王曉雪

【摘 要】柴油發(fā)電機組容量與臺數(shù)的選擇是建筑電氣設(shè)計的一個重要組成部分，牽涉到暖通、給排水等相關(guān)專業(yè)，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否安全合理的運行。本文在二級醫(yī)院柴油發(fā)電機組容量與臺數(shù)的選擇的計算上作了理論分析，并結(jié)合工程實例進(jìn)行計算與比較，供工程設(shè)計人員借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)急電源；事故停電；穩(wěn)定負(fù)荷；尖峰負(fù)荷；允許壓降；主用功率

Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set in the level 2 medical building engineering

WANG Xiao-xue

（Tongji Architectural Design （Group） Co.，LTD，Shanghai 200092， China）

【Abstract】Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set plays an important role in building electrical design， which involves heating， water supply， drainage and other related profession. It is related to the whole system operation whether is safe and reasonable. Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set in the level 2 medical building engineering is analyzed， calculated and compared with examples in this article， for engineering design reference.

【Key words】Electric source for safety services；Forced outage；Stable load；Peak load； Allowable voltage drop； Primary power

1 簡介

1.1 應(yīng)急電源的概念

應(yīng)急電源[1]是用作應(yīng)急供電系統(tǒng)組成部分的電源，且與電網(wǎng)在電氣上獨立的各式電源。在一級負(fù)荷中，當(dāng)中斷供電將造成人員傷亡或重大設(shè)備損壞或發(fā)電中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負(fù)荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷，應(yīng)視為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷的供電除由雙重電源供電外，尚需增加應(yīng)急電源。由于在實際中很難得到兩個真正獨立的電源，電網(wǎng)的各種故障都可能引起全部電源進(jìn)線同時失去電源，造成停電事故。對特別重要負(fù)荷要由與電網(wǎng)不并列的、獨立的應(yīng)急電源供電。工程設(shè)計中，對于其他專業(yè)提出的特別重要負(fù)荷，應(yīng)仔細(xì)研究，凡能采取非電氣保安措施者，應(yīng)盡可能減少特別重要負(fù)荷的負(fù)荷量。

1.2 應(yīng)急電源的分類[2]

應(yīng)急電源應(yīng)根據(jù)其容量、供電時間等因素選擇相應(yīng)的形式，并可采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組、供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用的饋電線路、蓄電池、干電池等。本文將針對二級醫(yī)院柴油發(fā)電機組容量與臺數(shù)的選擇進(jìn)行論證。

1.3 應(yīng)急電源應(yīng)根據(jù)允許中斷供電的時間選擇，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[3]第4.4.6條、4.4.7條：

1.3.1 要求中斷供電時間小于或等于0.5s的一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，應(yīng)設(shè)不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式。TN-S系統(tǒng)中的不間斷電源裝置（UPS）輸出端為三相時，應(yīng)加裝三相隔離變壓器并做重復(fù)接地。

1.3.2 應(yīng)急電源為柴油發(fā)電機組時，不間斷電源裝置（UPS）應(yīng)急供電時間不應(yīng)小于15min。

1.4 柴油發(fā)電機組的選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第4.4.5條：

1.4.1 對于柴油發(fā)電機組的供油時間，三級醫(yī)院應(yīng)大于24h，二級醫(yī)院宜大于12h，二級以下醫(yī)院宜大于3h。

1.4.2 柴油發(fā)電機組應(yīng)配有電壓自動調(diào)整裝置、快速自啟動裝置及電源自動切換裝置，當(dāng)正常供電電源中斷供電時，應(yīng)能自動啟動，并應(yīng)在15s內(nèi)向規(guī)定的用電負(fù)載供電；當(dāng)正常供電電源恢復(fù)供電后，應(yīng)延時切換并停機。

1.5 柴油發(fā)電機的自動化應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[4]第6.1.10條：

1.5.1 機組與電力系統(tǒng)電源不應(yīng)并網(wǎng)運行，并應(yīng)設(shè)置可靠連鎖。

1.5.2 選擇自啟動機組應(yīng)符合下列要求：

1）當(dāng)市電中斷供電時，單臺機組應(yīng)能自動啟動，并應(yīng)在30s內(nèi)向負(fù)荷供電；

2）當(dāng)市電恢復(fù)供電后，應(yīng)自切換并延時停機；

3）當(dāng)連續(xù)三次自啟動失敗，應(yīng)發(fā)出報警信號；

4）應(yīng)自動控制負(fù)荷的投入和切除；

5）應(yīng)自動控制附屬設(shè)備及自動轉(zhuǎn)換冷卻方式和通風(fēng)方式。

1.5.3 機組并列運行時，宜采用手動準(zhǔn)同期。當(dāng)兩臺自啟動機組需并車時，應(yīng)采用自動同期，并應(yīng)在機組間同期后再向負(fù)荷供電。

1.6 儲油設(shè)施的設(shè)置應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第6.1.11條：

1.6.1 機房內(nèi)應(yīng)設(shè)置儲油間，其總儲存量不應(yīng)超過8h的燃油量，并應(yīng)采取相應(yīng)的防火措施。

2 醫(yī)療建筑事故停電的損失或危害

在一級負(fù)荷中，當(dāng)中斷供電將造成人員傷亡或重大設(shè)備損壞或發(fā)電中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負(fù)荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷，應(yīng)視為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。

按照J(rèn)GJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》表4.2.1可知二級醫(yī)院的急診搶救室、血液病房的凈化室、產(chǎn)房、燒傷病房、重癥監(jiān)護室、早產(chǎn)兒室、血液透析室、手術(shù)室、術(shù)前準(zhǔn)備室、術(shù)后復(fù)蘇室、麻醉室、心血管造影檢查室等場所中涉及患者生命安全的設(shè)備及其照明用電；大型生化儀器、重癥呼吸道感染區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)等負(fù)荷等級定義為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。其中，涉及患者生命安全的設(shè)備：如無影燈、呼吸機、心電監(jiān)護儀。

事故一旦發(fā)生能夠及時處理，防止事故擴大，保證工作人員的搶救和撤離，而必須保證的用電負(fù)荷，亦為特別重要負(fù)荷。事故停電所帶來的損失或危害難以估量。因此，在工程設(shè)計時，應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計成為工程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

3 柴油發(fā)電機組容量的計算表達(dá)式

3.1 機組容量與臺數(shù)應(yīng)根據(jù)應(yīng)急負(fù)荷大小和投入順序以及單臺電動機最大啟動容量等因素綜合確定。當(dāng)應(yīng)急負(fù)荷較大時，可采用多機并列運行，機組臺數(shù)宜為2～4臺。當(dāng)受并列條件限制，可實施分區(qū)供電。當(dāng)用電負(fù)荷諧波較大時，應(yīng)考慮其對發(fā)電機的影響。

3.2 在方案或初步設(shè)計階段，按下述方法估算并選擇其中容量最大者[2]：

3.2.1 按建筑面積估算。建筑面在10000m2以上的大型建筑按15～20W/m2，建筑面在10000m2及以下的中小型建筑按10～15W/m2.

3.2.2 按配電變壓器容量估算。占配電變壓器容量的10%～20%。

3.2.3 按電動機起動容量估算。當(dāng)允許發(fā)電機端電壓瞬時壓降為20%時，發(fā)電機組直接起動異步電動機的能力為每1KW電動機功率，需要5KW柴油發(fā)電機組功率。若電動機降壓起動或軟起動，由于起動電流減小，柴油發(fā)電機容量也按相應(yīng)比例減小。按電動機功率估算后，然后進(jìn)行歸整，即按柴油發(fā)電機組的標(biāo)定系列估算容量。

3.3 在施工圖階段可根據(jù)一級負(fù)荷、消防負(fù)荷以及某些重要的二級負(fù)荷容量，按下述方法計算并選擇其中容量最大者：

3.3.1 按穩(wěn)定負(fù)荷計算發(fā)電機容量

3.3.2 按尖峰負(fù)荷計算發(fā)電機容量

3.3.3 按發(fā)電機母線允許壓降計算發(fā)電機容量

3.4 柴油發(fā)電機的主用功率

3.4.1 柴油發(fā)電機的額定功率[2]系指外界大氣壓力為101.325kPa（760mmHg）、大氣溫度為20℃、相對濕度為50%的情況下，保證能連續(xù)運行12h的功率（包括超負(fù)荷110%運行1h）。如連續(xù)運行時間超過12h，則應(yīng)按90%額定功率使用。如氣壓、氣溫、濕度與上述規(guī)定不同，應(yīng)對柴油發(fā)電機的額定功率進(jìn)行修改。

柴油發(fā)電機的額定功率，又稱主用功率、連續(xù)功率或長行功率。 柴油發(fā)電機在我們國內(nèi)是用主用功率即連續(xù)功率來標(biāo)稱的，發(fā)電機組能夠在24小時之內(nèi)連續(xù)使用的功率我們稱之為連續(xù)功率，而在某一時段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)是每12個小時之內(nèi)有1個小時可在連續(xù)功率的基礎(chǔ)上超載10%，此時的機組功率就是我們平時所說的最大功率，即備用功率，也就是說，如果您購買的是主用500kW的機組，那么您12個小時之內(nèi)有1個小時可以運行到550kW，如果您購買的是備用500kW的機組，假如您不超載平時都開在500kW，其實該機組一直都開在超載狀態(tài)（因為該機組實際額定功率只有450kW），這對機組是非常不利的，將會縮短機組的壽命和造成故障率增高。

3.5 柴油發(fā)電機的綜合效率

3.5.1 柴油發(fā)電機的綜合效率是指發(fā)電機組通過內(nèi)燃機將柴油燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為動能，再通過電球（康明斯、斯坦福等）將動能轉(zhuǎn)化為電能的過程中能源的轉(zhuǎn)化效率。

內(nèi)燃機發(fā)電機一般是30～80%滿載運行，是指運行在額定功率下。發(fā)電機的額定功率的定義就是指能長時間運行的功率。因此，可以長期滿載運行。不過也要注意使用條件，比如說，環(huán)境溫度過高的話，發(fā)電機長期額定運行可能導(dǎo)致溫升過高。必要時應(yīng)增加溫度監(jiān)視和報警裝置。

3.6 全壓起動大容量籠型電動機時，母線電壓不應(yīng)低于額定電壓的75%（無電梯負(fù)荷時）或80%（有電梯負(fù)荷時）。電動機全壓起動允許容量取決于發(fā)電機的容量和勵磁方式；宜選用高速柴油發(fā)電機組和無刷型自動勵磁裝置。

3.7 多臺機組時，應(yīng)選擇型號、規(guī)格和特性相同的機組和配套設(shè)備。

4 計算實例

某工程為二級醫(yī)院，根據(jù)規(guī)范及甲方要求，2路市電斷電后，需由柴油發(fā)電機組供電的用電負(fù)荷統(tǒng)計如下表1：

已知：上述負(fù)荷中最大電動機為55KW/臺，啟動電流倍數(shù)為7，電動機的功率因數(shù)為0.8，電動機效率為0.92，啟動時的功率因數(shù)為0.5，直接但不同時啟動。

4.1 確定計算數(shù)據(jù)

根據(jù)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第3.0.5.1條：允許中斷供電時間為15s以上的供電，可選用快速自啟動的發(fā)電機組。已知條件中的潔凈手術(shù)區(qū)用電、普通手術(shù)區(qū)用電要求自恢復(fù)供電時間為0.5s，則應(yīng)設(shè)不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式，15min，過渡轉(zhuǎn)換期內(nèi)由不間斷電源裝置供電。應(yīng)急照明的自恢復(fù)供電時間為5s，則應(yīng)設(shè)應(yīng)急電源裝置（EPS），30min，過渡轉(zhuǎn)換期內(nèi)由應(yīng)急電源裝置供電。在柴油發(fā)電機穩(wěn)定運行后潔凈手術(shù)區(qū)用電、普通手術(shù)區(qū)用電、應(yīng)急照明轉(zhuǎn)切換至柴油發(fā)電機供電，表格中的其余負(fù)荷可直接由市電切換至柴油發(fā)電機供電。

工程應(yīng)用中一般不考慮平時用電與消防時用電同時使用的情況，柴油發(fā)電機容量按兩者的最大值選取。故本工程案例實際計算有功功率為375kW。

4.1.1 若發(fā)電機功率因數(shù)0.8，綜合效率為0.82，按穩(wěn)定負(fù)荷計算，發(fā)電機的容量為：

4.1.2 當(dāng)采用柴油發(fā)電機作為應(yīng)急電源，最大一臺電動機啟動前，發(fā)電機已經(jīng)帶有負(fù)載400KVA，功率因為為0.8，不考慮因尖峰負(fù)荷造成的設(shè)備功率下降，發(fā)電機的短時過載系數(shù)為1.5，按短時過負(fù)載能力校驗，發(fā)電機的容量為：

根據(jù)《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》（上冊）[5]第7.9.2.2條：大容量負(fù)荷起動或自起動時應(yīng)符合發(fā)電機過負(fù)荷能力。發(fā)電機組起動后，大容量電動機投入之前，有些負(fù)荷已經(jīng)投運，要綜合考慮大容量電動機負(fù)荷起動時發(fā)電機的過負(fù)荷情況。

4.1.4 按上述三種方法計算并選擇其中容量最大者，為SG2=594.89KVA（PG2=475.91kW）。

按穩(wěn)定負(fù)荷計算的發(fā)電機視在功率就如同變壓器的計算視在功率，只能滿足在額定負(fù)載及以下長期運行時適用，如用電單位在現(xiàn)有安裝容量下，需用系數(shù)較計算用系數(shù)大，并長期運行，則按計算負(fù)荷大小所選用的發(fā)電機就不適用。一臺發(fā)電機，功率增大一級所付出的代價是第一次投資成本提高，而其優(yōu)點是：便于用電單位將新增一、二級負(fù)荷設(shè)備接入，避免因選用發(fā)電機組容量不夠而需更新設(shè)備。

選擇發(fā)電機容量時，應(yīng)多方面考慮用電單位將來有可能接入的用電，尤其是供電條件差的地區(qū)。

綜合上述分析，針對本二級醫(yī)院工程案例，對于柴油發(fā)電機組的供油時間，二級醫(yī)院宜大于12h，可按柴油發(fā)電機的100%額定功率選擇，故建議選用1臺康明斯C690 D5型柴油發(fā)電機，其主用功率為500kW，4KV/50HZ，1500rpm。

4.2 總結(jié)

綜合上述三種方法的計算分析及比較，可最終求得柴油發(fā)電機組容量及臺數(shù)的設(shè)計依據(jù)。

以本二級醫(yī)院工程為例，柴油發(fā)電機房設(shè)計時，在變配電所貼臨處設(shè)置一座發(fā)電機房，擬設(shè)1臺500kW（主用功率） ，4KV/50HZ，1500rpm發(fā)電機組。發(fā)電機組采用自起動方式，發(fā)電機起動后在15秒內(nèi)供電。發(fā)電機組設(shè)有短路、過負(fù)荷、接地、故障及過、欠電壓保護。發(fā)電機房設(shè)日用油箱間，總儲存量不應(yīng)超過8小時的燃油量。建筑物主體外設(shè)置供油時間大于12小時的地下儲油罐。

5 結(jié)束語

柴油發(fā)電機組容量與臺數(shù)的選擇是建筑電氣設(shè)計的一個重要組成部分，牽涉到暖通、給排水等相關(guān)專業(yè)，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否安全合理的運行。事故停電所帶來的損失或危害難以估量。因此，在工程設(shè)計時，應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計成為工程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

柴油發(fā)電機組容量與臺數(shù)應(yīng)根據(jù)應(yīng)急負(fù)荷大小和投入順序以及單臺電動機最大啟動容量等因素綜合確定。筆者建議電氣設(shè)計人員在設(shè)計過程中能結(jié)合柴油發(fā)電機組產(chǎn)品性能指標(biāo)，仔細(xì)計算和校驗，保證安全供電，減少損失，維護建筑電氣生產(chǎn)安全。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]