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柴油發(fā)電機(jī)組的單機(jī)額定容量計(jì)算公式 |
摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層、超高層建筑以及大型公共建筑越來越多，柴油發(fā)電機(jī)組的使用也越來越普及。柴油發(fā)電機(jī)組具有起動(dòng)迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、工程量小、維護(hù)操作簡單等特點(diǎn)，在工程建筑中作為備用電源或應(yīng)急電源的首選設(shè)備。柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)涉及建筑功能要求、 建筑消防和人員疏散要求、建筑設(shè)備用電需求等多方面的要求。本文介紹了柴油發(fā)電機(jī)組的功能使用要求，結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例分析了施工圖中柴油發(fā)電機(jī)組的容量計(jì)算。在工程設(shè)計(jì)中除按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)組容量外，還應(yīng)復(fù)核發(fā)電機(jī)組母線允許壓降和尖峰負(fù)荷對電源質(zhì)量的影響，以保障柴油發(fā)電機(jī)組的供電可靠性。
一、柴發(fā)功率定義和設(shè)置要求
1、柴發(fā)選型規(guī)定
根據(jù)JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2條，柴油發(fā)電機(jī)組的選擇應(yīng)符合以下規(guī)定：
（1）機(jī)組容量與臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)應(yīng)急負(fù)荷大小、投入順序以及單臺(tái)電動(dòng)機(jī)最大起動(dòng)容量等因素綜合確定。當(dāng)應(yīng)急負(fù)荷較大時(shí)，可采用多機(jī)并列運(yùn)行，機(jī)組臺(tái)數(shù)宜為2～4臺(tái)。
（2）在方案及初步設(shè)計(jì)階段，柴油發(fā)電機(jī)組容量可按配電變壓器總?cè)萘康?0%～20%進(jìn)行估算。在施工圖設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)一級負(fù)荷、消防負(fù)荷以及某些重要二級負(fù)荷的容量，按下列方法計(jì)算的發(fā)電機(jī)組最大容量確定：
① 按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)組容量；
② 按最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的需要，計(jì)算發(fā)電機(jī)組容量；
③ 按起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)組母線允許電壓降計(jì)算發(fā)電機(jī)組容量。
（3）當(dāng)有電梯負(fù)荷時(shí)，在全電壓起動(dòng)最大容量籠型電動(dòng)機(jī)情況下，發(fā)電機(jī)組母線電壓不應(yīng)低于額定電壓的80%；當(dāng)無電梯負(fù)荷時(shí)，其母線電壓不應(yīng)低于額定電壓的75%。當(dāng)條件允許時(shí)，電動(dòng)機(jī)可用降壓起動(dòng)方式。
柴油發(fā)電機(jī)組是一種常用的備用電源設(shè)備，其容量的準(zhǔn)確計(jì)算對于滿足電力需求至關(guān)重要。
2、功率定義
通常柴油發(fā)電機(jī)組銘牌標(biāo)稱的輸出功率分為備用功率（Standly Power）、常用功率（Prime Power）和連續(xù)功率（Consecution Power）。
（1）備用功率
備用功率定義為發(fā)電機(jī)組在規(guī)定的維修周期之間和規(guī)定的環(huán)境條件下能夠連續(xù)運(yùn)行300h，每年最多500工作小時(shí)的最大功率。備用功率定義示意圖如圖1所示，等同于國標(biāo)和ISO標(biāo)準(zhǔn)中的限時(shí)運(yùn)行功率（LTP），一般適用于通信、樓宇等負(fù)載變化較多的偶然應(yīng)急工況。
（2）常用功率
常用功率定義為在規(guī)定的維修周期之間和規(guī)定的環(huán)境條件下，每年可能運(yùn)行的時(shí)數(shù)不受限制的某一可變功率序列內(nèi)存在的最大功率。備用功率定義示意圖如圖1所示，等同于國標(biāo)和ISO標(biāo)準(zhǔn)中的基本功率（PRP），一般適用于廠礦、軍隊(duì)等負(fù)荷變化較少的經(jīng)常運(yùn)行工況。
（3）連續(xù)功率
連續(xù)功率定義為在規(guī)定的維修周期之間和規(guī)定的環(huán)境條件下，每年可能運(yùn)行的時(shí)間不受限制的某一恒定功率序列內(nèi)存在的最大功率。等同于國標(biāo)和ISO標(biāo)準(zhǔn)中的持續(xù)功率（COP），一般適用于作為電站或與市電并網(wǎng)使用等負(fù)載變化極小的連續(xù)運(yùn)行工況。
對于柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用，在確定柴油發(fā)電機(jī)組功率定額時(shí)目前普遍按照常用功率來選擇。
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圖1 柴油發(fā)電機(jī)組額定功率（LTP）的定義 |
圖2 柴油發(fā)電機(jī)組額定功率（PRP）的定義 |
二、常見計(jì)算方法
柴油發(fā)電機(jī)組的容量是指其可以提供的最大功率。容量的計(jì)算需要考慮到實(shí)際使用的負(fù)載需求以及設(shè)備的可靠性。以下是一些常用的柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算方法。
1、功率需求的計(jì)算方法
首先，確定需要供電的負(fù)載類型和功率需求。根據(jù)負(fù)載的類型（如電動(dòng)機(jī)、空調(diào)、照明等），查找其額定功率。然后，將所有負(fù)載的額定功率相加，得到總功率需求。為確保發(fā)電機(jī)組能夠滿足負(fù)載需求，通常會(huì)將總功率需求的1.2倍作為柴油發(fā)電機(jī)組的容量。
2、電流需求的計(jì)算方法
首先，確定需要供電的負(fù)載類型和額定電流。根據(jù)負(fù)載的額定電流，將所有負(fù)載的額定電流相加，得到總電流需求。然后，根據(jù)電壓（通常為220V或380V）計(jì)算總功率需求。最后，將總功率需求的1.2倍作為柴油發(fā)電機(jī)組的容量。
3、功率因數(shù)的計(jì)算方法
功率因數(shù)是指負(fù)載所需的有功功率與視在功率之比。根據(jù)負(fù)載的功率因數(shù)，可以通過以下公式計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的容量：
容量 = 額定功率 / 功率因數(shù)
其中，額定功率為負(fù)載的額定功率。
需要注意的是，柴油發(fā)電機(jī)組的容量一般以千瓦（kW）為單位。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮到負(fù)載的起動(dòng)電流、功率因數(shù)的變化以及柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性等因素。
三、容量計(jì)算公式
在施工圖階段，可根據(jù)已有的配電干線負(fù)荷、單臺(tái)最大電動(dòng)機(jī)容量等來計(jì)算所需的柴油發(fā)電機(jī)組的容量。一般應(yīng)急電源只設(shè)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組，其容量大小按應(yīng)急負(fù)荷大小和電動(dòng)機(jī)容量等因素綜合考慮確定。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(jì)算并選擇其中容量最大值，若有條件可使用專業(yè)的計(jì)算軟件系統(tǒng)。
1、按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算容量
SG1=P∑/η∑cosφ...............（公式1）
式中：P∑——發(fā)電機(jī)組總負(fù)荷計(jì)算功率；
η∑——所帶負(fù)荷的綜合效率，一般取0.82～0.88；
cosφ——發(fā)電機(jī)組額定功率因數(shù)，一般取0.8。
按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算時(shí)，需要輸入的參數(shù)為發(fā)電機(jī)總負(fù)荷計(jì)算功率，所帶負(fù)荷的綜合效率以及發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)。其中后兩項(xiàng)軟件給定了常用的默認(rèn)值，用戶可以隨時(shí)修改。點(diǎn)擊計(jì)算，就可以生成計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。
2、按尖峰負(fù)荷計(jì)算容量
SG2=KjSm/KG...............（公式2）
式中：Kj——尖峰負(fù)荷造成的電動(dòng)機(jī)功率下降的系數(shù)，一般取0.90～0.95；
KG——發(fā)電機(jī)組允許短時(shí)過載系數(shù)，一般取1.4～1.6；
S——最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量。
按尖峰負(fù)荷計(jì)算計(jì)算時(shí)，需要輸入?yún)?shù)主要有“最大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量Sm”，或者也可以輸入Sm的有功功率和無功功率。如果知道Sm直接輸入就可以，后兩項(xiàng)不用再輸入。如果不知道Sm數(shù)值，可以通過給定后兩項(xiàng)參數(shù)來計(jì)算Sm以及生成發(fā)電機(jī)的視在功率。如圖4所示。
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圖3 柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算軟件工具（按尖峰負(fù)荷） |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算軟件工具（按穩(wěn)定負(fù)荷） |
3、按發(fā)電機(jī)組母線允許壓降計(jì)算容量
SG3=（1-△U）Xd'SsT△/△U...............（公式3）
式中：△U——發(fā)電機(jī)組母線允許壓降，其曲線如圖5所示，一般取0.2；
Xd’——發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)電抗，一般取0.2；
SsT△——導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組最大電壓降的電動(dòng)機(jī)的最大起動(dòng)容量。
按發(fā)電機(jī)母線允許壓降計(jì)算時(shí)，輸入?yún)?shù)主要是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)最大電壓降的電動(dòng)機(jī)的最大起動(dòng)容量。其它參數(shù)軟件已經(jīng)給了默認(rèn)值，用戶可以自行修改。如圖6所示。
柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率是在外界大氣壓力為101.325 kPa、溫度為20℃、相對濕度為50%的情況下，保證能連續(xù)運(yùn)行12 h的功率（包括超負(fù)荷110%運(yùn)行1 h）。如連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(jī)組的額定功率進(jìn)行修正。
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圖5 最大峰值電流與發(fā)電機(jī)壓降關(guān)系曲線圖 |
圖6 柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算軟件工具（按母線允許壓降） |
四、設(shè)計(jì)實(shí)例一
某住宅小區(qū)地上有兩棟一類高層住宅建筑，地下室為汽車車庫。根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求，由市政提供兩路10 kV電源供電，并設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。10 kV電源發(fā)生故障時(shí)，15 s內(nèi)自起動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，以保證一、二級負(fù)荷的供電要求。柴油發(fā)電機(jī)組外觀一般如圖7所示，實(shí)物安裝布置如圖8所示。
1、按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算容量示例
施工圖負(fù)荷計(jì)算書中消防負(fù)荷為430.9 kW，非常消防負(fù)荷為273.7 kW。因此，按穩(wěn)定負(fù)荷中消防負(fù)荷的功率來選擇一臺(tái)512 kW柴油發(fā)電機(jī)組，cosφ=0.8，由式（1）得發(fā)電機(jī)組容量為
SG1=576 kVA
2、按尖峰負(fù)荷計(jì)算容量示例
該項(xiàng)目最大電動(dòng)機(jī)容量為90 kW，其起動(dòng)容量Sm=KPm/cosφ，其中Ka=6.5，cosφ=0.7，計(jì)算得Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另K;=0.95，Kc=1.4，由式（2）得，發(fā)電機(jī)組容量為
SG2=0.95×835/1.4=567 kVA
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Sc?>Sc?，柴油發(fā)電機(jī)組容量Sci=576 kVA滿足尖峰負(fù)荷對柴油發(fā)電機(jī)組的要求。
3、按母線允許壓降計(jì)算容量示例
該項(xiàng)目最大電動(dòng)機(jī)容量為90 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，計(jì)算出起動(dòng)容量Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另△U=0.2，Xa=0.2，則由式（3）得，發(fā)電機(jī)組容量為
SG3=（1-0.2）×0.2×835/0.2=668 kVA
柴油發(fā)電機(jī)組容量Sc?=668 kVA時(shí)，滿足發(fā)電機(jī)組母線允許壓降的要求。該項(xiàng)目所在地區(qū)為非高海拔地區(qū)，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組未要求連續(xù)運(yùn)行12 h，故無需按90%的長期運(yùn)行功率來修正柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率。
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，SG3>SG1且SG3>SG2，故選用668 kVA柴油發(fā)電機(jī)組。
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圖7 柴油發(fā)電機(jī)組外觀示意圖 |
圖8 柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置實(shí)例 |
五、設(shè)計(jì)實(shí)例二
某商業(yè)綜合體總建筑面積約為30萬m²，建筑防火分類為I類高層建筑，采用多路10 kV進(jìn)線設(shè)計(jì)，其中當(dāng)一組電源發(fā)生故障時(shí)，另一組電源應(yīng)不應(yīng)同時(shí)受到損壞。為保證一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的供電可靠性，設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。
1、按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算容量示例
施工圖負(fù)荷計(jì)算書中，消防負(fù)荷為950 kW，非消防負(fù)荷為1750 kW。因此，按穩(wěn)定負(fù)荷中非消防負(fù)荷的功率來選擇一臺(tái)2000 kW柴油發(fā)電機(jī)組，cosφ=0.8，由式（1）得，發(fā)電機(jī)組容量為
Sa=2250 kVA
2、按尖峰負(fù)荷計(jì)算容量示例
該項(xiàng)目最大電動(dòng)機(jī)容量為110 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，計(jì)算出起動(dòng)容量Sm=6.5×110/0.7=1021 kVA。由式（2）得，發(fā)電機(jī)組容量為
Sc?=0.95×1021/1.4=692 kVA
柴油發(fā)電機(jī)組容量Sc?=692 kVA時(shí)，滿足尖峰負(fù)荷對柴油發(fā)電機(jī)組容量的要求。
3、按母線允許壓降計(jì)算容量示例
該項(xiàng)目最大電動(dòng)機(jī)容量為110 kW，K，=6.5，cosφ=0.7，計(jì)算出起動(dòng)容量Sm=6.5×110/0.7=1021kVA。由式（3）得發(fā)電機(jī)組容量為
Sc?=（1-0.2）×0.2×1021/0.2=816 kVA
柴油發(fā)電機(jī)組容量Sc?=816 kVA時(shí)，滿足發(fā)電機(jī)組母線允許壓降的要求。
該項(xiàng)目所在地區(qū)為非高海拔地區(qū)，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組未要求連續(xù)運(yùn)行12 h，故無需按90%的長期運(yùn)行功率來修正柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，Sc>Sc且Sci>Sc?，故選用2250 kVA柴油發(fā)電機(jī)組。
六、選擇的經(jīng)濟(jì)性分析
對于設(shè)計(jì)實(shí)例二，是選擇一臺(tái)2000 kW的柴油發(fā)電機(jī)組，還是選擇兩臺(tái)1000 kW的柴油發(fā)電機(jī)組，需要對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考慮。
1、機(jī)組價(jià)格
以康明斯發(fā)電機(jī)組為例，單臺(tái)2000 kW柴油發(fā)電機(jī)組價(jià)格約為260萬元；單臺(tái)1000 kW柴油發(fā)電機(jī)組價(jià)格約為100萬元。因此，選擇單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組比選擇兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組高出60萬元。
2、機(jī)房面積
單臺(tái)2000 kW柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)房面積約為40 m²;兩臺(tái)1000kW柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)房面積約為75 m²。兩臺(tái)1000 kW柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)房面積幾乎為單臺(tái)2000 kW柴發(fā)機(jī)組的機(jī)房面積的2倍。
綜上所述，兩種柴發(fā)機(jī)組設(shè)計(jì)方案均有利有弊，一種前期投入高，但減少了機(jī)房的面積；另一種前期投入相對少，但增加了機(jī)房的面積，可能對商業(yè)的出租面積以及車位數(shù)量有影響。柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)方案的選擇，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的整體運(yùn)營及業(yè)主的實(shí)際使用需求來決定。
總結(jié)：
隨著大型公共建筑的發(fā)展，作為應(yīng)急電源的柴油發(fā)電機(jī)組，更應(yīng)保證其設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。在工程設(shè)計(jì)中，除按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算出發(fā)電機(jī)組容量外，還應(yīng)復(fù)核發(fā)電機(jī)組母線允許壓降和尖峰負(fù)荷對電源質(zhì)量的影響，以保障作為應(yīng)急電源的柴發(fā)機(jī)組的供電可靠性。柴油發(fā)電機(jī)組的容量還可以根據(jù)特定行業(yè)或應(yīng)用的要求進(jìn)行計(jì)算。例如，在建筑工地上使用的柴油發(fā)電機(jī)組，其容量需要考慮到工地設(shè)備的功率需求以及起動(dòng)電流；而在醫(yī)院等特殊場所使用的柴油發(fā)電機(jī)組，其容量需要滿足重要設(shè)備的供電要求，確保正常運(yùn)行。柴油發(fā)電機(jī)組容量的計(jì)算需要綜合考慮負(fù)載的功率需求、電流需求、功率因數(shù)以及特定應(yīng)用的要求。通過合理計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的容量，可以確保設(shè)備能夠提供足夠的電力，并保證電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
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