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新聞主題 |
柴油發(fā)電機組選型與負荷計算公式 |
摘要：隨著(zhù)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(gè)被高度關(guān)注的問(wèn)題。根據規范，一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發(fā)生故障時(shí)，另一電源不應同時(shí)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(fā)生故障時(shí)，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(fā)電機組是一種簡(jiǎn)便可靠并已廣泛應用的備用電源/應急電源?？得魉构驹诒疚膶?/span>結合兩個(gè)工程設計案例，闡述了柴油發(fā)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(shí)兼顧經(jīng)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(shù)措施——電氣》對柴油發(fā)電機組容量的計算給出了較簡(jiǎn)便的公式：
Pe=KKxPn/η..............................（公式1）
式中，Pe——發(fā)電機組額定功率，kW;
K——可靠系數，取1.1~1.2;
Kx——需要系數；
Pn——總設備容量，kW；
η——并聯(lián)機組不均勻系數，一般取0.9；單臺時(shí)取1.0。
從式（1）中可見(jiàn)，柴油發(fā)電機組容量計算的關(guān)鍵是計算發(fā)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(fā)電機組的負荷計算應滿(mǎn)足下列要求：
（1）當應急發(fā)電機組僅為一級負荷中特別重要負荷供電時(shí)，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(fā)電機組容量的依據。
（2）當應急發(fā)電機組為消防用電設備及一級負荷供電時(shí)，應將兩者計算負荷之和作為選用應急發(fā)電機組容量的依據。
（3）當自備發(fā)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(shí)，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(shí)，應以三者的計算負荷之和作為選用自備發(fā)電機組容量的依據。
對于第二、三條要求，尚應注意火災發(fā)生時(shí)需自動(dòng)切除非消防重要負荷，這樣，負荷的計算容量需根據未發(fā)生火災和發(fā)生火災的情況分別考慮。下面將結合工程設計作進(jìn)一步說(shuō)明。發(fā)電機組均按與市電聯(lián)鎖考慮，不得與市電并列運行。
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圖1 客戶(hù)用電年負荷曲線(xiàn)圖 |
圖2 客戶(hù)用電年負荷填充系數曲線(xiàn)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(wàn)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(chē)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(yè)部門(mén)引入兩路10 kV市電電源。10 kV高壓側采用單母線(xiàn)分段運行，并設聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)的主接線(xiàn)方式。0.4kV低壓側采用單母線(xiàn)分段，并設母聯(lián)開(kāi)關(guān)的主接線(xiàn)方式。為保證供電可靠性，對消防及重要負荷（主要業(yè)務(wù)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(fā)電機組作應急電源。主配電系統電路如圖3所示，用戶(hù)若有條件盡量采用專(zhuān)業(yè)計算柴油發(fā)電機功率軟件工具（如圖4所示）。
（1）計算未發(fā)生火災時(shí)的計算容量。
根據柴油發(fā)電機組的起動(dòng)條件，僅兩路市電均失電的情況，才起動(dòng)柴油發(fā)電機組為重要負荷供電。故柴油發(fā)電機組在非火災情況下的計算容量應以平時(shí)兼消防負荷及僅平時(shí)用電的重要負荷的容量為依據。此時(shí)負荷計算相對簡(jiǎn)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?？紤]停電為突發(fā)狀況同時(shí)系數取1，可得Pjs1=466kW。相關(guān)計算如表1所示。
表1 未發(fā)生火災時(shí)的計算容量Pjs1
|
設備組名稱(chēng)
|
設備容量
|
需用系數
|
計算系數
|
計算容量
|
|||
|
kW
|
Kx
|
cos
|
tan
|
有功功率
|
無(wú)功功率
|
視在功率
|
|
|
P/kW
|
Q/kvar
|
S/kVA
|
|||||
|
消控中心
|
15
|
1
|
0.85
|
0.62
|
15.0
|
9.3
|
17.6
|
|
變電所
|
40
|
1
|
0.85
|
0.62
|
40.0
|
24.8
|
47.1
|
|
電信機房
|
30
|
1
|
0.85
|
0.62
|
30.0
|
18.6
|
35.3
|
|
地下室應急照明
|
6
|
1
|
0.90
|
0.48
|
6.0
|
2.9
|
6.7
|
|
地上應急照明
|
46
|
1
|
0.90
|
0.48
|
46.0
|
22.3
|
51.1
|
|
安保中心
|
25
|
1
|
0.85
|
0.62
|
25.0
|
15.5
|
29.4
|
|
客梯1
|
120
|
0.85
|
0.80
|
0.75
|
102.0
|
76.5
|
127.5
|
|
客梯2
|
40
|
1
|
0.80
|
0.75
|
40.0
|
30.0
|
50.0
|
|
客梯3
|
120
|
0.85
|
0.80
|
0.75
|
102.0
|
76.5
|
127.5
|
|
消防電梯
|
40
|
1
|
0.80
|
0.75
|
40.0
|
30.0
|
50.0
|
|
發(fā)電機組房
|
20
|
1
|
0.80
|
0.75
|
20.0
|
15.0
|
25.0
|
|
合計
|
502
|
/
|
0.823
|
/
|
466.0
|
321.4
|
566.1
|
（2）考慮火災發(fā)生時(shí)的計算容量。
對于單棟辦公建筑來(lái)說(shuō)，火災發(fā)生時(shí)首要任務(wù)是啟動(dòng)相關(guān)部位的消防設備，同時(shí)出于安全考慮可安排所有樓內人員疏散，即整個(gè)建筑物均可視為處于消防狀態(tài)。此時(shí)可切除保安性質(zhì)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(zhì)負荷的容量為依據。消防狀態(tài)下，建筑物的消防負荷計算容量是負荷計算中的一大難點(diǎn)。困難之處在于，火災起火的隨機性、突發(fā)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(guò)程中消防設備的最大計算容量。對此相關(guān)規范并沒(méi)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(shí)應強制點(diǎn)亮相關(guān)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(shí)地上地下應急照明滿(mǎn)負荷工作。
② 消防水泵及消防電梯等容量。
根據設計，無(wú)論起火點(diǎn)在何處，無(wú)論起火點(diǎn)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(mǎn)負荷考慮。消控中心、變電所、發(fā)電機組房等負荷情況亦類(lèi)似。
③ 消防風(fēng)機類(lèi)容量。
發(fā)生火災時(shí)，為確保人員安全疏散，地上及地下正壓送風(fēng)機均須工作，該部分可按滿(mǎn)負荷考慮。排煙風(fēng)機及相應的消防補風(fēng)機則情況相對特殊。根據暖通專(zhuān)業(yè)設計，地上部分共用排煙井道只有屋面有排煙風(fēng)機，地下部分同樣共用排煙及補風(fēng)井道，但每層均設有排煙風(fēng)機及消防補風(fēng)機。按照暖通專(zhuān)業(yè)“一次火災"的設計原則（即同一時(shí)間僅有一處發(fā)生火災，且火情僅局限于本防火分區內），這些設備不會(huì )同時(shí)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(gè)，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(fā)生在兩個(gè)防火分區的垂直分界面，則需兩個(gè)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?jì)H按一個(gè)防火分區的最大排煙量考慮，亦不能由此判定此時(shí)火災報警聯(lián)動(dòng)不會(huì )同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)防火分區的消防風(fēng)機。同理，若火災發(fā)生在兩個(gè)防火分區的水平分界面，且暖通在每個(gè)防火分區均有獨立的送排風(fēng)井道，則按理亦需開(kāi)啟兩個(gè)防火分區的排煙風(fēng)機及消防補風(fēng)機，且此時(shí)排煙量也完全能滿(mǎn)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(lèi)似結論，僅考慮一個(gè)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(wèn)題。因此，建議該部分負荷可按最大一個(gè)防火分區及相鄰一至兩個(gè)防火分區的消防用電量來(lái)考慮。在防火分區較少時(shí)，可做簡(jiǎn)化，直接累加。
該工程地下4層每層僅一個(gè)防火分區，共4個(gè)，且有多個(gè)機械停車(chē)設備井道貫通地下1～4層，故在計算消防風(fēng)機容量時(shí)，按簡(jiǎn)化情況考慮，直接累加。地上部分則考慮屋頂正壓風(fēng)機容量。
因此，考慮停電為突發(fā)狀況同時(shí)系數取1，可得Pjs2=737 kW。相關(guān)計算如表2所示。
表2 發(fā)生火災時(shí)的計算容量Pjs2
|
設備組名稱(chēng)
|
設備容量
|
需用系數
|
計算系數
|
計算容量
|
|||
|
kW
|
Kx
|
cos
|
tan
|
有功功率
|
無(wú)功功率
|
視在功率
|
|
|
P/kW
|
Q/kvar
|
S/kVA
|
|||||
|
消控中心
|
15
|
1
|
0.85
|
0.62
|
15.0
|
9.3
|
17.6
|
|
變電所
|
40
|
1
|
0.85
|
0.62
|
40.0
|
24.8
|
47.1
|
|
電信機房
|
30
|
1
|
0.85
|
0.62
|
30.0
|
18.6
|
35.3
|
|
地下室應急照明
|
6
|
1
|
0.90
|
0.48
|
6.0
|
2.9
|
6.7
|
|
地下室消防動(dòng)力
|
184
|
1
|
0.80
|
0.75
|
184.0
|
138.0
|
230.0
|
|
地上應急照明
|
46
|
1
|
0.90
|
0.48
|
46.0
|
22.3
|
51.1
|
|
消防泵房
|
258
|
1
|
0.80
|
0.75
|
258.0
|
193.5
|
322.5
|
|
安保中心
|
25
|
1
|
0.85
|
0.62
|
25.0
|
15.5
|
29.4
|
|
消防電梯
|
40
|
1
|
0.80
|
0.75
|
40.0
|
30.0
|
50.0
|
|
屋頂消防動(dòng)力
|
73
|
1
|
0.80
|
0.75
|
73.0
|
54.8
|
91.3
|
|
發(fā)電機組房
|
20
|
1
|
0.80
|
0.75
|
20.0
|
15.0
|
25.0
|
|
合計
|
737
|
/
|
0.815
|
/
|
737.0
|
524.7
|
904.6
|
根據式（1），取K=1.1，按一臺發(fā)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(wàn)m²，地下總建筑面積為2.6萬(wàn)m²。地上住宅由8幢15～33層塔樓組成。地下一層為地下停車(chē)庫、設備配套用房。根據當地供電情況，該項目由電業(yè)部門(mén)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(fā)電機組做備用電源。
可與案例一做相同考慮，分別計算未發(fā)生火災時(shí)及發(fā)生火災時(shí)的計算容量。未發(fā)生火災時(shí)的計算容量以所有平時(shí)用電的一級負荷容量為依據，計算方法與案例一相同。發(fā)生火災時(shí)，建筑群的情況較單棟建筑復雜。著(zhù)火建筑物或著(zhù)火區域轉為消防狀態(tài)，柴油發(fā)電機組仍需為其他未著(zhù)火樓宇或區域的一級負荷供電，即此時(shí)柴油發(fā)電機組既有平時(shí)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(shí)發(fā)生火災的可能。對單棟住宅來(lái)說(shuō)，地面以上發(fā)生火災，消防用電量為該住宅樓內正壓風(fēng)機用電、消防電梯、消防水泵用電之和。住宅地下室發(fā)生火災時(shí)，消防用電還應增加地下室相關(guān)區域排煙風(fēng)機、消防補風(fēng)機用電。若地下車(chē)庫某防火分區發(fā)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(kāi)啟。此時(shí)，消防用電需同時(shí)考慮車(chē)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(shí)及消防時(shí)用電負荷容量。發(fā)生火災時(shí)，柴油的最大計算負荷為消防與平時(shí)相差最大的一棟樓的消防用電量加其余區域平時(shí)用電量?？傻闷綍r(shí)及消防時(shí)計算容量分別為Pjs1=752.3 kW、Pjs2=916.0 kW，如表3所示。
表3 平時(shí)及消防時(shí)計算容量
|
設備組名稱(chēng)
|
設備容量
|
計算系數
|
計算容量
|
|||
|
kW
|
cos
|
tan
|
有功功率
|
無(wú)功功率
|
視在功率
|
|
|
P/kW
|
Q/kvar
|
S/kVA
|
||||
|
2號樓電源1(消防)
|
170.5
|
/
|
/
|
165.7
|
119.2
|
204.1
|
|
2號樓電源1(平時(shí))
|
58.0
|
/
|
/
|
43
|
27.7
|
51.2
|
|
3號樓電源1(消防)
|
191
|
/
|
/
|
184.2
|
130.9
|
226.0
|
|
3號樓電源1(平時(shí))
|
68.9
|
/
|
/
|
47.8
|
29.4
|
56.1
|
|
5號樓電源1(消防)
|
104.0
|
/
|
/
|
97.8
|
85.4
|
129.9
|
|
5號樓電源1(平時(shí))
|
196.0
|
/
|
/
|
143.6
|
101.8
|
176.1
|
|
6號樓電源1(消防)
|
112.0
|
/
|
/
|
106.4
|
73.8
|
129.5
|
|
6號樓電源1(平時(shí))
|
71.0
|
/
|
/
|
57.2
|
37.6
|
68.5
|
|
7號樓電源1(消防)
|
190.8
|
/
|
/
|
184.0
|
130.8
|
225.7
|
|
7號樓電源1(平時(shí))
|
60.0
|
/
|
/
|
44.6
|
27.0
|
52.2
|
|
8號樓電源1(消防)
|
84.0
|
/
|
/
|
84.0
|
63.0
|
105.0
|
|
8號樓電源1(平時(shí))
|
40.0
|
/
|
/
|
36.0
|
27.0
|
45.0
|
|
8號樓電源2(消防)
|
170.0
|
/
|
/
|
161.4
|
111.9
|
196.4
|
|
8號樓電源2(平時(shí))
|
75.0
|
/
|
/
|
53.3
|
31.7
|
62.0'
|
|
9號樓電源1(消防)
|
103.0
|
/
|
/
|
103.0
|
73.3
|
126.4
|
|
9號樓電源1(平時(shí))
|
70.0
|
/
|
/
|
63.0
|
43.7
|
76.7
|
|
9號樓電源2(消防)
|
143.0
|
/
|
/
|
134.4
|
91.7
|
162.7
|
|
9號樓電源2(平時(shí))
|
75.0
|
/
|
/
|
53.3
|
31.7
|
62.0
|
|
15號樓電源1(消防)
|
128.0
|
/
|
/
|
123.2
|
84.7
|
149.5
|
|
15號樓電源1(平時(shí))
|
102.0
|
/
|
/
|
83.2
|
54.0
|
99.2
|
|
熱交換站1
|
1160.0
|
/
|
/
|
128.0
|
96.0
|
160.0
|
|
熱交換站2
|
165.0
|
/
|
/
|
132.0
|
99.0
|
165.0
|
|
地下車(chē)庫消防泵房
|
150.0
|
/
|
/
|
150.0
|
112.5
|
187.5
|
|
生活泵
|
142.0
|
/
|
/
|
113.6
|
85.2
|
142.0
|
|
Kp=0.85,Kq=0.87
|
|
/
|
/
|
|
|
|
|
平時(shí)合計
|
1140.9
|
/
|
0.818
|
752.3
|
527.8
|
919.0
|
|
消防時(shí)合計
|
1279.7
|
/
|
0.814
|
916.0
|
652.6
|
1124.7
|
注：消防時(shí)負荷最大情況，8號樓取消防用電量，其余取平時(shí)用電量?？鄢畋秘摵?，計入消防泵負荷。根據式（1），取K=1.1，按一臺發(fā)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(fā)電機供配電系統圖 |
圖4 柴油發(fā)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(fā)電機組的樣本中經(jīng)常會(huì )出現常用功率、備用功率這兩個(gè)名詞，兩種功率的相關(guān)定義如下：
（1）常用功率。
用于無(wú)市電供電場(chǎng)合，可連續使用，70%負載運行，每12h允許10%過(guò)載1h，每年運行時(shí)間，負載>70%時(shí)不允許超過(guò)500 h。
（2）備用功率。
市電斷電時(shí)提供備用電源，80%負載運行，每年運行時(shí)間200 h。備載適用于大部分緊急/備用狀態(tài)，備用額定功率不允許過(guò)載。
根據定義，工程設計時(shí)可按非火災時(shí)的計算容量來(lái)選擇柴油發(fā)電機組常用功率，按火災情況下的計算容量來(lái)選擇柴油發(fā)電機組備用功率。被選擇的柴油發(fā)電機組的常用功率及備用功率需同時(shí)大于或等于非火災時(shí)及火災時(shí)的計算容量。另需注意的是柴油發(fā)電機組額定功率因數為0.8，當所帶負載功率因數<0.8時(shí)，柴油發(fā)電機組容量需適當增加以提供更多的無(wú)功功率。
按以上原則，案例一選擇一臺常用800 kW、備用880kW的發(fā)電機組，而案例二選擇一臺常用1000 kW、備用1120kW的發(fā)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(shù)措施-電氣》（2009年版）給出的柴油發(fā)電機組容量校驗的計算公式，按最大一臺電動(dòng)機起動(dòng)條件校驗發(fā)電機組的容量（即最大一臺電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機組母線(xiàn)電壓降應不低于規定值）。
Pe≥KP?+P..............................（公式2）
式中，Pe——發(fā)電機組額定功率，kW；
K-—發(fā)電機組供電負荷中最大一臺電動(dòng)機的最小起動(dòng)倍數；
P1—最大一臺電動(dòng)機額定功率，kW；
P—在最大一臺電動(dòng)機起動(dòng)之前，發(fā)電機組已帶的負荷，kW。
案例一：按Y-△起動(dòng)校驗，母線(xiàn)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(dòng)校驗，母線(xiàn)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(mǎn)足最大一臺電動(dòng)機起動(dòng)情況下發(fā)電機組母線(xiàn)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(shí)際負荷通常是隨機變動(dòng)的。我們選取一個(gè)假想的持續性的負荷，在一定時(shí)間間隔和特定效應上與實(shí)際負荷相等。這一計算過(guò)程就是負荷計算。這一假想的持續性的負荷就稱(chēng)為計算負荷。柴油發(fā)電機組容量計算是負荷計算中的一大難點(diǎn)。設計過(guò)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(fā)電機組設備容量，從而在保證設計可靠性的同時(shí)亦兼顧經(jīng)濟性。
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