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柴油發(fā)電機組選型原則、設(shè)置要求和容量計算 |
摘要∶柴油發(fā)電機組的功率選擇一直是困擾發(fā)電設(shè)備購買者的難題，買大了經(jīng)濟不劃算造成了資金浪費，買小了帶不起負載更是得不償失。因此，如何抉擇適合自己用電需求的供電裝置成了購置前必須研究的課題。特別是對于第一次購買發(fā)電機組的用戶，在選購發(fā)電機組上有什么標準或者說基礎(chǔ)配置是不清楚的，現(xiàn)在我們就拿柴油發(fā)電機組來說，它的選購標準包含了外觀要求、絕緣電阻和絕緣強度、相序要求、柴油發(fā)電機維持準備運行狀態(tài)要求、自動啟動供電和自動停機的可靠性檢查、自動啟動成功率等方面的標準。康明斯公司通過分析數(shù)據(jù)中心用電負荷的特點及柴油發(fā)電機組功率特性以及相關(guān)規(guī)范的研究，提出了數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組選型原則、功率確定方法以及計算公式。
一、柴發(fā)的容量確定
針對數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機組應(yīng)用特點，康明斯公司可以從設(shè)計階段開始，就做出針對性的安排，以在經(jīng)濟合理的前提下，最大程度地提高其可靠性。圖1是數(shù)據(jù)中心室內(nèi)機型應(yīng)用案例，圖2是數(shù)據(jù)中心室外靜音機型應(yīng)用案例。
1、柴發(fā)額定容量的選確定
（1）綜合考慮因素
在選購柴油發(fā)電機組時應(yīng)充分考慮柴油發(fā)電機組的綜合性能和經(jīng)濟指標，供應(yīng)商的敬業(yè)精神、地理位置和實際專業(yè)程度，供應(yīng)商是否具備售后服務(wù)手段，如搶修車、專用機具等。然后再考慮所選發(fā)電機組功率與用電負荷功率是否匹配。
（2）向供應(yīng)商咨詢
一般以柴油發(fā)電機組額定功率ｘ0.8=用電設(shè)備功率來選定發(fā)電機組功率為好。若有大中型電動機則還需考慮 2~5倍的起動電流。若發(fā)電機組主要用于對UPS充電，則必須根據(jù)UPS的實際情況作一次專業(yè)咨詢，然后再決定發(fā)電機額定功率。
（3）按實際用電需求
按柴油發(fā)電機組長期持續(xù)運行輸出功率能滿足全工程大計算負荷選擇，并應(yīng)根據(jù)負荷的重要性確定發(fā)電機組備用發(fā)電機組容量。柴油機持續(xù)進行的輸出功率，一般為標定功率的0.9倍。
（4）功率不夠數(shù)量來湊
常用柴油發(fā)電機組臺數(shù)的設(shè)置通常為2臺以上，以保證供電的連續(xù)性及適應(yīng)用電負荷曲線的變化。發(fā)電機組臺數(shù)多，才可以根據(jù)用電負荷的變化確定投入發(fā)電機組的進行臺數(shù)，使柴油機經(jīng)常是在經(jīng)濟負荷下運行，以減少燃油消耗率，降低發(fā)電成本。柴油機的佳經(jīng)濟運行狀態(tài)是在標定功率的75%-90%之間。為保證供電的連續(xù)性，常用發(fā)電機組本身應(yīng)考慮設(shè)置備用發(fā)電機組，當進行發(fā)電機組故障檢修或停機檢查時，使發(fā)電機組仍然能夠滿足對重要用電負荷不間斷地持續(xù)供電。
2、功率計算方式
最基本的方法就是計算全部應(yīng)急負荷的容量，公式如下：
SYJ=√(PSZ/ηSZ+∑PM/ηM×K)2+(PSZ/ηSZ×tgφSZ+∑PM/ηM×tgφM×K)2
式中：SYJ——按所供全部應(yīng)急負荷計算的發(fā)電機容量，kVA；
PSZ——事故照明負荷，kW；
ηSZ——事故照明負荷的效率；
tgφSZ——事故照明負荷功率因數(shù)角的正切值；
PM——電動機的額定容量，kW；
ηM——.電動機的額定效率，通常可以取0.8~0.9，或由產(chǎn)品樣本中查得；
tgφM——電動機功率因數(shù)角的正切值；
K——需要系數(shù)，在數(shù)據(jù)中心機房應(yīng)急情況下取1。
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圖1 數(shù)據(jù)中心室內(nèi)機型應(yīng)用案例 |
圖2 數(shù)據(jù)中心室外靜音機型應(yīng)用案例 |
二、諧波和容性負載對柴發(fā)的影響
柴油發(fā)電機組所帶負載中，如果非線性負載小于其額定功率的25%時，可以不必特別考慮其影響。而內(nèi)以數(shù)據(jù)中心內(nèi)以UPS為主的非線性負載，已經(jīng)占到了發(fā)電機組額定功率的40%甚至更高，因此在設(shè)計柴油發(fā)電機組時，必須充分考慮UPS的因素。UPS對柴油發(fā)電機組的影響主要體現(xiàn)在兩方面∶
1、諧波
盡管現(xiàn)在的UPS在引入了輸入濾波器后，已經(jīng)很大程度上控制了諧波電流，但是在發(fā)電機組供電時，因其容量遠小于市電，相對而言存在比較大的內(nèi)阻，當UPS整流器的諧波電流注入到同步發(fā)電機定于繞組中時，會使交流輸出電壓產(chǎn)生畸變。這種畸變嚴重時就可能影響發(fā)電機組本身，如調(diào)壓系統(tǒng)和/或控制系統(tǒng)的正常工作、定子線圈的過熱等，也可能影響其后續(xù)設(shè)備如UPS的正常工作。解決方案除了選用輸入諧波電流小的UPS（如12脈沖整流或高頻整流）外，在發(fā)電機組的選擇上，可采取的相應(yīng)措施包括∶
① 勵磁系統(tǒng)選用
發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用永磁勵磁，以保證調(diào)壓器供電的穩(wěn)定。采用永磁勵磁，保證了調(diào)壓器的電源與發(fā)電機負載無關(guān)，可以有效地避免因諧波電流對主磁場的擾動而對調(diào)壓器的電源供應(yīng)產(chǎn)生的不利影響。
② 調(diào)壓器選用
調(diào)壓器必須采用三相均方根（RMS）檢測輸出電壓，必要時檢測回路加隔離變壓器或低通濾波器。由于諧波電流的存在，很顯然單相檢測可能導(dǎo)致調(diào)壓器誤調(diào)節(jié)。均方根（RMS）值也叫有效值，采用RMS檢測，能有效地反應(yīng)出總電流的發(fā)熱能力，比其他檢測方式如平均值等檢測，能更準確地體現(xiàn)實際電流的效果。
③ 增大發(fā)電機容量
這是一種目前廣泛采用的行之有效的解決發(fā)電機組與UPS兼容問題的方法。增大容量的實質(zhì)，是通過降低發(fā)電機的內(nèi)阻，從而弱化諧波電流的不利影響。注意由于負載的有功功率并不增大，因此柴柴發(fā)功率并不需要放大，而僅選用較大容量的發(fā)電機，即俗稱的“小馬拉大車”方式。
2、容性輸入特性
隨著輸入濾波器的應(yīng)用，UPS輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流失真度（THDI）降低，這是一個很好的改進。但是，這種UPS在空載或輕載的時候，輸入特性呈容性，且功率因數(shù)非常低，甚至接近于理想的容性負載，此時發(fā)電機組的運行可能會產(chǎn)生問題。
盡管這種因UPS空載或低載時的容性特性而產(chǎn)生的問題并不必然發(fā)生，在設(shè)計時仍應(yīng)盡可能的避免這種情況的發(fā)生。首先是在UPS的容量及使用方式選擇上，應(yīng)盡量避免使其工作在空載或低載狀態(tài)；其次，在發(fā)電機組投入使用時，應(yīng)考慮優(yōu)先投入感性負載，如空調(diào)等，由于UPS可由蓄電池維持一段時間，這一點并不難做到。
三、柴發(fā)選型要求和原則
1、基本功能性要求
（1）接自控或遙控的啟動指令后，柴油發(fā)電應(yīng)能自動啟動
（2）發(fā)電機組自動啟動后第3次失敗時，應(yīng)發(fā)出啟動失敗信號，設(shè)有備用發(fā)電機組時，程序啟動系統(tǒng)應(yīng)能自動地將啟動指令傳遞給另一臺備用發(fā)電機組。
（3）從自動啟動指令發(fā)出至向負載供電的時間應(yīng)不超過3min。
（4）柴油發(fā)電機自動啟動成功后，首次加載量應(yīng)不低于50%標定負載。
（5）接自控或遙控的停機指令后，發(fā)電機組應(yīng)自動停機，對于市電電網(wǎng)并用的備用發(fā)電機組，當電網(wǎng)恢復(fù)正常后，柴油發(fā)電機應(yīng)能自動切換或自動停機，其停機方式停機延遲時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定。
2、選型原則
（1）安裝現(xiàn)場的環(huán)境溫度、濕度和海拔高度，當使用環(huán)境的溫濕度和海拔高度超過發(fā)電機的額定值時，發(fā)電機需要降容使用；
（2）柴油發(fā)電機供電負荷總?cè)萘俊Ｐ枰胁裼桶l(fā)電機供電負荷的容量，包括裝機容量，負荷系數(shù)，功率因數(shù)。電動機負荷還要給出臺數(shù)、效率、起動電流倍數(shù)等參數(shù)；
（3）起動順序：
① 按照負荷的重要性分出起動的先后順序；
② 按照負荷大小及起動電流大小，同樣重要的電動機容量大、起動電流大的優(yōu)先。
3、可選件的配置
柴油發(fā)電機的配套件除供應(yīng)商所提供的外，還有一些是選購件，如燃油箱、市電充電器、燃油輸油管等。懂得如何去選購這些附加件是十分必要的。
（1）發(fā)電機組燃油箱的儲油量應(yīng)能提供發(fā)電機組滿負荷連續(xù)運行8小時以上，盡量避免在發(fā)電機組運行時往油箱里加油。
（2）市電充電器應(yīng)選用帶浮充的專用充電器，以保證電瓶隨時可帶動發(fā)電機組運行。
（3）冷卻液盡量選用防銹、防凍、防沸液。
（4）必須使用CD級以上的柴油機專用機油。
（5）市電切換開關(guān)分手動和自動（簡稱ATS）兩種。若你的柴油發(fā)電機作為備有電源使用，則必須在電源的輸入點裝置市電切換開關(guān)。嚴禁依靠臨時接線的辦法及記憶操作的辦法向負荷輸入自備電源。因為一旦發(fā)生自備電源擅自并網(wǎng)（簡稱倒送電），則會造成人員傷亡、設(shè)備毀壞的嚴重后果。切換開關(guān)的安裝正確與否，要得到當?shù)毓╇姴块T的檢查認可，方可投入使用。
四、柴發(fā)設(shè)計的注意事項
1、集裝箱式柴發(fā)的注意事項
集裝箱柴油發(fā)電機組基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。在確定了柴油發(fā)電機組容量、數(shù)量、運行方式、技術(shù)要求等因素后，在設(shè)計階段，還應(yīng)注意以下幾個問題。
（1）集裝箱式數(shù)據(jù)中心一般采用靜音箱式柴發(fā)，應(yīng)考慮采用靜音箱對柴發(fā)運行容量的影響，一般要求不得超過柴發(fā)額定容量的5%
（2）發(fā)電機組應(yīng)能實現(xiàn)全自動運行，即市電故障后自動起動，自動投入，市電恢復(fù)后自動退出。發(fā)電機組的控制器應(yīng)具備RS232/485通訊接口，并采用標準Modbus通訊協(xié)議，以便實現(xiàn)第三方集中監(jiān)控。
（3）電池的充電器應(yīng)為全自動均充/浮充充電器，并具備故障報警功能，以方便遠程監(jiān)控。在寒冷的地區(qū)，通常都應(yīng)配備自動溫控冷卻液加熱器，以使發(fā)電機組始終保持在適宜的溫度，保證隨時順利起動。
2、開架式柴發(fā)的注意事項
開架式柴油發(fā)電機組基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。在柴油發(fā)電機組使用前，應(yīng)進行安裝與聯(lián)接。柴油發(fā)電機組安裝時，應(yīng)注意以下事項：
（1）安裝地點需通風良好，發(fā)電機端應(yīng)有足夠的進風口，柴油機端應(yīng)有良好的出風口。出風口面積應(yīng)大于水箱面積1.5倍以上。
（2）安裝地的周圍應(yīng)保持清潔，避免在附近放置能產(chǎn)生酸性、堿性等腐蝕性氣體和蒸汽的物品。有條件的應(yīng)配置滅火裝置。
（3）若在室內(nèi)使用，必須將排煙管道通到室外，管徑必須≥消音器的出煙管直徑，所接之管路的彎頭不宜超過3個，以保證排煙暢通，并應(yīng)將管子向下傾斜5--10度,避免雨水注入;若排氣管是垂直向上安裝的，則必須加裝防雨罩.
（4）基礎(chǔ)采用混凝土時,在安裝時須用水平尺測其水平度,使發(fā)電機組固定于水平的基礎(chǔ)上。發(fā)電機組與基礎(chǔ)之間應(yīng)有專用防震墊或用底腳螺栓。
（5）發(fā)電機組外殼必須有可靠的保護接地，對需要有中性點直接接地的發(fā)電機，則必須由專業(yè)人員進行中性點接地，并配備防雷裝置，嚴禁利用市電的接地裝置進行中性點直接接地。
（6）發(fā)電機與市電的雙向開關(guān)必須十分可靠，以防倒送電。雙向開關(guān)的接線可靠性需經(jīng)過當?shù)毓╇姴块T的檢驗認可。
（7）起動電瓶的接線必須牢固。
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圖3 集裝箱式柴油發(fā)電機組主要構(gòu)成要素 |
圖4 柴油發(fā)電機組主件構(gòu)成圖 |
總結(jié)：
對于數(shù)據(jù)中心的用戶，柴油發(fā)電機選型的關(guān)鍵在于柴油發(fā)電機與UPS負載的容量匹配。UPS與柴油發(fā)電機容量較為接近時，兩者間匹配問題十分突出，需從UPS的運行工況、整流方式和柴油發(fā)電機組的工作方式、勵磁方式、額定功率等方面對柴油發(fā)電機組和UPS進行合理選型，實現(xiàn)兩者間有效的匹配工作，以保證平臺電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、連續(xù)運行。
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