟建的园区变电站，园区变电站向园区内的建筑提供10kV或者380 V电源。
集中制冷换热机房位于变电站的南侧，距离扩建变电站25米，用于向整个园区提供冷源，机房内设制冷量1406 kW（电功率269kW）电动式离心式冷水机组一台、 制冷量3165 kW（电功率556kW）电动式离心式冷水机组两台，水泵及其它配套设备的设备电容量为398kW。
3 供电方案
3.1 380V低压冷水机组供电方案
冷水机组采用380V低压电动机，设两台1000kVA的SCB9-1000/10型环氧树脂绝缘的干式变压器向集中制冷换热机房供电。
由于集中制冷换热机房规划面积有限而且距变电站较近，因此将两台变压器设在园区变电站内，采用低压电缆沿电缆沟敷设至冷水机组控制柜和其它配套设备的配电柜，配电柜至低压冷水机组的配线根据容量的不同采用电缆或密集母线。冷水机组自带启动装置。 3.2 10kV高压冷水机组供电方案
冷水机组采用10kV高压电动机，园区变电站向集中制冷换热机房提供一路10k V电源，冷水机组的高压柜位于机房控制室内；同时园区变电站内的变压器增容约600 kVA， 向集中制冷换热机房内的机组配套设备提供一路380V低压电源。10kV冷水机组自带启动柜。
4 供电方案综合分析
4.1 电系统投资成本及运行费用 4.1.1 投资成本
380V低压冷水机组供电系统的投资成本构成如下图：
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图1 380V低压冷水机组供电系统的主要设备材料的投资成本构成图
10kV高压冷水机组供电系统的投资成本构成如下图：
图2 10kV冷水机组供电系统的主要设备材料投资成本构成图
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根据以上数据，可以得出10kV高压冷水机组的供电系统比380V低压高压冷水机组的供电系统节省投资91万。
4.1.2 运行中电能损耗的费用
无论是高压电机冷水机组还是低压电机冷水机组采用的的都是电制冷方式，机组自身的运行费用基本相同，二者的差异主要体现在不同供电方案的电系统内部的电能损耗不同。电能损耗主要包括线路损耗和变压器损耗两部分。
380V冷水机组供电系统的电能损耗费用如下表所示：
表1：380V冷水机组方案系统运行电能损耗费用
电缆线路 线路计算线路单交流阻抗 L m 1 TM1 2 TM2 1000kVA 1000kVA 年电耗费用 15年电能损耗费用 变压器 空载有功负载有功设备全年运营投入小时数 最大负年有电费失小时能损数 耗 荷年损功电单价 能损长度 电流 位长度序设号 备 规格 损耗 损耗 Ijs A R' Ω/km ΔP0 ΔPk kW kW t h τ h ΔWT,ΔWL kWh ￥ ￥15 元 万元 万元 30 1.55 7.6 1.55 7.6 2160 2160 14521 0.55 0.80 15.97 2160 2160 14783 0.55 0.81 16.26 3 LV1 2-JV22-3x240+2x120 511 0.091 2160 2160 2310 0.55 0.13 2.54 2160 2160 4932 0.55 0.27 5.42 2160 2160 4932 0.55 0.27 5.42 2160 2160 2475 0.55 0.14 2.72 2160 2160 1155 0.55 0.06 1.27 2160 2160 2439 0.55 0.13 2.68 2160 2160 2439 0.55 0.13 2.68 49985 0.55 2.75 41.24 4 LV2 4-ZRYJV22-3x240+2x120 30 1056 0.091 5 LV3 4-YJV22-3x240+2x120 6 LV4 2-YJV22-3x240+2x120 7 LV5 2-YJV-3x240+2x120 8 LV6 9 LV7 1总0 计 1500A 1500A 30 1056 0.091 30 15 529 0.091 511 0.091 15 1056 0.045 15 1056 0.045 注：1. 冷水机组的使用寿命为15年，机组运行时间按每年运行6个月，每月运行30天，每天
运行12小时计算，则全年运行的小时数为2160小时。
2.计算公式：
供电线路年有功电能损耗：ΔWL=ΔPlτ(kWh) （1） 其中ΔPL：三相线路有功电能损耗
ΔPL＝3Ijs R x 10(kW)
Ijs :计算电流
R ：每相线路电阻.Ω.R=R’l x 10 R’：线路单位长度的交流电阻及阻抗，Ω/km L ：线路的长度，m
τ ：最大负荷年损失小时数,h
变压器年有功电能损耗：ΔWT=ΔP0 t + ΔPk kτ(kWh) （1）
其中ΔP0 : 空载有功损耗,kW
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ΔPk : 负载有功损耗，kW t : 设备全年运营投入小时数,h k :变压器负荷率
10kV冷水机组供电系统的电能损耗费用如下表所示：
表2：10kV冷水机组方案系统运行电能损耗费用
电缆线路 线路序号 设备 规格 长计算电变压器 负载有功设备全年运营投入小时数 线路单空载位长度有功抗 R' Ω/km 0.091 0.145 0.435 0.435 0.435 ΔP0 ΔPk kW kW 1.2 5.4 t h 4320 2160 2160 2160 2160 2160 τ h ΔWT,ΔWL ￥ ￥15
能损耗费
年电15年电能损耗最大负年有电荷年损功电费失小时能损单数 耗 价 交流阻损耗 损耗 用 费用 度 流 L m Ijs A kWh (元） 万元 万元 1 变压器增容 600kVA 2160 13309 0.55 0.732 14.64 2160 2475 0.55 0.136 2160 2160 2160 2160 180 0.55 0.010 11 0.55 0.001 43 0.55 0.002 43 0.55 0.002 2.72 0.20 0.01 0.05 0.05 2 LV1 3 LH1 4 LH2 5 LH3 6 LH4 7 合计 2-YJV22-3x240+2x120 30 529 YJV22-3x150 YJV-3x50 YJV-3x50 YJV-3x50 30 80 15 16 15 32 15 32 16062 0.55 0.883 17.67
注：1. 冷水机组的使用寿命为15年，机组运行时间按每年运行6个月，每月运行30天，每天
运行12小时计算，则全年运行的小时数为2160小时。
2.计算公式：与表1相同。
采用高压系统每年可以节省系统电能损耗费用：￥TS＝￥TL-￥TH =1.87万元
冷水机组的使用寿命按15年计，则15年节省的费用为 ：￥∑＝￥TS×15=28.0万元 4.1.3 零配件和维修费用
高压机组零配件和维修费用比低压机组高。此外，在市场上，10kV高压机组的备品备件和零部件的采购也比低压380V机组困难。 4.1.4 在整个冷水机组运行期间，10kV高压机组供电系统的投资运行费用比380V低压冷水机组节省约114.5万元（不含人员费用和零配件及维修费用）。 4.2 对电网电能质量的影响
电网的电能质量是指电压、频率和波形，主要指标包括电压偏差、电压波动和闪变、频率偏差、谐波和三相电压不对称度等。
4.2.1 由市电网提供给射击馆市的电源为两路10kV电缆线路，若使用的冷水机组也为10kV，当机组的配电及控制系统发生故障时，为平行电压直接冲击电网，其危害性比380V系统大。
4.2.2 电压波动和闪变
大容量电动机起动时，起动电流较大会引起供电系统电压下降，造成电网的电压波动，会引起对电网造成一定损害，危害与其连接在同一供电网络上的其它用户的电工设备。特别是10kV高压电动机，由于直接连接在10kV电网上，其对电网的影响更大。
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4.2.3 谐波
冷水机组的电机运转时都会对电网产生谐波干扰，谐波电流会使变压器、电动机等损耗增加、温度上升、绝缘加速老化 。同时还会因大量谐波电流的存在使电容器和系统产生并联谐振造成谐波电流放大，从而使电容器过载故障。
在低压冷水机组供电系统中,由于D,yn11接线组别的三相电力变压器的存在，利用一次侧绕组的三角形接法为3次及3的倍数次谐波电流提供了环流通路，使其不注入电网，注入电网的只有7、7、11、13…等次谐波电流，大大降低了注入谐波电流对10kV电网的影响。 4.2.4 无功功率补偿
感应电动机、变压器、高低压线路均需要大量的无功功率。由于无功功率通过线路系统导致电能损失、电压压降变大、增加了设备容量，因此在高压、低压供电系统方案中都应设置静电电容器补偿装置，使系统的功率因数达到0.95以上，满足电网的要求。
在低压机组供电系统方案中采用变电站集中设置带静电电容器补偿装置，由功率因数控制器根据负荷的情况分组投切电容器。
在高压供电系统方案中采用每台冷水机组配一台高压电容器柜，电容器并接在电动机的
端子侧与电动机同时启动和停止。 4.2.5 安全性
10kV设备绝缘层破损、击穿对操作人员的危害比380V设备大得多。电压高，则线路及设备周围的产生的磁场强度就大，吸附力强；同时电压高，线路及设备周围的电场强度就高，会产生电晕放电，极易导致触电。 4.3 运行管理
10kV高压的运行对操作人员的要求较高，必须持有高压操作证，低压没有这个特殊要求。
4.4 综上所述，在电气系统投资运行费用方面，10kV高压机组供电系统比0.4kV低压机组供电系统节省约114.5万元，但在冷水机组的寿命运行期间的人员费用、零配件和维修费用比低压机组高,而在系统的对电能质量的影响、安全性以及运行管理方面低压机组方案都有较大的优势。
5 综合评价
对于冷水机组高压电机和低压电机方案的的比较中，除了对电系统进行对比外还应考虑冷水机组本身采用不同电压等级的电机带来的差异，特别是价格方面：制冷量为3165kW的380V冷水机组（带自耦降压启动柜）的价格约为188万元，10kV冷水机组（带自耦降压启动柜、电容补偿柜）的价格约为282万元；制冷量为1406kW的380V冷水机组（带自耦降压启动柜）的价格约为96万元，10kV冷水机组（带自耦降压启动柜、电容补偿柜）的价格约为144万元。10kV高压冷水机组的设备投资比380V低压冷水机组设备投资高236万元。
在整个冷水机组投资运行期间，380V低压电机冷水机组的机组设备及电气部分的整体费用比10kV 高压机组相节省121.5万（不含人员费用和零配件及维修费用）。结论不难得出，从整体投资到运行管理以及对电网的影响等各个方面而言采用380V低压电机冷水机组是最合理的选择。
6 常用离心式冷水机组综合投资费用比较
在大型、超大型民用建筑设计中，冷冻动站是必不可少的，常用离心式冷水机组的制冷容量从100kW到5500kW间， 2008奥运会北京射击馆的制冷换热机房的机组选型结论具有一定的有普遍意义，我们可以采用与奥运射击馆制冷换热机房同样的比较方法对从下面比较典型的机组供电方案进行分析比较。
常用冷水机组380V电机和10kV电机供电方案如下图所示：。
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图3 常用冷水机组380V电机和10kV电机供电方案
常用10kV与380V冷水机组系统投资费用比较如下表所示：
表3 常用10kV与380V冷水机组系统投资费用比较表
10009509008508007507006506005505004504003503002502001501005001406158217581934211022852461263728133165351638684218457149225260380V冷水机组综合费用10kV冷水机组综合费用制冷量（kW)费用（万元）
从系统投资费用比较表中可以看出对于全系列冷水机组而言，380V电机冷水机组的电系统投资费用远远大于10kV系统。但是当考虑到冷水机组本身的差异时，结论发生了变化：当冷水机组的制冷量小于3516kW时，高低压系统的综合费用基本持平；当冷水机组的制冷量大于或等于3516kW时，高压系统的综合费用比低压系统节省近百万元以上。再综合考虑不同电压系统在人员费用、零配件和维修费用、对电能质量的影响、安全性以及运行管理等多方面因素，可以看出制冷量3516kW是分水岭，当冷水机组的制冷量小于3516kW时，宜采用10kV高压电机，由10kV高压系统直接供电；当冷水机组的制冷量大于或等于3516kW
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时，宜采用380V低压电机，采用10kV/0.4kV的变压器供电。 7 结语
如何选择大型离心式冷水机组的供电方案是一个综合性的问题，本文只是选用了2008奥运会北京射击馆集中制冷换热机房的案例做了简单的探讨。要想真正得到满意的答案，除了要考虑电系统本身的投资、运行外，还要综合考虑到冷水机组的自身条件，同时也要顾及电网的性能以及本文未涉及到的建筑空间的限制等多个方面。只有经过充分的分析比较，才能得出符合实际选择。
参 考 文 献
1 中国航空工业规划设计研究等编.工业与民用配电设计手册.第二版.北京:水利电力出版社，1994：14~21
2 吴竟昌等编.电力系统谐波.第一版.北京：水利电力出版社，1988：11~158 3 孙树勤编著.电压波动与闪变.第一版.北京：中国电力出版社，1988：1~118
4 雍静主著.供配电系统.第一版.北京：机械工业出版社，2003：272~283 5 董天禄主著.离心式/螺杆式制冷机组及应用.第一版.北京：机械工业出版社，2001：66~134
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