重要办公建筑柴油发电机组设计探讨

刘力红，徐 华

(清华大学建筑设计研究院有限公司， 北京 100084)

0 引言

随着我国综合国力的增强，重要办公建筑的供电保障要求越来越高。柴油发电机组经常作为应急或备用电源使用，柴油发电机组设计的合理性和安全性至关重要。

本论文以亚洲基础设施投资银行总部项目(简称“亚投行项目”)为例，总结了柴油发电机组在系统设计中的一些经验和想法。希望通过本文的探讨，对电气设计师在柴发机组设计方面有所助益。

1 项目概况

亚投行项目位于中轴线西侧建筑序列的最北端；总建筑面积为389 972 m2，地上面积 256 872m2，地下面积133 100m2。地上16层，地下3层；建筑高度80m。机动车停车位1 670辆。本项目为一次性建设，分三期使用。

亚投行项目为一类高层办公建筑。车库属于大型 Ⅰ 类汽车库；地下一层设置的数据机房为B级机房。项目耐火等级为一级；结构类型为钢管混凝土框架-钢板墙核心筒结构，基础类型为桩筏基础。

2 供配电系统设计

2.1 负荷等级

本工程为一类高层办公建筑、超甲级写字楼、大型Ⅰ类汽车库。根据供电方案，本工程为一级负荷用户。具体负荷分级如下。

一级负荷中特别重要负荷：主要业务和计算机系统、电子信息设备机房、重要弱电机房用电(含空调用电)；安防系统用电；值班照明、警卫照明；首层安检区用电、变配电室用电；办公区重要负荷；档案室用电、交易办公区用电、董事会会议室及行长办公区用电、VIP电梯；厨房冷库用电；地下一层B级数据机房及其精密空调设备用电；为数据机房和厨房冷库服务的冷却水等空调设备用电。

一级负荷：消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明系统、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防水泵、消防电梯及其排水泵、电动的防火卷帘及门窗、阀门等消防用电；走道照明；客梯用电；排污泵、生活水泵用电；副行长/首席顾问办公区。

二级负荷：货梯、自动扶梯、换热泵房、擦窗机、中水泵房用电。

三级负荷：除一、二级负荷以外的其他负荷。

2.2 各级负荷供电方式

一级负荷中的特别重要负荷：采用双重电源供电，在最末一级配电装置处自动切换；采用柴油发电机组作为备用电源，根据设备允许中断供电时间的要求设置UPS保证供电连续性。

一级负荷：采用双重电源供电，在最末一级配电装置处自动切换。对于消防负荷和部分维持大楼基本运行的一级负荷增设柴油发电机组作为应急电源，根据设备允许中断供电时间要求设置UPS/EPS保证供电连续性。

二级负荷采用两回路电源供电，在适当位置的配电装置处自动切换；对大容量设备也可采用由变配电室低压配电柜单路放射式供电。

三级负荷按约定或单路供电。

2.3 变配电室设置

本项目共设有六座变配电室，两座总变配电室(1号和2号总变配电室)，四座分变配电室(3号、4号、5号和6号分变配电室)。

其中，除专门为制冷机房设置的6号分变配电室设置在地下二层(局部降板)外，其余变配电室均设置在地下一层。变配电室均设置电缆夹层。本项目总变压器容量为45 000kVA。

3 柴油发电机组的设计

3.1 柴油发电机组带载范围

根据负荷等级及不同负荷等级的供电方式，本项目设置闭式水循环风冷式低压柴油发电机组作为应急/备用电源。柴发机组的带载范围如下。

(1)停电且消防状态：带载本区域全部消防负荷，为消防负荷提供应急电源。负荷包括：安防控制系统、重要网络设备、消防控制室、火灾自动报警及联动控制装置、火灾应急照明系统、防烟及排烟设施、自动灭火系统、消防水泵、消防电梯及其排水泵、电动防火卷帘、电动排烟窗等消防用电。

(2)停电而非消防状态：为维持大楼基本运行的负荷提供备用电源。主要包括：首层安检区用电、办公区重要负荷、档案室用电、交易办公区用电、董事会会议室及行长办公区用电、VIP电梯、厨房冷库用电、B级数据机房及其精密空调设备、智能化机房和厨房冷库服务的冷却水等空调设备用电；重要客梯、排污泵、生活水泵用电。

3.2 柴油发电机房设置

柴油发电机房设置原则为：靠近其服务的变配电室，便于进风、排风、排烟。本项目在地下层设置三座柴油发电机房。表1所示为柴油发电机的设置情况。

柴油发电机房编号及机组设置 表1

3.3 柴油发电机房控制室

在发电机房控制室设应急/备用电源配电柜，将应急/备用电源分配至各区域变压器的应急/备用母线。

3.4 室外储油量计算

本项目柴油发电机组持续供电时间不少于24h；单台机组的燃油消耗量为298L/h, 按照最不利条件下，2台机组同时持续工作24h，需要的储油量为14.3m3；考虑室内设有1 m3日用油箱，室外设置15 m3储油罐，则储油量共16 m3> 14.3 m3，满足储油量要求。

当日用油箱液位低于液位开关时，启动柴油罐油泵，打开日用油箱进油管防爆电动阀，将油泵入日用油箱；当液位高于高液位开关时，关闭日用油箱防爆电动阀，停泵。

3.5 柴油发电机组配电系统架构图

变压器低压端通过断路器的辅助触点信号给发电机组控制器启动柴油发电机。当恢复供电后控制器发出发电机断路器分闸信号，延时发出断路器合闸信号，柴油发电机组延时停机。

通过柴发机组的并列控制器，可完成对市电断路器转换，实现机组远程启动、加载和卸载顺序控制、负载需求控制、负载优先级控制、市电切换管理、系统智能监控、BMS信息提供、机组测试控制。

柴油发电机组自带的控制屏需要预留接口与建筑设备监控系统平台进行通讯，建筑设备监控系统可监控信号：油位、油泵启停、运行状态、故障、手/自动状态、水温、油压、油温、频率、电瓶组电压等。图1所示为1#柴油发电机房的机组配电系统架构图。

图1 1#柴油发电机房机组配电系统架构图

3.6 柴油发电机组的控制逻辑

(1)启动逻辑

任意一组变压器供电回路中的两路市电中任意一路市电失电，柴发进入热备状态，柴发机组全部自动启动，此时柴发机组空载运行，5min内若供电回路中的两路市电全部失电，柴发机组合闸相应回路的机组输出开关；5min后若供电回路中的两路市电中仍只有一路失电，则柴发机组停机。

任意一组变压器供电回路中的两路市电全部失电，柴发进入非热备状态，柴发机组全部自动启动，率先达到额定电压、频率的柴发机组合闸对应的机组输出开关，后一台达到并车条件与前一台自动并车，并车完成后，合闸后一台对应的机组输出开关。

(2)柴发机组带载运行逻辑

无论柴发机组是否处于热备状态，只有当且仅当柴发机组并车完成、机组输出开关合闸后，任意一组变压器供电回路中的两路市电全部失电且ATS切换开关市电侧合闸反馈信号消失，主控柜才能控制相应供电回路中的馈线开关合闸，馈线开关合闸后，柴发机组带载运行。

柴发机组带载运行时，当负荷小于单机容量80%，延时自动解列，任意一台机组退出延时停机；当负荷大于单机容量85%，退出机组自动启动，自动并车，之后带载运行。

任意一组变压器供电回路中的两路市电全部失电，且主控柜在没有接收到消防信号的情况下，柴发机组需向重要负荷以及消防负荷中的常用设备回路供电。

任意一组变压器供电回路中的两路市电全部失电，且主控柜在接收到消防信号的情况下，主控柜切断重要负荷回路，柴发机组只向消防负荷回路供电。

(3)柴发机组停机逻辑

任意一组变压器供电回路中的两路市电中任意一路返回且主控柜检测到该供电回路中ATS市电侧合闸状态反馈信号返回，主控柜控制分闸相应供电回路中的机组馈线开关，此时：1)若其他变压器组市电都正常供电的情况下，柴发机组空载运行5min后停机；2)若其他变压器供电回路中的两路市电仍处于失电状态，柴发机组继续运行带载，直至所有供电回路市电正常供电，柴发机组空载运行5min后停机。

3.7 柴油发电机房用配电箱/柜设置

柴发发电机房内设置双电源配电箱为柴发机组辅助设备提供低压电源。双电源回路分别引自变压器普通母线段和应急母线段；电启动系统、接地柜和电动百叶由机组自带UPS供电。预留电量可根据以下数据进行估算(1 000kW机组)：1)每台发电机组电加热器：AC380V，15kW；2)每台发电机组尾气净化系统控制器：AC380V，1kW；3)机房接地柜：AC220V，1kW；4)机房日用油箱控制柜(含回油泵电源)：AC380V，5kW；5)机房室外油罐控制柜(含供油泵电源)：AC380V，8kW；6)数字并联主控制柜：AC220V，1kW。

3.8 接地

本工程各柴油发电机房的两台柴油机组并列运行，机组的中性点经接触器接地；当中性导体存在环流时，只需将其中一台发电机的中性点(接触器常开触点闭合)接地。本项目每座柴油发电机房的两台柴发机组共用一个接地柜，接地柜由柴发机组配套提供。

柴油发电机房的接地采用与大楼共用统一的接地装置，要求接地电阻≤0.5Ω，实测不满足要求时，增设人工接地极。控制室设有等电位端子箱，采用热镀锌扁钢与基础接地装置联结。

4 规范条款对柴发机房设计提出的新要求

在柴油发电机组的设计中，还需注意GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)中对柴油发电机组提出的新的设计要求及相关条款的变化。

4.1 柴油发电机房设置位置

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)中5.4.13条第2款要求：民用建筑内的柴油发电机房不应布置在人员密集场所的上一层、下一层或贴临。此条为强条，因此在方案阶段，选择柴油发电机房位置时务必需要注意避开人员密集场所。

4.2 水专业灭火形式的调整引起的电气相应调整

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)中5.4.13条第6款要求：应设置与柴油发电机容量和建筑规模相适应的灭火设施，当建筑内其他部位设置自动喷水灭火系统时，机房内应设置自动喷水灭火系统。

根据此条款，目前给排水专业在柴油发电机房内采用普通的水喷淋系统，而不是之前设计的水喷雾系统。因此，为了防止误喷水对柴油发电机房内设备造成不利影响，建议电气人员在设计中可采用如下措施。

(1)无论柴油发电机组容量大小，均建议设置柴油机房控制室；柴油发电机组相关设备均放置在控制室内。

(2)对于没有条件设置在控制室内的设备(母线、接地电阻柜等)需相应提高其防护等级。

(3)火灾自动报警系统设计的调整：由于灭火形式的改变，在火灾自动报警系统设计时，柴油发电机房探测器的形式也相应改变。由之前配合水喷雾系统，设置的感温和感烟的探测器组合形式，调整为只设置感温探测器即可。

5 结束语

柴油发电机组是保证建筑供电安全的重要设备，柴油发电机组设计还涉及到柴油发电机组容量选择、设备运输、消声降噪、机房设备布置等各方面问题，由于论文篇幅有限，不再一一阐述。