重康动力（深圳）有限公司

摘要： 作为在备用电源使用的发电机组无特殊要求，一般而言，现在采用市场主流的康明斯柴油发动机，工业型、水冷式、带式驱动闭路散热（散热器要求经过耐盐雾处理）、四冲程、电子控制直喷式、涡轮增压的柴油发动机为主，并具有数字调速装置。康明斯公司依据JGJ16—2008《民用建筑电气设计规范》、《工业与民用配电设计手册》，结合项目实例，介绍了工程项目中柴油发电机容量计算方法。提出选择柴油发电机可从稳定负荷、尖峰负荷及母线压降方面考虑，选择的额定容量应符合设备实际运行的特点，从而确保柴油发电机的使用状况和使用寿命。

 

一、柴发的选择方式与原则

 

1. 柴油发电机的供电原则

（1）应急柴油发电机的主要供电对象

根据国家技术标准及相关规范（包括各地方规范的要求），应急柴油发电机主要为一级负荷中特别重要负荷及消防负荷供电。特别重要负荷包括IT机房、电信机房、垂直电梯等。消防负荷包括消防风机、防火卷帘、消防排烟窗、消防控制室电源、消防水泵、消防应急照明和疏散照明、变电所用电、发电机房用电等，典型供电系统和机房安置如图1、图2所示。在明确应急发电机组的供电范围后，需要根据火灾和非火灾情况下分别计算。

（2）火灾情况下的负荷确定

大部分情况下，选择发电机主要先根据火灾情况下使用的消防负荷来确定应急发电机组容量，再根据发电机容量确定非火灾情况下特别重要负荷用电是否满足发电机组容量的要求验证。

计算应急发电机在火灾情况下的负荷时，需要考虑到发生火灾的情况，民用建筑一般按火灾时最大防火分区（消防设备投入容量最大）进行计算，同时，还需要考虑相邻防火分区受火灾影响的情况。此外，不仅考虑相对应防火分区需供电的消防负荷及非火灾情况下的常用消防负荷，还需注意在应急发电机供电情况下，其他防火分区内由此发电机供电的一、二级负荷在接到切除指令之后，需要延时切断电源的负荷。

（3）非消防情况下的负荷确定

同样，应急发电机在非消防情况下进行负荷计算时，除了要考虑特别重要负荷外，还应考虑在非火灾情况下的常用消防负荷；除特别重要负荷外，基于业主额外要求，也可以适当增加业主自需的重要负荷，并视负荷容量选择发电机（发电机容量应以消防或非消防状态下的重要负荷中大者为选择依据），且火灾时一旦切除非消防电源，此部分内容应无条件优先切除。

（4）两种工况取大者的选择逻辑

火灾工况与非火灾工况的负荷构成不同，前者以消防负荷为主，后者以特别重要负荷为主。两种工况中较大的负荷需求决定发电机容量。这一逻辑的意义在于，避免仅按单一工况选型造成容量不足或过度冗余。

2. 容量选择的常见方式

（1）自起动发电机的容量要求

自起动发电机是为保证消防负荷或特别重要负荷供电可靠的应急电源，在市电电源中断供电时，除在规定时间内能自起动供电外，还应满足所有保安负荷或一级负荷的供电容量要求。若容量选得小，则电动机起动时电压降过大，电动机不能起动，自起动发电机起动失败，失去备用电源的作用；若容量选得过大，初期投资大，运营经济效益差。所以，正确计算保安负荷或一级负荷的容量，确定负荷投入顺序和电动机起动时允许的电压降是选择发电机容量的重要前提。

（2）容量应满足的四项条件

自起动发电机的容量应满足如下条件：

① 所有保安负荷或一级负荷正常工作时供电容量的要求。

② 在大容量电动机起动或自起动时应符合发电机的过负荷能力。

③ 在起动大容量电动机时，母线上的电压降应保证已经正常工作的负荷所允许的电压降，又能满足电动机本身的起动转矩要求。

④ 与原电动机的过负荷能力相匹配。

（3）四项条件的相互关系

上述四项条件分别对应稳态容量、过载能力、母线压降和电动机匹配四个层面。实际选型时，三项计算结果中取最大值，再结合电动机匹配条件校核，才能确定最终容量。

 

图1  柴油发电机与市电联动供电系统图

图2  柴油发电机组典型安置图

 

二、柴发的选型与计算公式

 

1. 柴油机的选型

（1）调速性能要求

主柴油机要求带有电子调速器，其调速性能保证在工作负载突加到额定值使柴油机的转速保持在运行速度的±0.3%以内。而在稳态时柴油机的运转速度保持在±0.5%以内。不同计算方式得出的发电机系统容量不同，具体如下：

（2）按照供电系统稳定负荷计算

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">p</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\epsilon </span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\eta </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\epsilon </span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">cos</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;"></span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\psi </span>}}\text{<span style="font-size: 14px;">（公式1）</span>}$$

式中，${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">p</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\epsilon </span>}}$——为总负荷，kW；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\eta </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\epsilon </span>}}$——为所带负荷的综合效率，一般取0.82～0.88；

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">cos</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;"></span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\psi </span>}$——为功率因数，一般取0.8。

（3）按尖峰电流计算

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">j</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">m</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">a</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">x</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">g</span>}}}\text{<span style="font-size: 14px;">（公式2）</span>}$$

式中，${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">j</span>}}$——为电动机功率下降的系数，一般取0.9～0.95；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}}$​——为 ${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">m</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">a</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">x</span>}}$投入运行前已投入运行的负荷容量，kVA；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">m</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">a</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">x</span>}}$——为最大单台电动机或成组电动机的启动容量，kVA；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">g</span>}}$——为发电机允许的短时过载系数，一般取1.4～1.6。

（4）按母线允许压降计算

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">3</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">j</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">X</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\prime </span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">s</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}\text{<span style="font-size: 14px;">（公式3）</span>}$$

式中，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}$——为发电机母线允许电压降，一般取0.2；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">X</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\prime </span>}}$——为发电机瞬态电抗，一般取0.2；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">s</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}}$​——为导致发电机最大电压降的电动机的最大启动容量，kVA。

（5）三种计算方式的取舍

三种计算方式分别对应稳态负荷、尖峰电流和母线压降三种约束。实际选型时应同时计算，取其中最大值作为容量选择依据，再结合电动机匹配条件与过载能力进行校核。

2. 发电机的选型

（1）励磁方式

在发电机的选择方面，备用电源一般的要求发电机具备以下参数：励磁方式为永磁机（PMG），如图3所示；或自励磁，如图4所示。

（2）主要电气参数要求

① 空载电压调整范围：95%～100%额定电压。

② 电压稳态调整率：≤0.5%。

③ 电压瞬态调整率：≤±10%。

④ 电压恢复时间：≤1s。

⑤ 电压波动率：≤1%。

⑥ 绝缘等级：H级。

⑦ 防护等级：IP23。

（3）波形畸变率与连续工作要求

发电机在空载额定电压时，线电压的波形畸变率应不大于2%。另外，发电机在额定工况条件下，能正常连续工作，带空气滤网，不带网罩。以防止加装网罩带来的通风量不足。

（4）海岸环境的防护要求

由于是在海岸环境下使用，发电机同样需要考虑防潮湿及盐雾环境带来的损害，所以发电机也需要装有防冷凝加热器，工作电压为220V。同时，还要考虑为发电机组加装绕组温度继电器及温控盒，该装置为防止绕组过热报警装置，能够有效地防止滤网堵塞时造成通风不畅引起的过温。

（5）温度监测与外壳防腐

当客户需要绕组温度显示时，还可以选配绕组RTD，绕组RTD默认为PT100传感器，还可以选择一款多功能仪表，方便参数读取，同时还可以装配轴承RTD。发电机外壳同时需要防盐雾，一般要求漆膜厚度达到240μm。

 

图3  交流发电机永磁机励磁系统结构图

图4  交流发电机自励磁系统结构图

 

三、柴发应用案例

 

1. 港口动力房的应用

（1）轮胎吊动力房的安装环境

轮胎吊是在室外使用，柴油发电机组需要放置在合适的防护箱（动力房）中，因码头环境情况对噪声的敏感度不高，但对动力房的防雨，海边防盐雾，耐腐蚀的要求较高，防音箱的制造要求及喷涂要求相对较高。防音箱式柴油发电机组（备用电源一般称呼为动力房，以下简称动力房），安装在轮胎吊两个门框之间的横梁上，发电机组的排烟系统引至起重机龙门架的顶端排放，动力房安装横梁的下部布置日用油箱，实现发电机组的供油。

（2）作为主用动力来源时的结构形式

依据发电机组的功率大小及用途的不同，按房体的结构形式具体可分为：作为轮胎吊主要动力来源使用时，发电机组的房体体积大，需要安装到两个门架之间的鞍梁上，如图5所示。机房进风在顶部，消声器也布置在顶部。

（3）作为备用电源时的结构形式

当发电机组作为备用电源时，通常是安装在两个轮胎之间的横梁上，如图6所示，方便操作，不占用空间。

（4）辅助电源与应急备用的功率选择

作为辅助电源的情况下，主要考虑满足集装箱轮胎吊的转场所需功率即可。另外一种情况是作为主用设备的应急备用发电机组，其功率等同主用发电机组。实际应用中一般较少使用这种选择，因为会造成设备的浪费，并增加成本。

 

 

图5  柴油发电机动力房的布置

图6  备用电源柴油发电机组的布置图

 

2. 消防备用电源的应用

（1）消防备用电源的定义与种类

建筑处于火灾条件下，为确保人员安全疏散和抢险救援，许多消防用电设备仍需要坚持工作，为消防用电设备应急供电的独立电源就称为消防备用电源。

（2）电源组合方案的选择依据

消防备用电源有应急发电机组、消防应急电源等。在特定防火对象的建筑物内，消防备用电源种类不是单一的，多采用几个电源的组合方案。一般根据建筑负荷等级、供电质量、应急负荷的数量与分布以及负荷特性等因素来决定方案的选择。消防用电设备正常条件下由主电源供电，火灾时由消防备用电源供电，当主电源不论任何原因切断时，消防备用电源应能自动投入以保证消防用电的可靠性。

（3）深圳某用户案例的容量计算

以深圳某康明斯发电机组用户案例，其计算法如表1。

表1 柴油发电机组应急电源容量统计表

 

 

总结

本文通过实际案例对深圳某商业建筑中柴油发电机的容量进行计算和校验，详细阐述了低压柴油发电机容量计算选择时需要注意的问题，同时强调存在消防水泵在控制元件故障的情况下必须强制起动的情况。可以得出：消防水泵的容量会对发电机容量的选择有着直接影响，消防泵容量越大，越需要对发电机的容量进行校验。其意义在于：容量选择应从稳定负荷、尖峰负荷及母线压降三方面分别计算并取最大值，再结合电动机匹配与过载能力校核，使所选额定容量既满足实际运行需求，又避免过度冗余造成的投资浪费，从而确保柴油发电机的使用状况和使用寿命。

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