二次设备预制舱保温结构设计20141008

1二次设备预制舱保温结构设计TheThermalStructureDesignofLowVoltageDevicePrecastCabin张元1，胡道徐2，李葛忠1，易杰1，常永良1（1.思源电气股份有限公司，上海，2011082.上海思源弘瑞自动化有限公司，上海，201108）摘要：二次设备预制舱是用于安装智能变电站二次设备的钢结构舱体，在工厂内完成安装调试后整体运输至现场。思源电气承接了国家电网公司二次设备预制舱华东以外的首个试点——青海110kV多巴变项目，需要按照该地区高寒高海拔特点进行预制舱研发。项目组最终选择了顶部、墙面和底部的无热桥全面复合保温方案，且在预制舱两端配置了空调和加热器。热仿真表明该方案能满足舱内二次设备运行要求，尤其可在-31.7℃极端低温条件下的进行冷启动或维护。目前110kV多巴变二次设备预制舱已进行现场调试，经历了冬季严寒考验，实测数据表明保温性能达到了设计要求。思源电气借此成为唯一拥有高寒高海拔地区二次预制舱成功工程经验的国内企业。关键字：智能变电站；二次设备预制舱；导热系数；保温隔热；结露；热桥中图分类号：TM764；TM730.引言青海110kV多巴变预制舱是国家电网公司第二批9项标准配送式智能变电站试点预制舱工程的唯一一个华东以外的试点工程，引起了相关部门和思源电气公司的高度重视。预制舱智能变电站建设，需要遵循“安全性、适用性、通用性、经济性”协调统一的原则，实现“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”，结合通用设计、“两型一化”和全寿命周期设计等标准化建设成果，1并根据青海地区高寒高海拔、沙尘大特点作针对性设计。本文结合预制舱项目实际工作情况，对预制舱的保温性能初步分析，结合现在目前的钢结构加工和室内装修工艺将所选用的保温结构作了一一介绍。由于受运输条件限制（外保温会占用一部分空间），预制舱通常采用内保温的方式，内保温层材料与内装修材料通常合二为一。2例如，采用金属面的聚苯乙烯、聚氨酯和岩棉等夹心板进行装饰，或在泡沫塑料板表面贴石膏板或各类装修板等。内保温形式的箱体容易出现热桥现象，需要做适当处理，防止结露和发霉影响室内环境。1国家电网公司.预制舱式二次组合设备技术规范（报批稿）[M].国家电网公司,2013.52嵇翔,但春林,基于标准配送式智能变电站的集装箱式电力设备舱方案研究[J],电力系统装备,2013.7而青海多巴显著的特点就是高海拔寒冷气候，因此保温和隔热设计对于预制舱整体设计显得尤为重要。青海多巴县的地理自然条件为：海拔高度：2350米~2800米；环境温度：-31.7℃～+33.4℃；太阳辐射强度：1120W∕m2；最大日温差：25℃；平均相对湿度：61%；大气压力：86kPa～106kPa；1.预制舱相关规范和要求工程中用到的III型预制舱的箱体尺寸（长×宽×高）为12200×2500×3133（以上长和宽的尺寸不包含顶盖，但高度尺寸包含顶盖）。预制舱整体框架由钢骨架结构焊接而成，满足起吊、运输、栓固、提供舱内元器件安装位置要求，整个保温层结构使用外保温层加内保温层结构来实现，墙体由外墙金邦板、呼吸纸、岩棉、欧松板、结构构件、内墙铝塑板组成，吊顶采用岩棉夹芯板，底部采用岩棉板和岩棉夹芯板。国网对于预制答暖通的要求见《配送式智能变电站预制舱组合二次设备技术规范》，“每个预制舱内设置两台工业一体式空调，壁挂式安装，一台故2障时仍可满足舱内二次设备正常工作要求（5～30）℃。”保温性能反映的是冬季由室内向室外的传热过程，隔热性能反映的是夏季由室外向室内以及由室内向室外的传热过程。3冬季室外气温在一天中波动很小，其传热过程以稳定传热为主；夏季室外气温和太阳辐射在一天中随时间有较大的变化，是周期性的不稳定传热。冬季保温一般只要求提高围护结构的热阻，夏季隔热不仅要求围护结构有较大的热阻，而且要求有较好的热稳定性。保温设计应确保内表面不结露，即内表面温度不低于室内空气的露点温度。结露点会使内装饰表面潮湿，霉变甚至滴水。内保温结构的露点位置是在靠近外墙内侧的表面存在结构冷（热）桥的部位，这些部位因内外温差过大常产生结露现象，应避免结构冷（热）桥的存在。2.预制舱的各部分保温结构设计2.1.保温材料选择二次设备预制舱应尽可能采用热导系数小的高效保温隔热材料，以减少保温层的厚度，提高室内使用面积。4目前主要的保温材料有有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、岩棉板、玻璃棉等。它们的材料性能对比如下：表1聚氨酯喷涂硬泡与岩棉板部分性能对比聚氨酯喷涂硬泡与岩棉板对比项目岩棉板聚氨酯（SPU）生成原理是以玄武岩及其他天然矿石等为主要原料，经高温熔融成纤维，固化后加入适量粘结剂使其平行于板面形成的块状保温板聚氨酯硬泡是由多元醇和异氰酸酯两个组分材料混合反应生成的结构稳定，闭孔率高的塑料泡沫密度（kg/m3）120~15035~55导热系数W/m.K0.040.0243张玉津,吉秀峰,王文达,严寒地区集装箱式活动房的热工性能[J],集装箱化2009,20(4)4林钊.几种常用保温材料应用比较[J].制冷,2004(04)热阻（100mm厚）0.1/(0.04*1.2)=2.080.1/(0.022*1.1)=4.13抗压强度kPa≥40400~900吸水率%3.9＜2最高适用温度(℃)400~650120~190施工厚度（mm）50-10010-25防火性能A级复合A级,遇火表面炭化，无滴落物。考虑到加工工艺和施工成本，此次预制舱的保温材料选择岩棉板和岩棉夹芯板两种材料，虽然热阻低于聚氨酯和环保要求次于聚氨酯，但其防火性能大大优于聚氨酯。52.2.墙体设计墙体由外墙金邦板、呼吸纸、岩棉、欧松板、结构构件、内墙铝塑板组成。外岩棉板厚度为50，内岩棉板厚度为30，同时在钢方柱之间塞满80厚岩棉板。金邦板是一种外墙装饰板，呼吸纸的作用是使水气单向透过性，水气不向墙体渗透，欧松板为垫衬安装呼吸纸和金邦板作用，结构构件为钢方管，内墙为铝塑板加30厚的岩棉板。外岩棉板可依金邦板龙骨和钢方柱间隙进行填充，内岩棉板依铝塑板大小进行填充，此次选用的铝塑板的规格大小为1220×2440，采用无缝干挂方式进行安装，达到内装饰面平整美观的效果。墙体构成如图1所示：5郭莉.保温材料的概况及选择[J].四川电力技术,2005(01)3图1预制舱墙体结构图此次的内外双层保温的效果要比单一保温层的保湿效果要好（假设总厚度保持一致），两种方案均能符合节能传热阻的要求，但单一保温层在进行内装饰时，一些内装饰面接口，如保温夹芯板插接口，相互垂直的墙体以及墙体与屋面和地板的接缝等部位热流密集，内表面温度较低，易产生冷（热）桥，可能产生程度不同的结露现象。2.3.顶部设计预制舱采用双坡屋顶结构，也可采用单坡结构，屋面坡度6%，预防积水和积雪。为防止排水管冬天严寒情况下结冰爆裂，与青海局沟通后，预制舱屋面采用散排水方式。（空调排水管只有夏天会有滴水情况，冬天没有，因此排除在这个情况之外，空调排水管采用暗敷方式。）预顶部保温层的厚度为100mm。顶部的结构参考图2：图2预制舱屋顶结构2.4.底部设计预制舱箱体底部安装在架空的防潮湿的水泥墩，因此，除箱体前后、左右和顶部与室外空气直接接触外，底部也与室外空气直接接触。因此底部的保温设计尤其重要。底部采用H型钢和槽钢焊接而成，底部保温采用50厚的岩棉板和50厚的岩棉夹芯板，同时在预制舱的内表面上铺设38mm厚木基陶瓷防静电地板，木质材料有一定的保温性能，同时中间有一定的密封空气层，提高预制舱整体保温效果。考虑到整体密封要求，在完成线缆安装后，须把预制舱底部进线口用防火泥堵起来，以达到密封保温的效果，同时进线口的大小设置为700×600大小，增加保温效果。预制舱底部结构如图3：图3预制舱底部结构底部进线电缆孔如图4：图4预制舱底部进线电缆孔3.预制舱的热仿真通过以上舱体结构的保温隔热设计，只需要在舱体端部各安装1台工业空调（制冷功率4kW，制4热1kW）和1kW电暖气，即可满足多巴地区设备运行要求。电暖气辅助加热为二次设备预制舱中首次尝试使用，电暖气采用不带风扇壁挂式安装的辐射加热型，每套电暖气由4个最大额定功率250W的电暖片组成，布置在舱体内长度方向的两端。预制舱热仿真共选取了五种极限情况来分析：夏季制冷（两台空调一起工作）环境温度33.4℃，同时考虑太阳辐射的影响，舱内屏柜发热，2台空调同时工作（制冷），空调出风温度18℃，每台空调实际制冷，舱内最低温度18C，最高温度25.4C。夏季制冷（空调2工作，空调1失效）环境温度33.4℃，同时考虑太阳辐射的影响，舱内屏柜发热，空调1失效，仅单台空调工作（制冷），空调出风温度18℃，单台空调实际制冷，舱内最低温度18.5C，最高温度28.3C。夏季制冷（空调1工作，空调2失效）环境温度33.4℃，同时考虑太阳辐射的影响，舱内屏柜发热量，空调2失效，仅单台空调工作（制冷），空调出风温度18℃，单台空调实际制冷，舱内最低温度19.3C，最高温度28.6C。冬季制热（空调不工作，加热器工作）环境温度-31.7℃，同时考虑舱外空气流动的影响，舱内屏柜发热，空调不工作，仅使用电暖器进行加热。当电暖器实际加热时，舱内最低温度19.1C，最高温度25.4C。极端低温冷启动制热（空调工作，加热器工作）从仿真计算结果可以看出，环境温度-31.7℃，舱内屏柜不工作，并开启电暖器和空调加热，舱内环境温度从-31.7C升温到-5C（温升27C），用了10个小时，加热时间偏长。其主要原因有：1)一方面，整个预制舱热容非常大，而加热功率相对较小；2)另一方面，随着舱内温度的升高，导致内外温差增加。会有更多的热量与外界进行热交换，延长了加热时间。由仿真分析可得出结论：保温性能的高低对预制舱维持舱内温度十分重要，保温性能越好，对预制舱制冷和加热越有利；按此保温结构设计，制冷和加热要求均可以满足需求“舱内二次设备正常工作要求（5～30）℃”；预制舱低温冷启动的预加热时间较长，调试时（装置不发热）如遇极端低温（-31.7℃），大约需要封闭情况下加热1天方可进仓工作。4.结语目前国内预制舱的研究才刚刚开始起步，对该领域的热工研究尚未形成体系，思源电气青海110kV多巴变预制舱根据青海地区高寒高海拔、沙尘大特点作针对性设计，为这一类型地区预制舱今后设计研发提供标准和规范，以及建设工作经验，弥补了国内预制舱在此领域内的空白，加快了标准配送式智能变电站技术在全国以至全球范围内的推广和应用。二次设备预制舱可以让变电站建设更容易，具有占地少、投资省的突出优点。随着行业越来越多的资源投入，生产加工工艺的发展，在优化布局、增强保温性能、抗风沙和减少制造加工工期上还需进一步深入研究。预制舱的未来发展可以满足全球各地区特殊环境的要求，同时也满足减少投资、缩短工期、低碳环保的要求，思源电气等中国企业在这方面已经跨入了世界电气设备制造业的前列。参考文献：[1]国家电网公司.预制舱式二次组合设备技术规范（报批稿）[M].国家电网公司,2013.5[2]嵇翔,但春林,基于标准配送式智能变电站的集装箱式电力设备舱方案研究[J],电力系统装备,2013.7[3]张玉津,吉秀峰,王文达,严寒地区集装箱式活动房的热工性能[J],集装箱化2009,20(4)[4]林钊.几种常用保温材料应用比较[J].制冷,2004(04)[5]郭莉.保温材料的概况及选择[J].四川电力技术,2005(01)作者简介：张元（1987-），男，安徽安庆人，助理工程师，工程硕士，从事电力电子系统一次柜体和户外组合柜结构开发工作，E-Mail:[e-mail]；胡道徐（1976-），男，江苏淮阴人，工程师，工程硕士，IECTC57WG10成员，全国电力系统管理及其信息交换委员会变电站工作组成员，从事变电站自动化设备开发、智能变电站技术研究及相关的标准化工作。E-Mail:[e-mail]；李葛忠（1972-），男，江苏张家港人，工程师，从事变电站二次柜体和系