新聞主題	柴油發電機組選型與負荷計算公式

 

摘要：隨著民用建筑規模日趨擴大、建筑高度不斷增加，供電可靠性也愈加成為一個被高度關注的問題。根據規范，一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞。正常情況下一級負荷由常用電源供電，常用電源發生故障時，備用電源投入使用，以保證不間斷供電。對于一級負荷中的特別重要負荷，除由雙重電源供電外，尚應增設應急電源。柴用發電機組是一種簡便可靠并已廣泛應用的備用電源/應急電源。康明斯公司在本文將結合兩個工程設計案例，闡述了柴油發電機組的負荷計算方法及設備容量的選擇，從而在保證設計可靠性的同時兼顧經濟性。

 

一、負荷計算

 

1、計算公式

      2009年版《全國民用建筑工程設計技術措施——電氣》對柴油發電機組容量的計算給出了較簡便的公式：

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

式中，P_e——發電機組額定功率，kW;

K——可靠系數，取1.1~1.2;

K_x——需要系數；

P_n——總設備容量，kW；

η——并聯機組不均勻系數，一般取0.9；單臺時取1.0。

      從式（1）中可見，柴油發電機組容量計算的關鍵是計算發電機組所帶負荷的計算容量，即K、P值。

2、負荷計算要求

      根據規范，應急發電機組的負荷計算應滿足下列要求：

（1）當應急發電機組僅為一級負荷中特別重要負荷供電時，應以一級負荷中特別重要負荷的計算容量作為選用應急發電機組容量的依據。

（2）當應急發電機組為消防用電設備及一級負荷供電時，應將兩者計算負荷之和作為選用應急發電機組容量的依據。

（3）當自備發電機組作為第二電源，且尚有第三電源為一級負荷中的特別重要負荷供電時，以及向消防負荷、非消防一級負荷及一級負荷中的特別重要負荷供電時，應以三者的計算負荷之和作為選用自備發電機組容量的依據。

      對于第二、三條要求，尚應注意火災發生時需自動切除非消防重要負荷，這樣，負荷的計算容量需根據未發生火災和發生火災的情況分別考慮。下面將結合工程設計作進一步說明。發電機組均按與市電聯鎖考慮，不得與市電并列運行。

 

圖1  客戶用電年負荷曲線圖

圖2  客戶用電年負荷填充系數曲線圖

 

二、工程設計舉例

 

1、案例樣板一

      該項目總建筑面積為4.56萬m²，地上23層，地下4層，建筑屋面高度為98.7m。地下1～4層為地下機械停車庫、設備配套用房，地上為辦公用房。根據工程用電量及當地供電情況，該項目由電業部門引入兩路10 kV市電電源。10 kV高壓側采用單母線分段運行，并設聯絡開關的主接線方式。0.4kV低壓側采用單母線分段，并設母聯開關的主接線方式。為保證供電可靠性，對消防及重要負荷（主要業務和計算機系統用電、安防系統用電、電子信息設備機房用電、客梯用電等）另設柴油發電機組作應急電源。主配電系統電路如圖3所示，用戶若有條件盡量采用專業計算柴油發電機功率軟件工具（如圖4所示）。

（1）計算未發生火災時的計算容量。

      根據柴油發電機組的起動條件，僅兩路市電均失電的情況，才起動柴油發電機組為重要負荷供電。故柴油發電機組在非火災情況下的計算容量應以平時兼消防負荷及僅平時用電的重要負荷的容量為依據。此時負荷計算相對簡單，主要考慮市電故障后，保證樓內正常秩序及人員疏散的用電負荷容量。考慮停電為突發狀況同時系數取1，可得P_js1=466kW。相關計算如表1所示。

表1    未發生火災時的計算容量P_js1

（2）考慮火災發生時的計算容量。

      對于單棟辦公建筑來說，火災發生時首要任務是啟動相關部位的消防設備，同時出于安全考慮可安排所有樓內人員疏散，即整個建筑物均可視為處于消防狀態。此時可切除保安性質負荷用電設備以外的非消防用電設備，計算容量應以消防負荷及保安性質負荷的容量為依據。消防狀態下，建筑物的消防負荷計算容量是負荷計算中的一大難點。困難之處在于，火災起火的隨機性、突發性及火災本身的蔓延性使得設計人員很難準確地計算出火災過程中消防設備的最大計算容量。對此相關規范并沒有特別明確的計算依據。就該工程，作如下分析：

① 應急照明容量。

      根據規范，火災時應強制點亮相關區域應急照明，考慮所有樓內人員疏散且是市電失電情況，故可視為此時地上地下應急照明滿負荷工作。

② 消防水泵及消防電梯等容量。

      根據設計，無論起火點在何處，無論起火點是一處或者多處、是否蔓延，消防水泵及消防電梯容量為定值，也可按滿負荷考慮。消控中心、變電所、發電機組房等負荷情況亦類似。

③ 消防風機類容量。

      發生火災時，為確保人員安全疏散，地上及地下正壓送風機均須工作，該部分可按滿負荷考慮。排煙風機及相應的消防補風機則情況相對特殊。根據暖通專業設計，地上部分共用排煙井道只有屋面有排煙風機，地下部分同樣共用排煙及補風井道，但每層均設有排煙風機及消防補風機。按照暖通專業“一次火災"的設計原則（即同一時間僅有一處發生火災，且火情僅局限于本防火分區內），這些設備不會同時使用，則僅需考慮各防火分區中消防設備用電量最大的一個，即可將排煙設備容量按防火分區分別計算，取其最大者作為負荷計算依據。

       然而，這樣的計算依據仍值得商榷。首先，若火災發生在兩個防火分區的垂直分界面，則需兩個防火分區均需排煙。即便暖通的垂直方向合用排煙井道，排煙量僅按一個防火分區的最大排煙量考慮，亦不能由此判定此時火災報警聯動不會同時開啟兩個防火分區的消防風機。同理，若火災發生在兩個防火分區的水平分界面，且暖通在每個防火分區均有獨立的送排風井道，則按理亦需開啟兩個防火分區的排煙風機及消防補風機，且此時排煙量也完全能滿足設計需要。同樣，若考慮火災在防火分區間蔓延的情況，也可得到類似結論，僅考慮一個防火分區的用電量，在極端不利情況下可能存在計算容量偏小的問題。因此，建議該部分負荷可按最大一個防火分區及相鄰一至兩個防火分區的消防用電量來考慮。在防火分區較少時，可做簡化，直接累加。

      該工程地下4層每層僅一個防火分區，共4個，且有多個機械停車設備井道貫通地下1～4層，故在計算消防風機容量時，按簡化情況考慮，直接累加。地上部分則考慮屋頂正壓風機容量。

      因此，考慮停電為突發狀況同時系數取1，可得P_js2=737 kW。相關計算如表2所示。

表2    發生火災時的計算容量P_js2

      根據式（1），取K=1.1，按一臺發電機組情況計算，可得非火災及火災情況下，柴油機計算容量分別為512.6 kW和810.7 kW。

2、案例樣板二

      該項目地上總建筑面積為13.1萬m²，地下總建筑面積為2.6萬m²。地上住宅由8幢15～33層塔樓組成。地下一層為地下停車庫、設備配套用房。根據當地供電情況，該項目由電業部門引入一路10 kV市電作常用電源。為保證一級負荷供電要求，另設柴油發電機組做備用電源。

      可與案例一做相同考慮，分別計算未發生火災時及發生火災時的計算容量。未發生火災時的計算容量以所有平時用電的一級負荷容量為依據，計算方法與案例一相同。發生火災時，建筑群的情況較單棟建筑復雜。著火建筑物或著火區域轉為消防狀態，柴油發電機組仍需為其他未著火樓宇或區域的一級負荷供電，即此時柴油發電機組既有平時用電，又有消防用電。同樣，按“一次火災”的原則考慮，認為不存在兩棟或以上建筑同時發生火災的可能。對單棟住宅來說，地面以上發生火災，消防用電量為該住宅樓內正壓風機用電、消防電梯、消防水泵用電之和。住宅地下室發生火災時，消防用電還應增加地下室相關區域排煙風機、消防補風機用電。若地下車庫某防火分區發生火災，由于需借用住宅樓內樓梯間作為逃生通道，為安全疏散考慮，相鄰住宅樓內的防排煙設備亦需開啟。此時，消防用電需同時考慮車庫區域及相鄰樓宇消防設備的用電量。由于地下室各設備用電按防火分區劃分由相鄰住宅樓內配電間供電，為便于計算，可先按樓分別計算平時及消防時用電負荷容量。發生火災時，柴油的最大計算負荷為消防與平時相差最大的一棟樓的消防用電量加其余區域平時用電量。可得平時及消防時計算容量分別為P_js1=752.3 kW、P_js2=916.0 kW，如表3所示。

表3      平時及消防時計算容量

注：消防時負荷最大情況，8號樓取消防用電量，其余取平時用電量。扣除生活泵負荷，計入消防泵負荷。根據式（1），取K=1.1，按一臺發電機組情況可得非火災及火災情況下，柴油機計算容量分別為827.5 kW和1007.6 kW。

 

圖3  兩路市電+柴油發電機供配電系統圖

圖4  柴油發電機容量選擇計算工具

 

三、設備容量選擇

 

1、功率定義

柴油發電機組的樣本中經常會出現常用功率、備用功率這兩個名詞，兩種功率的相關定義如下：

（1）常用功率。

      用于無市電供電場合，可連續使用，70%負載運行，每12h允許10%過載1h，每年運行時間，負載>70%時不允許超過500 h。

（2）備用功率。

      市電斷電時提供備用電源，80%負載運行，每年運行時間200 h。備載適用于大部分緊急/備用狀態，備用額定功率不允許過載。

      根據定義，工程設計時可按非火災時的計算容量來選擇柴油發電機組常用功率，按火災情況下的計算容量來選擇柴油發電機組備用功率。被選擇的柴油發電機組的常用功率及備用功率需同時大于或等于非火災時及火災時的計算容量。另需注意的是柴油發電機組額定功率因數為0.8，當所帶負載功率因數<0.8時，柴油發電機組容量需適當增加以提供更多的無功功率。

      按以上原則，案例一選擇一臺常用800 kW、備用880kW的發電機組，而案例二選擇一臺常用1000 kW、備用1120kW的發電機組。

2、設備容量校驗

      同樣采用《全國民用建筑工程設計技術措施-電氣》（2009年版）給出的柴油發電機組容量校驗的計算公式，按最大一臺電動機起動條件校驗發電機組的容量（即最大一臺電動機起動時，發電機組母線電壓降應不低于規定值）。

Pe≥KP?+P..............................（公式2）

式中，Pe——發電機組額定功率，kW；

K-—發電機組供電負荷中最大一臺電動機的最小起動倍數；

P₁—最大一臺電動機額定功率，kW；

P—在最大一臺電動機起動之前，發電機組已帶的負荷，kW。

      案例一：按Y-△起動校驗，母線允許電壓降為20%，取P?=160kW，K=1.9，P=P-258=479kW，P.=880≥1.9×160+479=783 kW。

      案例二：按Y-△起動校驗，母線允許電壓降為20%，取P?=75 kW，K=1.9，P=P?-150=766kW，P，=1120≥1.9×75+766=908.5kW。

      校驗結果均滿足最大一臺電動機起動情況下發電機組母線電壓不小于額定電壓的80%。

 

總結：

      電力系統中的各種用電設備由供配電系統汲取的功率(電流)視為電力負荷。實際負荷通常是隨機變動的。我們選取一個假想的持續性的負荷，在一定時間間隔和特定效應上與實際負荷相等。這一計算過程就是負荷計算。這一假想的持續性的負荷就稱為計算負荷。柴油發電機組容量計算是負荷計算中的一大難點。設計過程中特別需要設計人員根據工程情況做詳細分析，得出較準確的計算容量，并在此基礎上合理選擇柴油發電機組設備容量，從而在保證設計可靠性的同時亦兼顧經濟性。

 

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