柴油发电机组的容量计算

龙 君

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

柴油发电机组的容量计算

龙 君

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

介绍了柴油发电机组的功能使用要求,结合设计实例分析了施工图中柴油发电机组的容量计算。在工程设计中除按稳定负荷计算发电机容量外,还应复核发电机母线允许压降和尖峰负荷对电源质量的影响,以保障柴油发电机组的供电可靠性。

柴油发电机组; 容量计算; 稳定负荷; 尖峰负荷

0 引 言

随着经济的发展,高层、超高层建筑以及大型公共建筑越来越多,柴油发电机的使用也越来越普及。柴油发电机组具有起动迅速、结构紧凑、占地面积小、工程量小、维护操作简单等特点,在工程建筑中作为备用电源或应急电源的首选设备。柴油发电机的设计涉及建筑功能要求、建筑消防和人员疏散要求、建筑设备用电需求等多方面的要求。

本文结合民用建筑中的设计实例,介绍了柴油发电机组的容量计算。

1 柴油发电机组的功能使用要求

通常,设置自备柴油发电机组的情况有两种:

(1) 为保证一级负荷中特别重要的负荷用电。

(2) 用电负荷为一级,但从市电获取第二电源有困难或技术经济不合理。

在选择柴油发电机组时,需根据柴油发电机组负载情况及其用途来确定柴油发电机组的等级。

柴油发电机组性能等级如表1所示。

表1 柴油发电机组性能等级

对于一般民用建筑设计,使用较多的是G2、G4级柴油发电机组;其中G2级柴油发电机组多适用于高层、超高层建筑以及大型公共建筑;G4级柴油发电机组适用于数据中心类建筑。

根据JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》第6.1.2条,柴油发电机组的选择应符合以下规定:

(1) 机组容量与台数应根据应急负荷大小、投入顺序以及单台电动机最大起动容量等因素综合确定。当应急负荷较大时,可采用多机并列运行,机组台数宜为2～4台。

(2) 在方案及初步设计阶段,柴油发电机容量可按配电变压器总容量的10%～20%进行估算。在施工图设计阶段,可根据一级负荷、消防负荷以及某些重要二级负荷的容量,按下列方法计算的发电机最大容量确定:① 按稳定负荷计算发电机容量;② 按最大的单台电动机或成组电动机起动的需要,计算发电机容量;③ 按起动电动机时,发电机母线允许电压降计算发电机容量。

(3) 当有电梯负荷时,在全电压起动最大容量笼型电动机情况下,发电机母线电压不应低于额定电压的80%;当无电梯负荷时,其母线电压不应低于额定电压的75%。当条件允许时,电动机可用降压起动方式。

2 施工图中柴油发电机组的容量计算

在施工图阶段,可根据已有的配电干线负荷、单台最大电动机容量等来计算所需的柴油发电机组的容量。

一般应急电源只设一台机组,其容量大小按应急负荷大小和电动机容量等因素综合考虑确定。

在施工图阶段可根据一级负荷、消防负荷以及某些重要的二级负荷容量,按下述方法计算并选择其中容量最大值。

(1) 按稳定负荷计算发电机容量:

SG1=PΣ/ηΣcosφ

(1)

式中:PΣ——发电机总负荷计算功率;

ηΣ——所带负荷的综合效率,一般取0.82～0.88;

cosφ——发电机额定功率因数,一般取0.8。

(2) 按尖峰负荷计算发电机容量:

SG2=KjSm/KG

(2)

式中:Kj——尖峰负荷造成的电动机功率下降的系数,一般取0.90～0.95;

KG——发电机允许短时过载系数,一般取1.4～1.6;

Sm——最大的单台电动机或成组电动机的起动容量。

(3) 按发电机母线允许压降计算发电机容量:

SG3=(1-ΔU)Xd′SSTΔ/ΔU

(3)

式中: ΔU——发电机母线允许压降,一般取0.2;

Xd′——发电机瞬态电抗,一般取0.2;

SSTΔ——导致发电机最大电压降的电动机的最大起动容量。

柴油发电机的额定功率是在外界大气压力为101.325 kPa、温度为20℃、相对湿度为50%的情况下,保证能连续运行12 h的功率(包括超负荷110%运行1 h)。如连续运行时间超过12 h,则应按90%额定功率使用。如气压、气温、湿度与上述规定不同,应对柴油发电机的额定功率进行修正。

3 设计实例一

某住宅小区地上有两栋一类高层住宅建筑,地下室为汽车车库。根据当地供电部门要求,由市政提供两路10 kV电源供电,并设置柴油发电机作为备用电源。当一路电源发生故障时,另一路电源不应同时受到损坏。10 kV电源发生故障时,15 s内自起动应急柴油发电机组,以保证一、二级负荷的供电要求。

3.1 按稳定负荷计算发电机容量

施工图负荷计算书中消防负荷为430.9 kW,非常消防负荷为273.7 kW。因此,按稳定负荷中消防负荷的功率来选择一台512 kW柴油发电机组,cosφ=0.8,由式(1)得发电机容量为

SG1=576kVA

3.2 按尖峰负荷计算发电机容量

该项目最大电动机容量为90 kW,其起动容量Sm=KstPm/cosφ,其中Kst=6.5,cosφ=0.7,计算得Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另Kj=0.95,KG=1.4,由式(2)得,发电机容量为

SG2=0.95×835/1.4=567kVA

根据计算结果,SG1>SG2,柴油发电机组容量SG1=576 kVA满足尖峰负荷对柴油发电机的要求。

3.3 按发电机母线允许压降计算发电机容量

该项目最大电动机容量为90 kW,Kst=6.5,cosφ=0.7,计算出起动容量Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另ΔU=0.2,Xd=0.2,则由式(3)得,发电机容量为

SG3=(1-0.2)×0.2×835/0.2=668kVA

柴油发电机组容量SG3=668 kVA时,满足发电机母线允许压降的要求。

该项目所在地区为非高海拔地区,同时柴油发电机未要求连续运行12 h,故无需按90%的长期运行功率来修正柴油发电机组的额定功率。

根据上述计算结果可知,SG3>SG1且SG3>SG2,故选用668 kVA柴油发电机组。

4 设计实例二

某商业综合体总建筑面积约为30万m2,建筑防火分类为Ⅰ类高层建筑,采用多路10 kV进线设计,其中当一组电源发生故障时,另一组电源应不应同时受到损坏。为保证一级负荷中特别重要负荷的供电可靠性,设置应急柴油发电机组作为备用电源。

4.1 按稳定负荷计算发电机容量

施工图负荷计算书中,消防负荷为950 kW,非消防负荷为1 750 kW。因此,按稳定负荷中非消防负荷的功率来选择一台2 000 kW柴油发电机组,cosφ=0.8,由式(1)得,发电机容量为

SG1=2 250kVA

4.2 按尖峰负荷计算发电机容量

该项目最大电动机容量为110 kW,Kst=6.5,cosφ=0.7,计算出起动容量Sm=6.5×110/0.7=1 021 kVA。由式(2)得,发电机容量为

SG2=0.95×1 021/1.4=692kVA

柴油发电机组容量SG2=692 kVA时,满足尖峰负荷对柴油发电机容量的要求。

4.3 按发电机母线允许压降计算发电机容量

该项目最大电动机容量为110 kW,Kst=6.5,cosφ=0.7,计算出起动容量Sm=6.5×110/0.7=1 021 kVA。由式(3)得发电机容量为

SG3=(1-0.2)×0.2×1 021/0.2=816kVA

柴油发电机组容量SG3=816 kVA时,满足发电机母线允许压降的要求。

该项目所在地区为非高海拔地区,同时柴油发电机未要求连续运行12 h,故无需按90%的长期运行功率来修正柴油发电机组的额定功率。

根据上述计算结果可知,SG1>SG2且SG1>SG3,故选用2 250 kVA柴油发电机组。

5 柴油发电机组选择的经济性

对于设计实例二,是选择一台2 000 kW的柴油发电机组,还是选择两台1 000 kW的柴油发电机组,需要对其经济性进行考虑。

5.1 机组价格

单台2 000 kW柴油发电机组价格约为250万元;单台1 000 kW柴油发电机价格约为100万元。因此,选择单台柴油发电机组比选择两台柴油发电机组高出50万元。

5.2 机房面积

单台2 000 kW柴油发电机组机房面积约为40 m2;两台1 000 kW柴油发电机组机房面积约为75 m2。两台1 000 kW柴油发电机组的机房面积几乎为单台2 000 kW柴发机组的机房面积的2倍。

综上所述,两种柴发机组设计方案均有利有弊,一种前期投入高,但减少了机房的面积;另一种前期投入相对少,但增加了机房的面积,可能对商业的出租面积以及车位数量有影响。柴油发电机组设计方案的选择,应根据项目的整体运营及业主的实际使用需求来决定。

6 结 语

随着大型公共建筑的发展,作为应急电源的柴油发电机组,更应保证其设计的可靠性和稳定性。在工程设计中,除按稳定负荷计算出发电机容量外,还应复核发电机母线允许压降和尖峰负荷对电源质量的影响,以保障作为应急电源的柴发机组的供电可靠性。

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[2] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

[3] GB/T 2820.1—2009 往复式内燃机驱动的交流发电机组 用途、定额和性能[S].

Capacity Calculation of Diesel Power Generating Set

LONGJun

[Architectural Design & Research Institute(Group) Co., Ltd.,Tongji University, Shanghai 200092, China]

This paper introduced the functional requirements of diesel power generating set.Combined with design examples,the capacity calculations of diesel power generating set were analyzed in the construction drawing.According to the stable load,the capacity of generator set is calculated in engineering design.The allowed pressure drop of generator bus bar and the influence of peak load on power supply quality are reexamined to ensure the power supply reliability of the diesel generator set.

diesel power generating set; capacity calculation; steady load; peak load

龙 君(1982—),男,工程师,从事建筑电气供配电方面的研究。

TU 852

B

1674-8417(2015)07-0030-04

2015-03-28