大型國際機場航站樓用電負荷研究

但目前行業(yè)內(nèi)沒有大型機場航站樓的變壓器容量設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可供參考，因此研究該類建筑變壓器容量實際負荷密度值，對建設(shè)平安、綠色的大型國際機場航站樓電氣設(shè)計具有重大意義。

1 工程概況

廣州白云國際機場一號航站樓首期工程面積約為37萬m2(如圖1所示，藍色區(qū)域為首期工程)，由主樓、東連接樓、西連接樓和東、西4條指廊(E1、E2、W1、W2)及東、西設(shè)備房等組成。本項目共分為4層，包括地下1層與地上3層，其中負一層通往地鐵、停車場和機場酒店，首層為到達、接機大廳和商業(yè)層，二層為到達夾層，三層為出發(fā)、候機大廳。作為我國三大樞紐機場之一，廣州白云國際機場一號航站樓首期工程以滿足2010年旅客吞吐量2 500萬人次設(shè)計，于2004年8月落成啟用。該航站樓建筑規(guī)模是當(dāng)時國內(nèi)各機場航站樓之最，樓內(nèi)所有設(shè)施設(shè)備均達到當(dāng)時國際先進水平。

圖1 一號航站樓總平面圖

2 供電系統(tǒng)介紹

廣州白云國際機場一號航站樓首期工程共設(shè)14個10 kV變電所，包括主變電所8個、分變電所6個，其中包含東、西設(shè)備房為冷源設(shè)備服務(wù)的2個主變電所。

本項目變電所名稱、變壓器安裝及服務(wù)范圍情況如表1所示。

表1 各變電所壓器安裝容量及服務(wù)范圍

各變電所平面布置與服務(wù)范圍如圖2所示。

圖2 一號航站樓首期變電所平面布置與服務(wù)范圍

3 10 kV供電系統(tǒng)與運行方式

一號航站樓首期工程8個10 kV主變電所分別從機場南110 kV變電站不同主變壓器的母線段引來兩路10 kV電源，兩路10 kV電源同時工作，100 % 互為備用，共引入16路10 kV電源。正常情況下，兩路10 kV電源同時供電，各帶約50 % 負荷，每路10 kV電源供電容量約為6 000 kVA;當(dāng)一路電源故障時，另一路電源可承擔(dān)兩段母線上所有負荷，供電容量約為12 000 kW。具體詳見圖3。

圖3 10kV供電系統(tǒng)示意圖

除6 kV空調(diào)制冷主機專用變壓器外，其它變壓器每兩臺一組，采用單母線分段運行方式。其中東、西設(shè)備房空調(diào)冷源水泵專用變壓器設(shè)計負荷率約75 %，當(dāng)一臺變壓器或進線電源故障時，手動斷開該變壓器進線斷路器，切除部分負荷，再手動合閘聯(lián)絡(luò)斷路器，由另一臺變壓器帶兩段母線上的重要負荷;其它變壓器正常時負荷率均不大于50 %，當(dāng)一臺變壓器或進線電源故障時，采用自投的運行方式由另一臺變壓器帶兩段母線上全部負荷，兩臺變壓器100 %互為備用。

4 變壓器安裝指標(biāo)

本工程共安裝變壓器44臺，總安裝容量為87 000 kVA。其中空調(diào)冷源安裝變壓器12臺，安裝容量為24 000 kVA;航站樓內(nèi)安裝變壓器32臺，變壓器安裝容量為63 000 kVA。各區(qū)域變壓器容量與各類負荷變壓器指標(biāo)統(tǒng)計如表2所示。

表2 各區(qū)域變壓器容量與各類負荷變壓器指標(biāo)

5 運行數(shù)據(jù)與統(tǒng)計分析

2012年5月筆者采集了一號航站樓首期工程2006 ~ 2011年共6年的各變壓器低壓側(cè)與10 kV專線電源進線回路電流的原始運行數(shù)據(jù)。經(jīng)過初步分析，由于2007年、2008年的日報表不完整，為了避免誤差，筆者直接將這兩年的數(shù)據(jù)排除;而2012年后的運行數(shù)據(jù)暫時無法完整取得，根據(jù)調(diào)研結(jié)果判斷2012年前運行數(shù)據(jù)基本能代表一號樓首期工程用電負荷的實際需求，因此本次重點研究2006年與2009 ~ 2011年共4年的運行數(shù)據(jù)。

在這些有效年份的數(shù)據(jù)中各變壓器低壓側(cè)(最大相)與10 kV專線電源進線回路每日電流最大值均包含正常運行和非正常運行的情況：變壓器非正常運行情況為其中一臺變壓器檢修或故障(包括電源故障)退出運行、由另一臺變壓器帶兩段低壓母線，引起該組變壓器中的一臺變壓器日最大電流值為“0”而另一臺的最大電流值明顯高于正常運行值;同樣，10 kV電源的非正常運行情況為一路10 kV進線故障或檢修造成系統(tǒng)一用一備運行或一組變壓器中其中一臺退出運行、由另一臺帶兩段低壓母線運行，引起相應(yīng)的10 kV電源系統(tǒng)一路進線日最大電流為“0”或明顯低于正常運行值，而另一路10 kV電源日最大電流明顯高于正常運行值。這些非常規(guī)運行情況的數(shù)據(jù)點為壞點，會影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，所以必須排除。

排除壞點的方法(以變壓器為例)：

a. 將各變電所的數(shù)據(jù)整理到同一個文件夾內(nèi)。

b. 將每臺變壓器的報表以月為單位分組。

c. 將同一變壓器每日電流最大值編號為X1~Xn(n個數(shù)據(jù))，用萊茵達準(zhǔn)則對非常規(guī)運行數(shù)據(jù)進行排除。萊茵達準(zhǔn)則：設(shè)對被測量樣本進行等精度測量，獨立得到樣本值x1，x2 …… xn，算出其算術(shù)平均值μ及剩余誤差vi(i = 1，2，……，n)，并按貝塞爾公式算出標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，若某個測量值xb的剩余誤差vb(1 ≤ b ≤ n)，滿足| vb | = | xb - μ | > 3σ，則認(rèn)為xb是含有粗大誤差值的壞值，應(yīng)予以剔除。計算公式如下：

式中：μ—— 樣本算術(shù)平均值;

xi —— 樣本值;

n —— 樣本個數(shù);

σ —— 標(biāo)準(zhǔn)差;

vi —— 剩余誤差(i = 1，2，……，n)。

以月為單位，根據(jù)萊茵達準(zhǔn)則將所采集每日數(shù)據(jù)求均值和標(biāo)準(zhǔn)差，凡數(shù)據(jù)滿足 |xb - μ | > 3σ，則剔除該數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)據(jù)。

6 數(shù)據(jù)整合

顯著性水平α是假設(shè)檢驗中的一個概念，是指當(dāng)原假設(shè)正確時卻把它拒絕了的概率或風(fēng)險。它是公認(rèn)的小概率事件的概率值，必須在每一次統(tǒng)計檢驗之前確定，通常取α = 0. 05或α = 0. 01。這表明，當(dāng)作出接受原假設(shè)的決定時，其正確的可能性(概率)為95 % 或99 %。換句話說，就是給一組數(shù)據(jù)定義一個區(qū)間范圍，不在這個區(qū)間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率就叫顯著性水平。

查“相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗表”可得，雙側(cè)界值為P5和P95測得的值應(yīng)取落在(μ - 1. 64σ，μ + 1. 64σ)之間。以每個月的數(shù)據(jù)為單位，去除壞點后，重新求得均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ。取顯著性水平α = 0. 10，雙側(cè)界值為P5(5 %)和P95(95 %)，查“相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗表”可得，(μ - 1. 64 σ，μ + 1. 64σ)之間的數(shù)值為有效值。取有效值后再求均值，最后比較全年12個月的均值，取最大值作為全年峰值。

最后整理出各變壓器與10 kV進線回路年運行峰值負載率，如圖5 ~ 圖6所示。

圖5 設(shè)備機房各變壓器年峰值負載率對比

圖6 樓內(nèi)10kV進線年峰值負載率對比

由相關(guān)變壓器年有效峰值運行電流和乘以工作電壓，再除以功率因數(shù)與建筑總面積推導(dǎo)出峰值負荷密度值。各統(tǒng)計口徑下每年峰值負荷密度值與變壓器平均峰值(各變壓器峰值)負載率詳見表3。

表3 年峰值負荷密度值與變壓器平均峰值

根據(jù)上述分析結(jié)果，得出一號航站樓首期空調(diào)冷源的負荷密度值為53 W/m2，建筑類負荷的負荷密度值為40. 1 W/m2，航站樓內(nèi)負荷的負荷密度值為58. 3 W/m2。由空調(diào)冷源負荷密度最大值與航站樓內(nèi)負荷密度最大值相加，得到航站樓總負荷密度值為111. 3 W/m2。

7 運行數(shù)據(jù)分析

對一號航站樓首期用電負荷情況進行長期跟蹤與深入研究后可以看到，航站樓各變壓器與10 kV進線最高運行負載率偏低、用電負荷高峰時段不一致、旅客吞吐量增長情況對變壓器與10 kV進線負載率影響不明顯，具體情況如下：

a. 一號航站樓內(nèi)變壓器最高運行負載率為27.3 % ~ 36 %，約為設(shè)計值的55 % ~ 72 %。原因分析：①登機橋用電、飛機機艙專用空調(diào)、機用400 Hz電源等空側(cè)設(shè)備運行時間短，整體而言空側(cè)設(shè)備與弱電系統(tǒng)、行李處理系統(tǒng)、餐飲廚房等負荷同期系數(shù)低。②建筑采光良好，晴朗白天高大公共空間場所幾乎不需要人工照明，故不同用電負荷的用電高峰(如18：00 ～ 24：00大空間照明用電高峰、8：00 ～ 17：00辦公用電高峰與11：00 ～ 16：00空調(diào)用電高峰)自然錯開。③空調(diào)風(fēng)柜變頻控制節(jié)能效果良好，如部分空調(diào)風(fēng)柜變頻器秋冬季時工作頻率低至35 Hz，夏季為45 Hz，其對應(yīng)輸出功率僅為額定輸出的35 %和73 %。

b. 樓內(nèi)各區(qū)域用電負荷高峰出現(xiàn)時間不一致。其原因包括航站樓面積大、負荷類型多、平面功能復(fù)雜。變壓器運行情況如下：①在使用空調(diào)的季節(jié)，設(shè)備房(空調(diào)制冷機房)變壓器與10 kV進線運行負載率長期接近峰值;而在非空調(diào)季節(jié)空調(diào)冷源專用變壓器關(guān)停，其10 kV進線負載率很低。②樓內(nèi)用電高峰期集中在8 ~ 10月的上午6：00 ~ 9：00與下午15：00 ~ 20：00之間。③指廊空側(cè)設(shè)備用電變壓器負載率相對較高，但高峰期較短，且與建筑變壓器負載率峰值不同步。

c. 2006 ~ 2010年旅客吞吐量由2 600萬增長到4 000萬人次，到2017年旅客吞吐量穩(wěn)步增長到6500萬人次(含二期)，但變壓器與10 kV進線高峰負載率變化卻不大。主要原因分析：①航站樓內(nèi)50 % 以上的區(qū)域為旅客公共區(qū)域，公共區(qū)域中的空調(diào)、照明、航顯標(biāo)識、廣告等用電量對客流量的敏感度不高。②航站樓面積大、每天的營運時間長，并受空域條件影響，同一時間內(nèi)單位面積旅客高峰人數(shù)與進出港高峰航班數(shù)量增長不大;旅客吞吐量增加主要靠延長每天的營運時間，并將每天的高峰與次高峰運營時間延長等措施實現(xiàn)，因此變壓器每天的高峰負載率運行時間相應(yīng)延長、平均負載率提高，但最高運行負載率增長不大。③運營管理部門不斷采取節(jié)能減排措施，進行有針對性的節(jié)能降耗管理，降低旅客的人均能耗量。

d. 航站樓內(nèi)各區(qū)域負荷分布不均勻，指廊區(qū)域由于有大量空側(cè)設(shè)備，負荷密度較高。但除工藝類負荷設(shè)備外，建筑類負荷各區(qū)域的負荷密度基本一致。

e. 樓內(nèi)各變壓器負載率峰值與10 kV進線負載率峰值基本同步，但總體上10 kV進線負載率峰值比變壓器負載率峰值低10 % ~ 15 %。

f. 一號航站樓2006 ~ 2011年運行負荷基本穩(wěn)定，實測數(shù)據(jù)與分析結(jié)論可靠性高，可作為大型國際機場航站樓負荷計算的參考依據(jù)。

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