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某储能项目压缩机厂房和膨胀机厂房按《压缩空气站设计规范》(GB 50029—2014)[9]第2.0.3条建议,采用分厂房设计,其中设计的压缩机厂房平面布置图如图2所示。
从图2可以看出,3台压缩机横向中心线平行布置在压缩机房内,压缩机房长度为58.0 m,A-B跨度为20.0 m,屋架下弦标高为19.8 m,轨顶标高16.2 m。3台压缩机采用高位岛式布置,压缩机房零米布置有3台压缩机的润滑油模块。辅机楼布置在压缩机房内B~C跨内,长度为58.0 m,跨度为5.5 m,共2层。辅机楼零米层布置有10 kV配电间、380 V配电间和蓄电池室。辅机楼6.5 m层布置有10 kV变频器室、控制室和380 V配电间。
除了压缩机厂房,根据规范建议单独设置了透平膨胀机房,其平面图如图3所示。
从图3可以看出,1台透平发电机组纵向布置在透平机房内。透平机房长度为50.0 m,B~C跨度为16.0 m,屋架下弦标高为18.8 m,轨顶标高15.5 m。透平发电机组采用高位岛式布置,透平机房零米主要布置有主油箱、EH油装置等。辅机楼布置在透平机房内A~B跨内,长度为50.0 m,跨度为9.0 m,共2层。辅机楼零米布置有配电间、通信机房、380 V配电间、UPS室和卫生间等。辅机楼6.5 m层布置有电气继电器室、电子设备间、工程师室、控制室、会议室和交接班室等。
从本质上讲,压缩机和膨胀机都属于高转速转动机械,两者流通介质都是高压空气。压缩侧是用电动机带动压缩机将空气进行加压存储,膨胀侧则是通过膨胀机将存储的高压空气进行膨胀释能,带动发电机进行发电。从工艺流程看,合并厂房设计并不会导致危险源发生变化。
采用合并厂房设计,压缩机和膨胀机可以共用检修起吊装置,主厂房内设置1台桥式起重机,起重量根据厂房内检修起吊最重件确定。原单独设置的两块检修场地可以共用,主厂房长度缩减至100.0 m,降低了土建投资成本。合并后的机器间、辅控楼宽度与原压缩机厂房一致,A~B跨度20.0 m,屋架下弦标高为19.8 m,轨顶标高16.2 m,3台压缩机横向中心线平行布置、1台透平发电机组纵向布置于A~B跨内。辅机楼布置在主厂房内B~C跨内,跨度为5.5 m,共2层,原压缩机房和透平机房各自的配电间、UPS室及蓄电池室等进行了压缩合并,单台电气设备容量增大、数量减少。同时,合并厂房后各用电设备布置更近,原两厂房之间的连接母线和厂用电缆可以大量缩减,降低了电气电缆的采购和施工成本。某储能项目分厂房设计与合并厂房设计经济性比对如表1所示,可以看出采用合并厂房设计总投资较分厂房设计可减少793.9万元。
表 1 分厂房与合并厂房设计经济性对比
Table 1. Economic comparison between separate powerhouse design and combined powerhouse design
项目 分厂房设计 合并厂房设计 主厂房总长度/m 108.0 100.0 机器间宽度/m 20.0/16.0 20.0 辅控楼宽度/m 5.5/9.0 5.5 主厂房总体积/m3 基准 −4 975.0 主厂房土建费用/万元 基准 −304.5 起吊装置费用/万元 基准 −180.0 电缆沟及电缆桥架费用/万元 基准 −33.0 10 kV浇筑母线及安装费/万元 基准 −162.8 电缆材料及安装费/万元 基准 −113.6 总投资/万元 基准 −793.9 表1中,初设收口版概算单位体积综合造价压缩机房为695元/m3、膨胀机房为612元/m3,合并厂房减少的体积单位综合造价按照612元/m3计算。
合并厂房后可缩减原压缩机厂房与膨胀机厂房间电缆沟、电缆桥架和10 kV浇筑母线长度约80.0 m,电缆总长减少约9.1 km,按6 kV以上动力电缆、6 kV以下动力电缆和控制电缆各占三分之一考虑。材料单价均按照实际采购单价考虑。因压缩机和膨胀机与各自对应换热器场地的相对位置不变,合并厂房后工艺管道长度基本不变。
因此,从工艺流程、系统集成度、整体经济性、运行维护方便以及不会引起危险源变化角度考虑,建议大规模压缩空气储能项目将压缩机房和膨胀机房进行合并厂房设计,目前投运的中国科学院贵州毕节10 MW压缩空气储能示范平台和山东肥城10 MW先进压缩空气储能电站也都采用了合并主厂房的设计方案。
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《压缩空气站设计规范》(GB50029—2014)[9]第4.0.9条的条文解释对离心压缩机的布置方式进行了说明,从压缩机的结构型式和现场安装条件两个方面,建议压缩机段数较多、进排气口上下连接或中间冷却器独立布置时采用双层布置形式,而对于压缩机侧向进气或冷却器与压缩机合体布置时则推荐采用单层布置形式。需要指出的是,这一条针对的是压缩机本体的布置,某储能项目多轴离心式压缩机采用的岛式高位布置,相当于是双层结构型式。而第2.0.4条规定的单层要求指的是机器间的建筑结构,即除了屋面,机器间建筑物中间不得有其他楼层。
压缩机房内储存压缩空气的容器包括压缩机缸体和各级空气管道,某储能项目压缩机房压缩空气储存容积如表2所示。
表 2 压缩机房压缩空气储存容积
Table 2. Storage volume of compressed air in the compressor room
项目 压力/MPa 温度/℃ 储存容积/m3 空气体积/Nm3 LP压缩机本体、级间管路 0.58 180 119.00 416 LP压缩机出口管路 0.92 340 9.72 40 MP压缩机进口管路 0.92 40 3.48 28 MP压缩机本体、级间管路 4.90 190 27.00 780 MP压缩机出口管路 6.22 340 2.52 70 HP压缩机进口管路 6.22 40 1.71 93 HP压缩机本体、级间管路 9.15 70 2.95 215 HP压缩机出口管路 14.10 116 1.20 119 合计 — — 167.58 1 760 注:(1)压缩机本体、级间管路所注为平均工作压力和平均工作温度;(2)压缩机间管路未计列压损。 假设压缩机系统内的管道或设备存在质量瑕疵、运行时存在物理爆炸风险,从表2中的数据可以看出,压缩机房压缩空气的储存容积共167.58 m3,假设压缩机系统内所有的设备和管道同时发生物理爆炸,爆炸后的高压空气折算成标态下的体积为1 760 Nm3,仅为压缩机房A~B跨体积22 968 m3的7.7%。从表2中也可以看出,5.00 MPa以上的高压空气储存容积仅为8.38 m3,体积较小,设备或管道系统事故时高压空气扩散到整个厂房空间后压力已经很小,且压缩机房为非密闭空间,屋顶有机械通风,可以很好的对高压空气进行泄压。
压缩机房采用大平台布置,将厂房的空间一分为二后,单层的体积仍有11 484 m3,并不会影响泄压效果。大平台布置的目的是方便检修通行和管道支吊,底层主要是布置管道和一些辅助设备,所以即使发生破坏,与单层布置产生的影响相似。 而且楼层隔断并不需要满铺楼板,可以采用楼板和钢格栅板结合的形式,从而增强厂房的泄压能力。
基于以上分析,建议压缩空气厂房可以根据工艺布置和检修运行需求,采取大平台的布置方式。尤其采用合并厂房设计后,大平台布置可以进一步提升空间利用率和使运行维护方便。
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《压缩空气站设计规范》(GB50029—2014)[9]第5.0.5条是强制性条文,其条文指出10.00 MPa及以上高压力等级的压缩机属于易发生事故的高压设备,出于安全角度考虑提出了设置隔墙的要求。从表2中的数据看出,压缩机房10.00 MPa以上的高压空气储存容积仅为1.2 m3,体积非常小,即使发生物理爆炸,飞射物产生的冲击伤害也不大。同样作为高转速的旋转机械,目前超超临界二次再热百万机组汽轮机的新蒸汽进汽参数达到31.00 MPa、605 ℃以上,相关规范也并未提出汽机房设置钢筋混凝土防护隔墙的要求。
针对储能系统建设,北京颁布了地方标准《电力储能系统建设运行规范》(DB11/T 1893—2021)[18],其中附录E第2.3条规定:压缩空气储能系统的生产车间、作业场所、辅助建筑、附属建筑、生活建筑和易燃易爆的危险场所以及地下建筑物设计应符合GB 50016的有关规定。而《建筑设计防火规范(2018年版)》(GB50016—2014)[19]第3.6.10条规定,有爆炸危险区域内的楼梯间、室外楼梯或有爆炸危险的区域与相邻区域连通处,应设置门斗等防护措施。门斗的隔墙应为耐火极限不应低于2.00 h的防火隔墙,门应采用甲级防火门并应与楼梯间的门错位设置。在美标Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems(NFPA 855—2020)[20]第4.3.6条中也有相似的规定:包含ESS(Energy Storage Systems)储能系统的房间或空间,应与建筑物内其它区域用耐火极限不低于2.00 h的防火隔断和水平组件隔开,并按照当地建筑规范建造。
通过以上分析,并结合文章第2节关于压缩机爆炸危险性分析的结果,考虑到压缩机房10 MPa以上高压空气的储存容积较小, 在压缩机房厂房设计时,可参照GB 50029—2014第5.0.5条规定执行,并在机器间隔断建筑设计过程中做如下优化:压缩机厂房与其他房间相邻时,为防止压缩机因产品质量问题或人为原因导致的意外事故发生,机器间应设置钢筋混凝土隔墙,同时可以设置甲级防火门,防火门的位置应与楼梯间错位布置,应同时设置门斗或采取其他防护措施,门斗应设置耐火极限不低于2.00 h的防火隔墙。
Optimization Analysis of Main Power House Design of a Large-Scale Compressed Air Energy Storage Power Station
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摘要:
目的 压缩空气储能电站在进行主厂房设计时缺少相应规范作为技术支撑,可参照执行的《压缩空气站设计规范》中存在一些有争议和不适用的规定,难以满足当前压缩空气储能电站大规模发展的需要。为了解决在规范执行过程中遇到一些重点问题,找到更优的主厂房设计方案。 方法 对空气储能用压缩机的爆炸危险性进行了分析,将合并厂房设计与分厂房设计做了经济性对比,并对压缩机房内压缩空气的储存容积做了整理和总结。 结果 结果表明:空气储能用压缩机不具备化学危险性,在设备质量达标的前提下也不具备物理爆炸危险性;合并厂房设计较分厂房设计可以节省大量投资;压缩机房内压缩气体的储存容积较主厂房体积占比较小。 结论 从工艺流程、系统集成度、整体经济性、运行维护方便等角度考虑,大规模压缩空气储能电站主厂房推荐采用合并厂房设计;并可根据工艺布置和检修运行需求,采取大平台布置结构;压缩机厂房与其它房间相邻时可设置甲级防火门,并应设置门斗等防护措施。 Abstract:Introduction The compressed air energy storage power station lacks corresponding codes as technical support in the design of main power House. There are some controversial and inapplicable provisions in the Code for design of compressed air station, which is difficult to meet the needs of the current large-scale development of compressed air storage power station. The paper aims to solve these critical problems in the implementation of the codes and to find better design schemes for the main power House. Method The explosion risks of the air energy storage compressor were analyzed, an economic comparison between the combined power House design and the separate power House design was made, and the storage volume of compressed air in the compressor room was sorted out and summarized. Result The results show that the air energy storage compressor has no chemical explosion hazard, and no physical explosion hazard on the premise that the equipment′s quality meets the standard. Combined power House design can save a lot of investment compared with separate power House design. The storage volume of compressed air in the compressor room is smaller than that of the main power House. Conclusion From the perspective of process flow, system integration, overall economy, convenient operation and maintenance, combined power House design is recommended for the main power House of a large-scale compressed air energy storage power station. According to the process layout and maintenance operation requirements, large platform structure is also recommended. A class-A fire door can be set up when the compressor power House is adjacent to other rooms, and the door buckets together with other protective measures should be set up. -
表 1 分厂房与合并厂房设计经济性对比
Tab. 1. Economic comparison between separate powerhouse design and combined powerhouse design
项目 分厂房设计 合并厂房设计 主厂房总长度/m 108.0 100.0 机器间宽度/m 20.0/16.0 20.0 辅控楼宽度/m 5.5/9.0 5.5 主厂房总体积/m3 基准 −4 975.0 主厂房土建费用/万元 基准 −304.5 起吊装置费用/万元 基准 −180.0 电缆沟及电缆桥架费用/万元 基准 −33.0 10 kV浇筑母线及安装费/万元 基准 −162.8 电缆材料及安装费/万元 基准 −113.6 总投资/万元 基准 −793.9 表 2 压缩机房压缩空气储存容积
Tab. 2. Storage volume of compressed air in the compressor room
项目 压力/MPa 温度/℃ 储存容积/m3 空气体积/Nm3 LP压缩机本体、级间管路 0.58 180 119.00 416 LP压缩机出口管路 0.92 340 9.72 40 MP压缩机进口管路 0.92 40 3.48 28 MP压缩机本体、级间管路 4.90 190 27.00 780 MP压缩机出口管路 6.22 340 2.52 70 HP压缩机进口管路 6.22 40 1.71 93 HP压缩机本体、级间管路 9.15 70 2.95 215 HP压缩机出口管路 14.10 116 1.20 119 合计 — — 167.58 1 760 注:(1)压缩机本体、级间管路所注为平均工作压力和平均工作温度;(2)压缩机间管路未计列压损。 -
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