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柴油發(fā)電機組的單機額定容量計算公式 |
摘要：隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，高層、超高層建筑以及大型公共建筑越來(lái)越多，柴油發(fā)電機組的使用也越來(lái)越普及。柴油發(fā)電機組具有起動(dòng)迅速、結構緊湊、占地面積小、工程量小、維護操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在工程建筑中作為備用電源或應急電源的首選設備。柴油發(fā)電機組的設計涉及建筑功能要求、 建筑消防和人員疏散要求、建筑設備用電需求等多方面的要求。本文介紹了柴油發(fā)電機組的功能使用要求，結合設計實(shí)例分析了施工圖中柴油發(fā)電機組的容量計算。在工程設計中除按穩定負荷計算發(fā)電機組容量外，還應復核發(fā)電機組母線(xiàn)允許壓降和尖峰負荷對電源質(zhì)量的影響，以保障柴油發(fā)電機組的供電可靠性。
一、柴發(fā)功率定義和設置要求
1、柴發(fā)選型規定
根據JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》第6.1.2條，柴油發(fā)電機組的選擇應符合以下規定：
（1）機組容量與臺數應根據應急負荷大小、投入順序以及單臺電動(dòng)機最大起動(dòng)容量等因素綜合確定。當應急負荷較大時(shí)，可采用多機并列運行，機組臺數宜為2～4臺。
（2）在方案及初步設計階段，柴油發(fā)電機組容量可按配電變壓器總容量的10%～20%進(jìn)行估算。在施工圖設計階段，可根據一級負荷、消防負荷以及某些重要二級負荷的容量，按下列方法計算的發(fā)電機組最大容量確定：
① 按穩定負荷計算發(fā)電機組容量；
② 按最大的單臺電動(dòng)機或成組電動(dòng)機起動(dòng)的需要，計算發(fā)電機組容量；
③ 按起動(dòng)電動(dòng)機時(shí)，發(fā)電機組母線(xiàn)允許電壓降計算發(fā)電機組容量。
（3）當有電梯負荷時(shí)，在全電壓起動(dòng)最大容量籠型電動(dòng)機情況下，發(fā)電機組母線(xiàn)電壓不應低于額定電壓的80%；當無(wú)電梯負荷時(shí)，其母線(xiàn)電壓不應低于額定電壓的75%。當條件允許時(shí)，電動(dòng)機可用降壓起動(dòng)方式。
柴油發(fā)電機組是一種常用的備用電源設備，其容量的準確計算對于滿(mǎn)足電力需求至關(guān)重要。
2、功率定義
通常柴油發(fā)電機組銘牌標稱(chēng)的輸出功率分為備用功率（Standly Power）、常用功率（Prime Power）和連續功率（Consecution Power）。
（1）備用功率
備用功率定義為發(fā)電機組在規定的維修周期之間和規定的環(huán)境條件下能夠連續運行300h，每年最多500工作小時(shí)的最大功率。備用功率定義示意圖如圖1所示，等同于國標和ISO標準中的限時(shí)運行功率（LTP），一般適用于通信、樓宇等負載變化較多的偶然應急工況。
（2）常用功率
常用功率定義為在規定的維修周期之間和規定的環(huán)境條件下，每年可能運行的時(shí)數不受限制的某一可變功率序列內存在的最大功率。備用功率定義示意圖如圖1所示，等同于國標和ISO標準中的基本功率（PRP），一般適用于廠(chǎng)礦、軍隊等負荷變化較少的經(jīng)常運行工況。
（3）連續功率
連續功率定義為在規定的維修周期之間和規定的環(huán)境條件下，每年可能運行的時(shí)間不受限制的某一恒定功率序列內存在的最大功率。等同于國標和ISO標準中的持續功率（COP），一般適用于作為電站或與市電并網(wǎng)使用等負載變化極小的連續運行工況。
對于柴油發(fā)電機組的應用，在確定柴油發(fā)電機組功率定額時(shí)目前普遍按照常用功率來(lái)選擇。
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圖1 柴油發(fā)電機組額定功率（LTP）的定義 |
圖2 柴油發(fā)電機組額定功率（PRP）的定義 |
二、常見(jiàn)計算方法
柴油發(fā)電機組的容量是指其可以提供的最大功率。容量的計算需要考慮到實(shí)際使用的負載需求以及設備的可靠性。以下是一些常用的柴油發(fā)電機組容量計算方法。
1、功率需求的計算方法
首先，確定需要供電的負載類(lèi)型和功率需求。根據負載的類(lèi)型（如電動(dòng)機、空調、照明等），查找其額定功率。然后，將所有負載的額定功率相加，得到總功率需求。為確保發(fā)電機組能夠滿(mǎn)足負載需求，通常會(huì )將總功率需求的1.2倍作為柴油發(fā)電機組的容量。
2、電流需求的計算方法
首先，確定需要供電的負載類(lèi)型和額定電流。根據負載的額定電流，將所有負載的額定電流相加，得到總電流需求。然后，根據電壓（通常為220V或380V）計算總功率需求。最后，將總功率需求的1.2倍作為柴油發(fā)電機組的容量。
3、功率因數的計算方法
功率因數是指負載所需的有功功率與視在功率之比。根據負載的功率因數，可以通過(guò)以下公式計算柴油發(fā)電機組的容量：
容量 = 額定功率 / 功率因數
其中，額定功率為負載的額定功率。
需要注意的是，柴油發(fā)電機組的容量一般以千瓦（kW）為單位。在實(shí)際應用中，還需要考慮到負載的起動(dòng)電流、功率因數的變化以及柴油發(fā)電機組的可靠性等因素。
三、容量計算公式
在施工圖階段，可根據已有的配電干線(xiàn)負荷、單臺最大電動(dòng)機容量等來(lái)計算所需的柴油發(fā)電機組的容量。一般應急電源只設單臺發(fā)電機組，其容量大小按應急負荷大小和電動(dòng)機容量等因素綜合考慮確定。在施工圖階段可根據一級負荷、消防負荷以及某些重要的二級負荷容量，按下述方法計算并選擇其中容量最大值，若有條件可使用專(zhuān)業(yè)的計算軟件系統。
1、按穩定負荷計算容量
SG1=P∑/η∑cosφ...............（公式1）
式中：P∑——發(fā)電機組總負荷計算功率；
η∑——所帶負荷的綜合效率，一般取0.82～0.88；
cosφ——發(fā)電機組額定功率因數，一般取0.8。
按穩定負荷計算時(shí)，需要輸入的參數為發(fā)電機總負荷計算功率，所帶負荷的綜合效率以及發(fā)電機額定功率因數。其中后兩項軟件給定了常用的默認值，用戶(hù)可以隨時(shí)修改。點(diǎn)擊計算，就可以生成計算結果，如圖3所示。
2、按尖峰負荷計算容量
SG2=KjSm/KG...............（公式2）
式中：Kj——尖峰負荷造成的電動(dòng)機功率下降的系數，一般取0.90～0.95；
KG——發(fā)電機組允許短時(shí)過(guò)載系數，一般取1.4～1.6；
S——最大的單臺電動(dòng)機或成組電動(dòng)機的起動(dòng)容量。
按尖峰負荷計算計算時(shí)，需要輸入參數主要有“最大的單臺電動(dòng)機或成組電動(dòng)機的啟動(dòng)容量Sm”，或者也可以輸入Sm的有功功率和無(wú)功功率。如果知道Sm直接輸入就可以，后兩項不用再輸入。如果不知道Sm數值，可以通過(guò)給定后兩項參數來(lái)計算Sm以及生成發(fā)電機的視在功率。如圖4所示。
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圖3 柴油發(fā)電機組容量計算軟件工具（按尖峰負荷） |
圖4 柴油發(fā)電機組容量計算軟件工具（按穩定負荷） |
3、按發(fā)電機組母線(xiàn)允許壓降計算容量
SG3=（1-△U）Xd'SsT△/△U...............（公式3）
式中：△U——發(fā)電機組母線(xiàn)允許壓降，其曲線(xiàn)如圖5所示，一般取0.2；
Xd’——發(fā)電機組瞬態(tài)電抗，一般取0.2；
SsT△——導致發(fā)電機組最大電壓降的電動(dòng)機的最大起動(dòng)容量。
按發(fā)電機母線(xiàn)允許壓降計算時(shí)，輸入參數主要是導致發(fā)電機最大電壓降的電動(dòng)機的最大起動(dòng)容量。其它參數軟件已經(jīng)給了默認值，用戶(hù)可以自行修改。如圖6所示。
柴油發(fā)電機組的額定功率是在外界大氣壓力為101.325 kPa、溫度為20℃、相對濕度為50%的情況下，保證能連續運行12 h的功率（包括超負荷110%運行1 h）。如連續運行時(shí)間超過(guò)12h，則應按90%額定功率使用。如氣壓、氣溫、濕度與上述規定不同，應對柴油發(fā)電機組的額定功率進(jìn)行修正。
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圖5 最大峰值電流與發(fā)電機壓降關(guān)系曲線(xiàn)圖 |
圖6 柴油發(fā)電機組容量計算軟件工具（按母線(xiàn)允許壓降） |
四、設計實(shí)例一
某住宅小區地上有兩棟一類(lèi)高層住宅建筑，地下室為汽車(chē)車(chē)庫。根據當地供電部門(mén)要求，由市政提供兩路10 kV電源供電，并設置柴油發(fā)電機組作為備用電源。當一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源不應同時(shí)受到損壞。10 kV電源發(fā)生故障時(shí)，15 s內自起動(dòng)應急柴油發(fā)電機組，以保證一、二級負荷的供電要求。柴油發(fā)電機組外觀(guān)一般如圖7所示，實(shí)物安裝布置如圖8所示。
1、按穩定負荷計算容量示例
施工圖負荷計算書(shū)中消防負荷為430.9 kW，非常消防負荷為273.7 kW。因此，按穩定負荷中消防負荷的功率來(lái)選擇一臺512 kW柴油發(fā)電機組，cosφ=0.8，由式（1）得發(fā)電機組容量為
SG1=576 kVA
2、按尖峰負荷計算容量示例
該項目最大電動(dòng)機容量為90 kW，其起動(dòng)容量Sm=KPm/cosφ，其中Ka=6.5，cosφ=0.7，計算得Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另K;=0.95，Kc=1.4，由式（2）得，發(fā)電機組容量為
SG2=0.95×835/1.4=567 kVA
根據計算結果，Sc?>Sc?，柴油發(fā)電機組容量Sci=576 kVA滿(mǎn)足尖峰負荷對柴油發(fā)電機組的要求。
3、按母線(xiàn)允許壓降計算容量示例
該項目最大電動(dòng)機容量為90 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，計算出起動(dòng)容量Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另△U=0.2，Xa=0.2，則由式（3）得，發(fā)電機組容量為
SG3=（1-0.2）×0.2×835/0.2=668 kVA
柴油發(fā)電機組容量Sc?=668 kVA時(shí)，滿(mǎn)足發(fā)電機組母線(xiàn)允許壓降的要求。該項目所在地區為非高海拔地區，同時(shí)柴油發(fā)電機組未要求連續運行12 h，故無(wú)需按90%的長(cháng)期運行功率來(lái)修正柴油發(fā)電機組的額定功率。
根據上述計算結果可知，SG3>SG1且SG3>SG2，故選用668 kVA柴油發(fā)電機組。
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圖7 柴油發(fā)電機組外觀(guān)示意圖 |
圖8 柴油發(fā)電機組設置實(shí)例 |
五、設計實(shí)例二
某商業(yè)綜合體總建筑面積約為30萬(wàn)m²，建筑防火分類(lèi)為I類(lèi)高層建筑，采用多路10 kV進(jìn)線(xiàn)設計，其中當一組電源發(fā)生故障時(shí)，另一組電源應不應同時(shí)受到損壞。為保證一級負荷中特別重要負荷的供電可靠性，設置應急柴油發(fā)電機組作為備用電源。
1、按穩定負荷計算容量示例
施工圖負荷計算書(shū)中，消防負荷為950 kW，非消防負荷為1750 kW。因此，按穩定負荷中非消防負荷的功率來(lái)選擇一臺2000 kW柴油發(fā)電機組，cosφ=0.8，由式（1）得，發(fā)電機組容量為
Sa=2250 kVA
2、按尖峰負荷計算容量示例
該項目最大電動(dòng)機容量為110 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，計算出起動(dòng)容量Sm=6.5×110/0.7=1021 kVA。由式（2）得，發(fā)電機組容量為
Sc?=0.95×1021/1.4=692 kVA
柴油發(fā)電機組容量Sc?=692 kVA時(shí)，滿(mǎn)足尖峰負荷對柴油發(fā)電機組容量的要求。
3、按母線(xiàn)允許壓降計算容量示例
該項目最大電動(dòng)機容量為110 kW，K，=6.5，cosφ=0.7，計算出起動(dòng)容量Sm=6.5×110/0.7=1021kVA。由式（3）得發(fā)電機組容量為
Sc?=（1-0.2）×0.2×1021/0.2=816 kVA
柴油發(fā)電機組容量Sc?=816 kVA時(shí)，滿(mǎn)足發(fā)電機組母線(xiàn)允許壓降的要求。
該項目所在地區為非高海拔地區，同時(shí)柴油發(fā)電機組未要求連續運行12 h，故無(wú)需按90%的長(cháng)期運行功率來(lái)修正柴油發(fā)電機組的額定功率。根據上述計算結果可知，Sc>Sc且Sci>Sc?，故選用2250 kVA柴油發(fā)電機組。
六、選擇的經(jīng)濟性分析
對于設計實(shí)例二，是選擇一臺2000 kW的柴油發(fā)電機組，還是選擇兩臺1000 kW的柴油發(fā)電機組，需要對其經(jīng)濟性進(jìn)行考慮。
1、機組價(jià)格
以康明斯發(fā)電機組為例，單臺2000 kW柴油發(fā)電機組價(jià)格約為260萬(wàn)元；單臺1000 kW柴油發(fā)電機組價(jià)格約為100萬(wàn)元。因此，選擇單臺柴油發(fā)電機組比選擇兩臺柴油發(fā)電機組高出60萬(wàn)元。
2、機房面積
單臺2000 kW柴油發(fā)電機組機房面積約為40 m²;兩臺1000kW柴油發(fā)電機組機房面積約為75 m²。兩臺1000 kW柴油發(fā)電機組的機房面積幾乎為單臺2000 kW柴發(fā)機組的機房面積的2倍。
綜上所述，兩種柴發(fā)機組設計方案均有利有弊，一種前期投入高，但減少了機房的面積；另一種前期投入相對少，但增加了機房的面積，可能對商業(yè)的出租面積以及車(chē)位數量有影響。柴油發(fā)電機組設計方案的選擇，應根據項目的整體運營(yíng)及業(yè)主的實(shí)際使用需求來(lái)決定。
總結：
隨著(zhù)大型公共建筑的發(fā)展，作為應急電源的柴油發(fā)電機組，更應保證其設計的可靠性和穩定性。在工程設計中，除按穩定負荷計算出發(fā)電機組容量外，還應復核發(fā)電機組母線(xiàn)允許壓降和尖峰負荷對電源質(zhì)量的影響，以保障作為應急電源的柴發(fā)機組的供電可靠性。柴油發(fā)電機組的容量還可以根據特定行業(yè)或應用的要求進(jìn)行計算。例如，在建筑工地上使用的柴油發(fā)電機組，其容量需要考慮到工地設備的功率需求以及起動(dòng)電流；而在醫院等特殊場(chǎng)所使用的柴油發(fā)電機組，其容量需要滿(mǎn)足重要設備的供電要求，確保正常運行。柴油發(fā)電機組容量的計算需要綜合考慮負載的功率需求、電流需求、功率因數以及特定應用的要求。通過(guò)合理計算柴油發(fā)電機組的容量，可以確保設備能夠提供足夠的電力，并保證電力系統的可靠性和穩定性。
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