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新闻主题	柴油发电机组选型与负荷计算公式

 

摘要：随着民用建筑规模日趋扩大、建筑高度不断增加，供电可靠性也愈加成为一个被高度关注的问题。根据规范，一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。正常情况下一级负荷由常用电源供电，常用电源发生故障时，备用电源投入使用，以保证不间断供电。对于一级负荷中的特别重要负荷，除由双重电源供电外，尚应增设应急电源。柴用发电机组是一种简便可靠并已广泛应用的备用电源/应急电源。康明斯公司在本文将结合两个工程设计案例，阐述了柴油发电机组的负荷计算方法及设备容量的选择，从而在保证设计可靠性的同时兼顾经济性。

 

一、负荷计算

 

1、计算公式

      2009年版《全国民用建筑工程设计技术措施——电气》对柴油发电机组容量的计算给出了较简便的公式：

P_e=KK_xP_n/η..............................（公式1）

式中，P_e——发电机组额定功率，kW;

K——可靠系数，取1.1~1.2;

K_x——需要系数；

P_n——总设备容量，kW；

η——并联机组不均匀系数，一般取0.9；单台时取1.0。

      从式（1）中可见，柴油发电机组容量计算的关键是计算发电机组所带负荷的计算容量，即K、P值。

2、负荷计算要求

      根据规范，应急发电机组的负荷计算应满足下列要求：

（1）当应急发电机组仅为一级负荷中特别重要负荷供电时，应以一级负荷中特别重要负荷的计算容量作为选用应急发电机组容量的依据。

（2）当应急发电机组为消防用电设备及一级负荷供电时，应将两者计算负荷之和作为选用应急发电机组容量的依据。

（3）当自备发电机组作为第二电源，且尚有第三电源为一级负荷中的特别重要负荷供电时，以及向消防负荷、非消防一级负荷及一级负荷中的特别重要负荷供电时，应以三者的计算负荷之和作为选用自备发电机组容量的依据。

      对于第二、三条要求，尚应注意火灾发生时需自动切除非消防重要负荷，这样，负荷的计算容量需根据未发生火灾和发生火灾的情况分别考虑。下面将结合工程设计作进一步说明。发电机组均按与市电联锁考虑，不得与市电并列运行。

 

图1  客户用电年负荷曲线图

图2  客户用电年负荷填充系数曲线图

 

二、工程设计举例

 

1、案例样板一

      该项目总建筑面积为4.56万m²，地上23层，地下4层，建筑屋面高度为98.7m。地下1～4层为地下机械停车库、设备配套用房，地上为办公用房。根据工程用电量及当地供电情况，该项目由电业部门引入两路10 kV市电电源。10 kV高压侧采用单母线分段运行，并设联络开关的主接线方式。0.4kV低压侧采用单母线分段，并设母联开关的主接线方式。为保证供电可靠性，对消防及重要负荷（主要业务和计算机系统用电、安防系统用电、电子信息设备机房用电、客梯用电等）另设柴油发电机组作应急电源。主配电系统电路如图3所示，用户若有条件尽量采用专业计算柴油发电机功率软件工具（如图4所示）。

（1）计算未发生火灾时的计算容量。

      根据柴油发电机组的起动条件，仅两路市电均失电的情况，才起动柴油发电机组为重要负荷供电。故柴油发电机组在非火灾情况下的计算容量应以平时兼消防负荷及仅平时用电的重要负荷的容量为依据。此时负荷计算相对简单，主要考虑市电故障后，保证楼内正常秩序及人员疏散的用电负荷容量。考虑停电为突发状况同时系数取1，可得P_js1=466kW。相关计算如表1所示。

表1    未发生火灾时的计算容量P_js1

（2）考虑火灾发生时的计算容量。

      对于单栋办公建筑来说，火灾发生时首要任务是启动相关部位的消防设备，同时出于安全考虑可安排所有楼内人员疏散，即整个建筑物均可视为处于消防状态。此时可切除保安性质负荷用电设备以外的非消防用电设备，计算容量应以消防负荷及保安性质负荷的容量为依据。消防状态下，建筑物的消防负荷计算容量是负荷计算中的一大难点。困难之处在于，火灾起火的随机性、突发性及火灾本身的蔓延性使得设计人员很难准确地计算出火灾过程中消防设备的最大计算容量。对此相关规范并没有特别明确的计算依据。就该工程，作如下分析：

① 应急照明容量。

      根据规范，火灾时应强制点亮相关区域应急照明，考虑所有楼内人员疏散且是市电失电情况，故可视为此时地上地下应急照明满负荷工作。

② 消防水泵及消防电梯等容量。

      根据设计，无论起火点在何处，无论起火点是一处或者多处、是否蔓延，消防水泵及消防电梯容量为定值，也可按满负荷考虑。消控中心、变电所、发电机组房等负荷情况亦类似。

③ 消防风机类容量。

      发生火灾时，为确保人员安全疏散，地上及地下正压送风机均须工作，该部分可按满负荷考虑。排烟风机及相应的消防补风机则情况相对特殊。根据暖通专业设计，地上部分共用排烟井道只有屋面有排烟风机，地下部分同样共用排烟及补风井道，但每层均设有排烟风机及消防补风机。按照暖通专业“一次火灾"的设计原则（即同一时间仅有一处发生火灾，且火情仅局限于本防火分区内），这些设备不会同时使用，则仅需考虑各防火分区中消防设备用电量最大的一个，即可将排烟设备容量按防火分区分别计算，取其最大者作为负荷计算依据。

       然而，这样的计算依据仍值得商榷。首先，若火灾发生在两个防火分区的垂直分界面，则需两个防火分区均需排烟。即便暖通的垂直方向合用排烟井道，排烟量仅按一个防火分区的最大排烟量考虑，亦不能由此判定此时火灾报警联动不会同时开启两个防火分区的消防风机。同理，若火灾发生在两个防火分区的水平分界面，且暖通在每个防火分区均有独立的送排风井道，则按理亦需开启两个防火分区的排烟风机及消防补风机，且此时排烟量也完全能满足设计需要。同样，若考虑火灾在防火分区间蔓延的情况，也可得到类似结论，仅考虑一个防火分区的用电量，在极端不利情况下可能存在计算容量偏小的问题。因此，建议该部分负荷可按最大一个防火分区及相邻一至两个防火分区的消防用电量来考虑。在防火分区较少时，可做简化，直接累加。

      该工程地下4层每层仅一个防火分区，共4个，且有多个机械停车设备井道贯通地下1～4层，故在计算消防风机容量时，按简化情况考虑，直接累加。地上部分则考虑屋顶正压风机容量。

      因此，考虑停电为突发状况同时系数取1，可得P_js2=737 kW。相关计算如表2所示。

表2    发生火灾时的计算容量P_js2

      根据式（1），取K=1.1，按一台发电机组情况计算，可得非火灾及火灾情况下，柴油机计算容量分别为512.6 kW和810.7 kW。

2、案例样板二

      该项目地上总建筑面积为13.1万m²，地下总建筑面积为2.6万m²。地上住宅由8幢15～33层塔楼组成。地下一层为地下停车库、设备配套用房。根据当地供电情况，该项目由电业部门引入一路10 kV市电作常用电源。为保证一级负荷供电要求，另设柴油发电机组做备用电源。

      可与案例一做相同考虑，分别计算未发生火灾时及发生火灾时的计算容量。未发生火灾时的计算容量以所有平时用电的一级负荷容量为依据，计算方法与案例一相同。发生火灾时，建筑群的情况较单栋建筑复杂。着火建筑物或着火区域转为消防状态，柴油发电机组仍需为其他未着火楼宇或区域的一级负荷供电，即此时柴油发电机组既有平时用电，又有消防用电。同样，按“一次火灾”的原则考虑，认为不存在两栋或以上建筑同时发生火灾的可能。对单栋住宅来说，地面以上发生火灾，消防用电量为该住宅楼内正压风机用电、消防电梯、消防水泵用电之和。住宅地下室发生火灾时，消防用电还应增加地下室相关区域排烟风机、消防补风机用电。若地下车库某防火分区发生火灾，由于需借用住宅楼内楼梯间作为逃生通道，为安全疏散考虑，相邻住宅楼内的防排烟设备亦需开启。此时，消防用电需同时考虑车库区域及相邻楼宇消防设备的用电量。由于地下室各设备用电按防火分区划分由相邻住宅楼内配电间供电，为便于计算，可先按楼分别计算平时及消防时用电负荷容量。发生火灾时，柴油的最大计算负荷为消防与平时相差最大的一栋楼的消防用电量加其余区域平时用电量。可得平时及消防时计算容量分别为P_js1=752.3 kW、P_js2=916.0 kW，如表3所示。

表3      平时及消防时计算容量

注：消防时负荷最大情况，8号楼取消防用电量，其余取平时用电量。扣除生活泵负荷，计入消防泵负荷。根据式（1），取K=1.1，按一台发电机组情况可得非火灾及火灾情况下，柴油机计算容量分别为827.5 kW和1007.6 kW。

 

图3  两路市电+柴油发电机供配电系统图

图4  柴油发电机容量选择计算工具

 

三、设备容量选择

 

1、功率定义

柴油发电机组的样本中经常会出现常用功率、备用功率这两个名词，两种功率的相关定义如下：

（1）常用功率。

      用于无市电供电场合，可连续使用，70%负载运行，每12h允许10%过载1h，每年运行时间，负载>70%时不允许超过500 h。

（2）备用功率。

      市电断电时提供备用电源，80%负载运行，每年运行时间200 h。备载适用于大部分紧急/备用状态，备用额定功率不允许过载。

      根据定义，工程设计时可按非火灾时的计算容量来选择柴油发电机组常用功率，按火灾情况下的计算容量来选择柴油发电机组备用功率。被选择的柴油发电机组的常用功率及备用功率需同时大于或等于非火灾时及火灾时的计算容量。另需注意的是柴油发电机组额定功率因数为0.8，当所带负载功率因数<0.8时，柴油发电机组容量需适当增加以提供更多的无功功率。

      按以上原则，案例一选择一台常用800 kW、备用880kW的发电机组，而案例二选择一台常用1000 kW、备用1120kW的发电机组。

2、设备容量校验

      同样采用《全国民用建筑工程设计技术措施-电气》（2009年版）给出的柴油发电机组容量校验的计算公式，按最大一台电动机起动条件校验发电机组的容量（即最大一台电动机起动时，发电机组母线电压降应不低于规定值）。

Pe≥KP₁+P..............................（公式2）

式中，Pe——发电机组额定功率，kW；

K-—发电机组供电负荷中最大一台电动机的最小起动倍数；

P₁—最大一台电动机额定功率，kW；

P—在最大一台电动机起动之前，发电机组已带的负荷，kW。

      案例一：按Y-△起动校验，母线允许电压降为20%，取P₁=160kW，K=1.9，P=P-258=479kW，P.=880≥1.9×160+479=783 kW。

      案例二：按Y-△起动校验，母线允许电压降为20%，取P₁=75 kW，K=1.9，P=P₂-150=766kW，P，=1120≥1.9×75+766=908.5kW。

      校验结果均满足最大一台电动机起动情况下发电机组母线电压不小于额定电压的80%。

 

总结：

      电力系统中的各种用电设备由供配电系统汲取的功率(电流)视为电力负荷。实际负荷通常是随机变动的。我们选取一个假想的持续性的负荷，在一定时间间隔和特定效应上与实际负荷相等。这一计算过程就是负荷计算。这一假想的持续性的负荷就称为计算负荷。柴油发电机组容量计算是负荷计算中的一大难点。设计过程中特别需要设计人员根据工程情况做详细分析，得出较准确的计算容量，并在此基础上合理选择柴油发电机组设备容量，从而在保证设计可靠性的同时亦兼顾经济性。

 

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