地鐵車站動力照明負(fù)荷計(jì)算的優(yōu)化分析

鮑 寅 龍

(中鐵二院貴陽勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 貴州 貴陽 550002)

0 引 言

地鐵用電負(fù)荷主要是由地鐵車輛及其相關(guān)的輔助設(shè)施所包含的總牽引動力負(fù)荷和地鐵車站內(nèi)低壓動力和照明設(shè)備負(fù)荷構(gòu)成的。其中,牽引動力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)比較固定(主要與行車用電需求、客流量、運(yùn)行狀態(tài)等因素有關(guān)),因此牽引負(fù)荷的計(jì)算相對準(zhǔn)確,貼近現(xiàn)實(shí)用電需求。但是車站內(nèi)部的照明插座,通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī),給排水的水泵、電梯、扶梯、屏蔽門以及弱電系統(tǒng)的UPS等各種用電設(shè)備配電方式多樣,且一條地鐵線路上每個(gè)車站相關(guān)的用電系統(tǒng)配置也不盡相同,因此地鐵車站的整體動力照明負(fù)荷設(shè)計(jì)會比較復(fù)雜。

本文探討了車站動力照明負(fù)荷計(jì)算中存在的問題及優(yōu)化方式。通過對貴陽市地鐵線路上某些車站用電負(fù)荷情況的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)車站的變壓器平均負(fù)荷率普遍不到25%。查閱資料了解到像廣州、武漢等一線城市地鐵變壓器負(fù)荷率也普遍不高,不到30%?？梢姮F(xiàn)有地鐵車站的負(fù)荷計(jì)算方式得出的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車站實(shí)際動力照明的負(fù)荷用電量。再結(jié)合目前地鐵動力照明設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)大多偏保守,且一般會留有一定富裕量,計(jì)算方式不夠靈活,所以整體的計(jì)算負(fù)荷會大于實(shí)際負(fù)荷,造成變壓器負(fù)荷率低、電纜截面選用過大、整體投資較高等問題。

1 車站動力照明現(xiàn)有負(fù)荷計(jì)算方式

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》第四版的定義,計(jì)算負(fù)荷是一種人為假定的理想的持續(xù)性負(fù)荷,它在一定的時(shí)間間隔中產(chǎn)生的熱效應(yīng)與變動的實(shí)際負(fù)荷相等。也就意味著計(jì)算負(fù)荷本身就是現(xiàn)實(shí)中實(shí)際負(fù)荷的一種近似模擬方式,為的是更方便進(jìn)行定義和計(jì)算。

現(xiàn)在民用建筑中最常用的負(fù)荷計(jì)算方式是需要系數(shù)法,簡言之就是根據(jù)建筑性質(zhì)及類別的不同通過大量的調(diào)研得出相關(guān)的需要系數(shù),然后將設(shè)備功率乘以相應(yīng)的需要系數(shù)來得到對應(yīng)的計(jì)算負(fù)荷,這些計(jì)算負(fù)荷再通過同時(shí)系數(shù)的校正相加得到總的計(jì)算負(fù)荷。這種方式廣泛運(yùn)用于民用建筑的負(fù)荷計(jì)算中,優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡便,結(jié)果可靠。地鐵動力照明基本也是以需要系數(shù)法來進(jìn)行計(jì)算的,以下是簡單的計(jì)算公式[1]:

Pc=KΣP∑(KdPe)

(1)

式中:Pc——計(jì)算有功功率;

KΣP——有功功率同時(shí)系數(shù);

Kd——需要系數(shù);

Pe——用電設(shè)備組的設(shè)備功率。

貴陽某地鐵車站需要系數(shù)計(jì)算示例如表1所示。

表1 貴陽某地鐵車站需要系數(shù)計(jì)算示例

2 車站動力照明用電負(fù)荷的基本組成

車站動力照明負(fù)荷按照負(fù)荷類型大致可以分為3類。

(1) 第一類屬于長期持續(xù)性負(fù)荷。長期持續(xù)性負(fù)荷能在規(guī)定環(huán)境溫度下連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。地鐵上常見的照明、小動力設(shè)備等都屬于這種負(fù)荷。其中照明按區(qū)域劃分為站廳及站臺公共區(qū)照明、出入口通道照明、設(shè)備及管理區(qū)照明、站臺板下及電纜夾層照明、戶外照明、消防應(yīng)急照明等。小動力設(shè)備包括設(shè)備及管理用房插座、公共區(qū)清掃插座、電熱水器、車站維修電源箱以及分體空調(diào)等。這些設(shè)備一旦啟動運(yùn)行時(shí)間較長,溫度穩(wěn)定。

(2) 第二類屬于短時(shí)工作制負(fù)荷。短時(shí)運(yùn)行工作制是指運(yùn)行時(shí)間短而停歇時(shí)間長,設(shè)備在工作時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量不足以達(dá)到穩(wěn)定溫升,而在間歇時(shí)間內(nèi)能夠冷卻到環(huán)境溫度的工作制。消防泵、隧道風(fēng)機(jī)、新風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、給排水泵、電扶梯、垂梯、屏蔽門、防淹門等都屬于這一類。

(3) 第三類為弱電系統(tǒng)類負(fù)荷,包括通信信號、綜合監(jiān)控、AFC等系統(tǒng)專業(yè)。這些弱電系統(tǒng)設(shè)備負(fù)荷是由弱電專業(yè)按照其各個(gè)模塊(主要是UPS)的額定功率之和相加后得到的。

3 車站現(xiàn)有負(fù)荷計(jì)算方式存在的問題

3.1 長期持續(xù)性設(shè)備的負(fù)荷計(jì)算

地鐵車站中照明、小動力設(shè)備等設(shè)備與常規(guī)民用建筑的供配電方式差別不大,并且這些負(fù)荷在開啟后基本會運(yùn)行較長時(shí)間,采用需要系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算是合理的,但是地鐵車站中需要系數(shù)的取值大多偏保守。

地鐵車站的公共區(qū)照明以及應(yīng)急照明燈具在工況情況下幾乎是全開啟的,現(xiàn)在常見的需要系數(shù)取值中對于公共區(qū)照明負(fù)荷基本都是按照需要系數(shù)1來取值,取值是合理的。而設(shè)備區(qū)照明包括站長室、公安值班室、0.4 kV開關(guān)柜室、環(huán)控電控室、民用通信設(shè)備室等大多數(shù)時(shí)候并非全部開啟,燈具往往在工作時(shí)間或者設(shè)備檢修時(shí)間內(nèi)才開啟,但以往的設(shè)計(jì)中設(shè)備區(qū)配電箱仍然按照需要系數(shù)1來取值,計(jì)算方式就顯然不合理了。

小動力設(shè)備主要包括各種房間插座以及清掃插座等,在之前的設(shè)計(jì)中也是“一刀切”,按照需要系數(shù)1進(jìn)行取值,造成計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷。

通過查表可知[2]:面積3 000～15 000 m2的照明、插座,其需要系數(shù)取0.7～0.4。

除了公共區(qū)照明外,其他區(qū)域照明可以取0.7的需要系數(shù)上限進(jìn)行計(jì)算,插座等小動力設(shè)備可以按照折中0.5需要系數(shù)進(jìn)行取值,其最終計(jì)算結(jié)果更為接近實(shí)際負(fù)荷。

3.2 短時(shí)工作制設(shè)備的負(fù)荷計(jì)算

3.2.1 風(fēng)機(jī)水泵類用電負(fù)荷

地鐵車站的風(fēng)機(jī)水泵以各種異步電動機(jī)為主,用電狀態(tài)比較復(fù)雜,其用電負(fù)荷又是整個(gè)地鐵車站用電負(fù)荷的大頭,這一計(jì)算結(jié)果直接影響到計(jì)算負(fù)荷總量的準(zhǔn)確性以及變壓器的規(guī)格選型。資料顯示,很多城市地鐵車站風(fēng)機(jī)水泵實(shí)際用電功率均遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值,這是造成變壓器選型過大、負(fù)載率較低的主要原因。

以貴陽地鐵為例,車站兩端一般有隧道風(fēng)機(jī),功率接近100 kW以上。在正常工況下,隧道風(fēng)機(jī)每次運(yùn)行半小時(shí),只在早上開始階段和晚上運(yùn)營結(jié)束階段開啟新風(fēng),除此之外的時(shí)間為停止?fàn)顟B(tài)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)的工況類似排煙風(fēng)機(jī),滿載功率不斷電運(yùn)行,但這種情況發(fā)生概率極小。一般設(shè)計(jì)人員對隧道風(fēng)機(jī)按照長期持續(xù)性負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算,需要系數(shù)取1,因?yàn)槿≈堤?并不符合正常工作用電情況。地鐵隧道風(fēng)機(jī)的需要系數(shù)會受到多種因素的影響,例如地鐵線路的長度、車站的數(shù)量、客流量、氣象條件等,因此,需要系數(shù)的參考值會因情況而異。在正常情況下,地鐵隧道風(fēng)機(jī)的運(yùn)行系數(shù)應(yīng)該在0.3～0.5。如果需要系數(shù)過低,會導(dǎo)致車站和隧道內(nèi)空氣質(zhì)量下降,影響乘客的舒適度和健康狀況;如果需要系數(shù)過高,會浪費(fèi)能源、加速設(shè)備的磨損和老化等。因此,合理控制地鐵隧道風(fēng)機(jī)的需要系數(shù)是非常重要的。

類似的情況冷水機(jī)組功率也在130 kW以上,一般都設(shè)置兩臺,兩臺同時(shí)運(yùn)行情況幾乎可以忽略不計(jì),但是大多數(shù)時(shí)候設(shè)計(jì)都是按照需要系數(shù)1(也即兩臺同時(shí)運(yùn)行考慮)來取值的。

由此可見,地鐵車站的風(fēng)機(jī)水泵基本通過采用需要系數(shù)法來計(jì)算,且系數(shù)取值較大,計(jì)算結(jié)果明顯偏大。再結(jié)合《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》[1]第四版,在用電設(shè)備基本都為5臺及以下情況下,不宜采用需要系數(shù)法,而推薦用利用系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

所以采用利用系數(shù)法來對風(fēng)機(jī)水泵負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

以貴陽某地鐵車站出入口風(fēng)亭水泵的計(jì)算為例,共5臺水泵,設(shè)備功率為4臺每臺6 kW,1臺5 kW。按照式(1)的需要系數(shù)法計(jì)算,可得風(fēng)亭水泵的計(jì)算負(fù)荷為29 kW,以下是詳細(xì)計(jì)算過程。

水泵的總的設(shè)備功率:

∑Pe=29 kW

水泵的總的計(jì)算負(fù)荷:

∑Pc=∑Pe×Kd=29 kW

需要系數(shù)Kd取1。

采用利用系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算,首先計(jì)算有功平均功率:

∑Pav=Ku×∑Pe

(2)

式中: ∑Pav——各用電設(shè)備組的有功平均功率之和;

∑Pe——用電設(shè)備組的設(shè)備功率之和;

Ku——最大負(fù)荷班的用電設(shè)備組利用系數(shù),查表可知水泵的Ku值為0.55。

則

∑Pav=Ku×∑Pe=15.95 kW

其次計(jì)算全計(jì)算范圍的總利用系數(shù):

(3)

式中:Kut——總利用系數(shù)。

則

計(jì)算用電設(shè)備有效臺數(shù)neq:

(4)

式中:neq——用電設(shè)備的有效臺數(shù);

Pei——第i臺用電設(shè)備的設(shè)備功率。

則

所以有效臺數(shù)為5臺。

根據(jù)以上計(jì)算,得到Kut=0.55,neq=5,查表得最大系數(shù)Km=1.49。

最終計(jì)算負(fù)荷為

Pc=Km×∑Pav=1.49×15.95=23.8 kW

因此,用需要系數(shù)法計(jì)算出來的29 kW明顯大于用利用系數(shù)法計(jì)算出來的23.8 kW,再結(jié)合水泵實(shí)際用電情況,能看到利用系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果更為合理準(zhǔn)確。

3.2.2 垂直電梯、扶梯、屏蔽門、防淹門等用電負(fù)荷

電扶梯的用電功率與地鐵車站客流量以及上行下行的運(yùn)行方式相關(guān),且不同車站因?yàn)槿肆髁坎煌鎏葸\(yùn)行時(shí)的實(shí)際功率也不一樣。一般認(rèn)為,下行扶梯的用電負(fù)荷要小于上行扶梯的用電負(fù)荷(上行需要抵抗乘客重力并輸送乘客到電梯提升高度,相對耗電量更大)。垂直電梯主要是作為電扶梯的一種輔助,方便有特殊需求的乘客使用,是典型的短時(shí)工作制狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員一般會簡單取需要系數(shù)1來直接進(jìn)行計(jì)算,這樣計(jì)算結(jié)果明顯偏大。經(jīng)調(diào)查,電扶梯和垂直電梯作為短時(shí)工作制設(shè)備一般按照0.5 h或者1 h考慮,額定負(fù)載持續(xù)率分別為εr=15%和εr=25%。正確做法應(yīng)該在用系數(shù)法計(jì)算前將設(shè)備功率的額定負(fù)載持續(xù)率換算到εr=100%狀態(tài)下。由于常規(guī)地鐵車站站內(nèi)出入口以及站臺層與站廳層之間都設(shè)有兩臺電扶梯,兩臺扶梯同時(shí)運(yùn)行還需考慮同時(shí)系數(shù)。不同電梯臺數(shù)的同時(shí)系數(shù)如表2所示,本文取值0.85。

表2 不同電梯臺數(shù)的同時(shí)系數(shù)

以貴陽某地鐵車站出入口電扶梯銘牌功率為30 kW,0.5 h工作制,共2臺電扶梯為例,計(jì)算結(jié)果如下。

將電扶梯的負(fù)載持續(xù)率εr=15%一律換算為負(fù)載持續(xù)率εr=100%狀態(tài)[1],計(jì)算式如下:

Pc=23.24×0.85×1=19.75 kW

式中:Pr——電動機(jī)額定功率;

εr——電動機(jī)額定負(fù)載持續(xù)率。

由此可見,通過負(fù)載持續(xù)率換算過后的計(jì)算負(fù)荷值從60 kW修正為19.75 kW,更貼近電梯實(shí)際運(yùn)行用電狀態(tài)。

屏蔽門是在列車正常行駛時(shí),列車在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)到站,屏蔽門系統(tǒng)在信號系統(tǒng)的指示下或者列車司機(jī)手動確認(rèn)后操作控制門方便旅客有序下車。一般情況下,車站左、右線的車輛同步到站、離站情況概率極低。根據(jù)相關(guān)資料的研究結(jié)論,屏蔽門的額定負(fù)載持續(xù)率按照εr=18.75%取值[3]。

防淹門一般布置防止局部隧道區(qū)間進(jìn)水漫延到其他隧道區(qū)間的門兩端,屬于防災(zāi)設(shè)備,正常情況下是不需要運(yùn)行的,處于待機(jī)狀態(tài),可以等同于空載狀態(tài)。屏蔽閘門的設(shè)計(jì)主要考慮維護(hù)和保養(yǎng)。額定負(fù)載持續(xù)率按照“較輕”運(yùn)行狀態(tài)考慮為εr=15%。屏蔽門和防淹門的計(jì)算方式類似電扶梯,此處不再贅述。

3.2.3 弱電系統(tǒng)類用電負(fù)荷

弱電系統(tǒng)類負(fù)荷最大的特點(diǎn)是系統(tǒng)中帶有不間斷電源(UPS)。UPS電源的輸出功率選擇方法:對電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電時(shí),其額定輸出功率應(yīng)大于計(jì)算機(jī)各設(shè)備額定功率總和的1.2倍。弱電專業(yè)提資一般都是按照弱電設(shè)備UPS的額定容量提資一個(gè)總和。參考一些廠家的樣本手冊,UPS實(shí)際輸出功率一般不大于額定容量的80%。設(shè)計(jì)人員往往直接把弱電專業(yè)提資的負(fù)荷拿來計(jì)算使用,例如弱電專業(yè)提資80 kVA的UPS容量,則計(jì)算負(fù)荷為

Pc=80×1=80 kW

顯然,計(jì)算值是偏大的,不太合理。

應(yīng)該將80 kVA的視在功率換算為有功功率,再進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算,如下所示:

Pe=S×cosφ×λ=51.2

通過功率換算后,計(jì)算負(fù)荷由80 kW調(diào)整為51.2 kW,計(jì)算結(jié)果更趨于合理。

4 結(jié) 語

地鐵車站作為城市重要公共項(xiàng)目,對供電安全可靠的要求比較高。在動力照明負(fù)荷計(jì)算中設(shè)計(jì)人員往往考慮比較保守,需要系數(shù)的取值也大多偏大,最終以少積多,使得總的計(jì)算負(fù)荷過大,變壓器選型也就相應(yīng)偏大。而根據(jù)實(shí)際調(diào)研的情況可知,變壓器實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率大大低于設(shè)計(jì)理想值,末端計(jì)算負(fù)荷過大也造成了電纜截面增大,總的投資增加,造成不必要浪費(fèi)。照明插座類持續(xù)性負(fù)荷在計(jì)算時(shí)根據(jù)不同區(qū)域、不同使用情況合理地選擇需要系數(shù)。針對公共區(qū)等燈具長期使用的地方可以把需要系數(shù)取得大一些,對于設(shè)備區(qū)等偶爾開啟的位置考慮0.5需要系數(shù)即可。對于短時(shí)工作制的各種通風(fēng)空調(diào)、水泵等大容量設(shè)備,針對5臺以下的情況,可以考慮采用利用系數(shù)法來代替需要系數(shù)法,計(jì)算更為準(zhǔn)確。對于電梯、屏蔽門等設(shè)備,則需要把設(shè)備的額定功率轉(zhuǎn)換為持續(xù)率為100%的額定持續(xù)負(fù)載率,然后再進(jìn)行需要系數(shù)的計(jì)算。弱電類用電負(fù)荷則需要將弱電專業(yè)提資的視在功率轉(zhuǎn)換為有功功率,再通過需要系數(shù)法得出計(jì)算負(fù)荷。本文的優(yōu)化方法會一定程度地改善負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確值,使其更加貼合實(shí)際用電負(fù)荷的功率,能更好地減少變壓器容量和電纜截面,減少不必要的投資。