某工業(yè)廠房電氣設(shè)計探討

黃 麗

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司, 福州 350001)

0 引言

在我國電動汽車高速發(fā)展的帶動下，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)也保持著快速增長，對鋰離子電池的安全性、性能一致性的要求也越來越高。除電動車外，鋰離子電池還廣泛應(yīng)用于電子類、儲能類等領(lǐng)域，行業(yè)發(fā)展前景廣闊，該行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)和推廣的關(guān)鍵階段，電池廠的建設(shè)也在蓬勃發(fā)展。對于電氣設(shè)計,需要明確廠房是單層、多層或是高層廠房，要了解其用途、生產(chǎn)工藝要求及生產(chǎn)過程或產(chǎn)品是否存在爆炸危險等，為后續(xù)設(shè)計工作做好信息收集。本文主要以某個工程實例為基礎(chǔ)，討論工業(yè)廠房的電氣設(shè)計。

1 工程概況

本工程位于福建省寧德市，以鋰離子正極材料生產(chǎn)為主。地上由4棟6層工業(yè)廠房、1棟3層綜合樓、1棟5層質(zhì)檢樓、4棟6層倒班宿舍、1棟3層維修車間組成，綜合樓地下一層為車庫兼戰(zhàn)時人防地下室,面積約1 800m2。工業(yè)廠房建筑高度約為49m，其余樓建筑高度均不超過24m。根據(jù)建設(shè)方提供的工藝，生產(chǎn)使用的原料及過程中產(chǎn)生均為不燃燒固體。本工程不涉及可燃性、爆炸性的危險化學(xué)品。

本工程中的廠房為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)高層工業(yè)建筑，根據(jù)建設(shè)單位提供的資料及GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(2018版)中表3.1.1-生產(chǎn)的火災(zāi)危險性分類表格確定，廠房生產(chǎn)的火災(zāi)危險性類別為丁類。丁類廠房目前相關(guān)專業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)少，只有紡織工程等專業(yè)廠房才有專業(yè)的設(shè)計規(guī)范，因此現(xiàn)階段一般性工業(yè)廠房的設(shè)計仍需參考民用建筑類的設(shè)計規(guī)范。

2 供電方案

2.1 全廠負(fù)荷等級的確定

本工程廠房按高層丁類工業(yè)建筑設(shè)計，綜合樓、質(zhì)檢樓及倒班宿舍按多層公共建筑設(shè)計，廠房室外消火栓用水量35L/s；其消防控制室、消防水泵、消防電梯、防煙排煙設(shè)施、火災(zāi)自動報警、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、應(yīng)急照明、疏散指示標(biāo)志和電動的防火門、窗、卷簾、閥門等消防用電及走道照明、值班照明、警衛(wèi)照明、障礙照明用電，電子信息設(shè)備機(jī)房用電，客梯用電，排污泵、生活水泵用電等為二級負(fù)荷，其余為三級負(fù)荷。經(jīng)與建設(shè)單位協(xié)商溝通，其工藝設(shè)備對供電的可靠性要求不高，即突然停電造成的損失不大，因此工藝設(shè)備用電確定為三級負(fù)荷。

2.2 A/B廠房變電所的設(shè)置

根據(jù)建設(shè)方提供的工藝用電需求，廠房A工藝用電約為18 000kW,其東西兩側(cè)各有6條輥道爐的生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線用電量均為900kW，另設(shè)有混合機(jī)(75kW/臺)、制粉機(jī)(61kW/臺)、過篩機(jī)(8.8kW/臺)等工藝設(shè)備若干，合計功率約為7 200kW。 考慮加上廠房工藝設(shè)備配套的空調(diào)用電及一般照明、插座等用電，本工程擬設(shè)置12×2 500kVA 的干式變壓器。

廠房內(nèi)工藝用電設(shè)備多、用電量大，且有單臺大容量用電設(shè)備對稱分布于廠房左右兩側(cè)，根據(jù)用電負(fù)荷的分布，若廠房A僅設(shè)置一個變電所，則變電所需要設(shè)置在廠房中間位置且占地面積大，影響產(chǎn)品的運輸通道設(shè)置，亦會增加對東西兩側(cè)的大容量工藝設(shè)備的供電距離，故在廠房東西兩側(cè)各設(shè)置一個變電所，不僅減少了對生產(chǎn)工藝布置的影響，而且變電所位置處在大容量用電設(shè)備的下方，是實際意義的負(fù)荷中心。廠房A與廠房B工藝相同，故變電所設(shè)置與廠房A相同。廠房A、B內(nèi)設(shè)置的變電所僅為廠房內(nèi)用電服務(wù)。

2.3 北側(cè)廠房變電所的設(shè)置

維修車間位于廠房A、B北側(cè)，其內(nèi)設(shè)置有空壓機(jī)(500kW/臺)等單臺大容量工藝用電設(shè)備、吸干機(jī)、熱回收設(shè)備等小容量工藝設(shè)備以及冷凍機(jī)組、冷卻循環(huán)泵等大容量用電設(shè)備，故在其一層設(shè)置一個變電所，設(shè)置2×2 500kVA干式變壓器，負(fù)責(zé)維修車間內(nèi)用電。廠房C、D為二期建設(shè)，其變電所待二期建設(shè)時確定，本次討論不涉及廠房C、D。

在設(shè)計過程中當(dāng)遇到工業(yè)廠房是由若干棟單層廠房組成且用電量不大時，亦可考慮在負(fù)荷中心位置設(shè)置一個變電所服務(wù)若干個廠房，無需各樓單獨設(shè)置變電所。

2.4 配套建筑變電所的設(shè)置

本工程配套服務(wù)的綜合樓、質(zhì)檢樓及倒班宿舍位于廠房A、B南側(cè)。綜合樓用途為食堂、餐廳、報告廳等，質(zhì)檢樓用途為辦公室、會議室以及質(zhì)量檢測和性能分析實驗室等。在質(zhì)監(jiān)站一層設(shè)置一個變電所，內(nèi)設(shè)2×1 250kVA干式變壓器，負(fù)責(zé)本樓及綜合樓和宿舍樓的用電。

3 動力配電

對于工業(yè)廠房而言，動力配電設(shè)計的最主要依據(jù)是工藝的具體情況、設(shè)備數(shù)量、用電量大小及建設(shè)方的需求等多種因素。以本工程中的A廠房為例，該廠房為建設(shè)方自建自用，工藝用電需配置到位。根據(jù)建設(shè)方提供的工藝設(shè)備用電量、計算電流及對應(yīng)工藝設(shè)備配電柜的位置等信息，對于如輥道爐(900kW/套，設(shè)備自帶控制柜)、煅燒設(shè)備(400kW/套，設(shè)備自帶控制柜)等超大容量用電設(shè)備采用母線槽由變電所放射式供電，對于混合機(jī)控制柜(75kW/臺)、高混控制柜(90kW/臺)等大容量用電設(shè)備則采用電纜由變電所放射式供電，對于破碎機(jī)控制柜(8.8kW/臺)等小容量用電設(shè)備則在配電間設(shè)置總配電箱，由總配電箱放射至每臺設(shè)備的供電方式，總配電箱電源引自變電所。局部配電干線系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 廠房A局部配電系統(tǒng)圖

當(dāng)在設(shè)計過程中遇到廠房為建設(shè)后用于租賃的情況時，建設(shè)方無法提供工藝用電需求，經(jīng)與建設(shè)方溝通后，可在施工圖設(shè)計階段在變電所內(nèi)預(yù)留工藝用電。此時，當(dāng)遇到幾棟廠房合用變電所時，還需在總平設(shè)計時預(yù)留由變電所至各單體廠房的工藝用電預(yù)埋管數(shù)量，具體數(shù)量可與建設(shè)方溝通后確定。

4 照明設(shè)計

4.1 燈具選擇及安裝

工業(yè)廠房照明設(shè)計所涉及到的燈具的選擇、安裝高度及安裝方式等設(shè)計需結(jié)合廠房的層高、工藝要求、潔凈程度、爆炸危險性以及結(jié)構(gòu)形式(包含了鋼結(jié)構(gòu))等因素進(jìn)行綜合考慮設(shè)計。以本工程廠房A為例，廠房標(biāo)準(zhǔn)層層高8m，工藝設(shè)備布置到位，廠房內(nèi)除開敞大空間外，還設(shè)置有若干工藝隔間，隔間內(nèi)工人需在設(shè)備平臺上進(jìn)行操作，此時作業(yè)面距離頂板高度約為3.5～4m之間。根據(jù)廠房的高度空間選擇燈具及光源，在廠房機(jī)械化生產(chǎn)線(高大空間)的頂部，選用LED工礦燈，桿吊安裝，滿足一般照明要求；在工藝隔間(需配備生產(chǎn)作業(yè)人員)內(nèi)選用LED熒光燈，吸頂安裝，滿足局部照明要求。特別值得注意的是以上燈具均不應(yīng)布置在工藝設(shè)備的正上方，避免影響工藝設(shè)備本身的管道布置。廠房設(shè)計中選用LED光源具有光效高、壽命長等優(yōu)點，但在長期工作或停留的場所，顯色指數(shù)Ra不應(yīng)低于80。

此外，因廠房走道頂上橋架及其他設(shè)備管道多，為避免燈具被管道遮擋，故走道照明燈具采用壁裝的安裝方式。當(dāng)設(shè)計過程中遇到鋼結(jié)構(gòu)廠房，其燈具的安裝方式可采用沿鋼梁下明裝的方式。

4.2 照明配電及控制

工業(yè)廠房在空間上有高度高、面積大的特點，為保證斷路器保護(hù)的靈敏性以及滿足設(shè)備供電電壓的要求，不能簡單的按一個防火分區(qū)設(shè)置一個配電間，根據(jù)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集19DX101-1《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》第63頁表4.31 220V/380V TN系統(tǒng)內(nèi)用斷路器作故障防護(hù)時銅芯電纜最大允許長度(m)，在建筑電氣設(shè)計中大量使用的是截面2.5mm2絕緣銅導(dǎo)線，當(dāng)斷路器長延時脫扣器的整定電流為10A時，其最大允許長度73m，若扣除垂直敷設(shè)長度按3m(一般建筑的層高高度)計算，則水平最大允許長度70m，此時如圖2所示。

圖2 配電間服務(wù)半徑示意圖

考慮到工業(yè)廠房若正常照明突然失效時將會影響其正常工作，為保證生產(chǎn)過程中照明用電的可靠性，在兩側(cè)的配電間內(nèi)各增設(shè)一個備用照明配電箱，與普通照明箱一起采用交叉配電的方式，負(fù)責(zé)對應(yīng)區(qū)域的照明，為減少備用電源容量，普通照明與備用照明按二比一交叉供電。同一區(qū)域的照明分別引自不同配電箱，不同配電箱的供電電源分別引自變電所不同變壓器的低壓系統(tǒng)，提高了照明供電的可靠性。

工業(yè)廠房的照明一般集中在配電箱處控制，但本工程因工藝設(shè)備布置到位，根據(jù)建設(shè)方提供的工藝要求，工藝設(shè)備對應(yīng)的配電柜設(shè)置在設(shè)備旁邊，為了使用方便，對出入口、工藝隔間內(nèi)以及配電柜所在路徑上的照明燈具采用就地控制。

4.3 疏散照明設(shè)計

工業(yè)廠房雖然空間大，但工藝設(shè)備多，場地內(nèi)情況復(fù)雜，其疏散通道上設(shè)置在距地0.3m處的方向標(biāo)志燈容易被工藝設(shè)備遮擋，影響疏散。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或其他事故引起電源中斷時，為確保人員安全疏散，可將其改為吊裝,安裝高度與次梁平。廠房內(nèi)疏散指示標(biāo)志燈具布置局部示意圖如圖3所示。

圖3 廠房A局部疏散指示燈具布置示意圖

此外，當(dāng)廠房內(nèi)設(shè)置有火災(zāi)自動報警系統(tǒng)或控制中心報警系統(tǒng)時，應(yīng)采用集中控制型應(yīng)急照明系統(tǒng)，此時疏散照明燈具應(yīng)獨立設(shè)置，不兼用日常照明。需要特別注意的是，在設(shè)計過程中遇到層高大于12m的廠房時，應(yīng)采用B型疏散照明燈具，此時該照明回路應(yīng)設(shè)置故障電弧保護(hù)裝置。

5 防雷與接地

本工程中變電所設(shè)置在廠房內(nèi)部，采用TN-S接地系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置PE專用保護(hù)接地線，PE線嚴(yán)禁串聯(lián)連接。保安接地、防雷接地和弱電接地共用同一組接地體。根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，廠房按第二類防雷建筑物保護(hù)措施設(shè)計。廠房屋面為混凝土屋面，屋面上所有的金屬構(gòu)件、外露金屬管道均用Φ12圓鋼與防雷接閃網(wǎng)聯(lián)結(jié)，突出屋面的風(fēng)管、煙囪等物體的頂部邊緣均設(shè)防雷接閃帶，同時與屋面防雷接閃帶焊通。

當(dāng)在設(shè)計中遇到鋼結(jié)構(gòu)建筑，則可利用廠房本身的鋼制材料進(jìn)行防雷設(shè)計，但需明確鋼結(jié)構(gòu)屋面的材質(zhì)及厚度才可依據(jù)規(guī)范決定是否能利用其屋面作為接閃器。

值得注意都是，本工程廠房因工藝設(shè)備布置到位，部分工藝設(shè)備配電柜設(shè)置在設(shè)備邊上，無專門隔間隔開，為保證人身安全，在工藝設(shè)備旁的配電柜處設(shè)置輔助等電位聯(lián)結(jié)，作為故障保護(hù)的附加保護(hù)。而對于工藝未設(shè)置到位的廠房，可在接地平面中預(yù)留多點引出點供后續(xù)設(shè)備接地用。對于用電設(shè)備較多的場所，雖然規(guī)范未要求設(shè)置輔助等電位，但是為了確保用電安全，防止電擊，設(shè)置輔助等電位聯(lián)結(jié)是非常有必要的。

6 結(jié)束語