摘要：民用柴油發(fā)電機(jī)組可根據(jù)GB標(biāo)準(zhǔn)的性能等級(jí)來(lái)選擇功率和機(jī)型，以適合工廠(chǎng)的供電用途和實(shí)際需求。在柴油發(fā)電機(jī)組確定方案后，應(yīng)如何核驗(yàn)柴油發(fā)電機(jī)組方案設(shè)計(jì)能否符合自己的實(shí)際需求。因此，康明斯公司本文提出的計(jì)算公式目的是通過(guò)計(jì)算確定該方案是否可行。根據(jù)常用的柴油發(fā)電機(jī)容量選擇和校核方法，現(xiàn)行《廠(chǎng)用電技規(guī) DL/T  5153-2002》與《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》略有不同，本文所述計(jì)算公式擬分別按兩種方法計(jì)算和校核。

一、柴發(fā)性能等級(jí)

       根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組》GB/T10304，柴油發(fā)電機(jī)組性能等級(jí)可以分為四級(jí)，分別是G1級(jí)、G2級(jí)、G3級(jí)和G4級(jí)，如圖1所示。這些等級(jí)分別對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和性能要求：

1、G1級(jí)性能要求

      適用于只需規(guī)定其電壓和頻率的基本參數(shù)的連接負(fù)載。主要作為一般用途，如照明和其他簡(jiǎn)單的電氣負(fù)載。

2、G2級(jí)性能要求

      適用于對(duì)電壓特性與公用電力系統(tǒng)有相同要求的負(fù)載。當(dāng)其負(fù)載變化時(shí)，可有暫時(shí)的然而是允許的電壓和頻率偏差。如照明系統(tǒng)、泵和風(fēng)機(jī)等。

3、G3級(jí)性能要求

      適用于對(duì)頻率、電壓和波形特性有嚴(yán)格要求的連接設(shè)備。如無(wú)線(xiàn)電通信和晶閘管整流器控制的負(fù)載。

4、G4級(jí)性能

      要求適用于對(duì)頻率、電壓和波形特性有特別嚴(yán)格要求的負(fù)載。如數(shù)據(jù)處理設(shè)備或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，典型案例如圖2所示。

      因此，在購(gòu)買(mǎi)柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際的實(shí)用范圍和用電主體的特性來(lái)選擇相應(yīng)性能等級(jí)的柴油發(fā)電機(jī)組，這樣才能保證柴油發(fā)電機(jī)組的正常使用及供電安全。

二、柴油發(fā)電機(jī)組選型考慮因素

      柴油發(fā)電機(jī)組容量的估算是十分重要也是比較復(fù)雜的問(wèn)題，容量過(guò)小，無(wú)法帶全部負(fù)載或者在啟動(dòng)大功率負(fù)載時(shí)導(dǎo)致突然停機(jī)；容量過(guò)大，投資及維護(hù)成本高，造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。而且根據(jù)柴油機(jī)的特性，如果在小負(fù)載下長(zhǎng)期工作，將造成活塞環(huán)、噴油嘴積炭嚴(yán)重，氣缸磨損加劇等損壞發(fā)電機(jī)組的不良后果。所以在容量估算時(shí)需要考慮多方面的因素，包括：使用環(huán)境、負(fù)載的類(lèi)型和預(yù)留裕量等內(nèi)容。

1、使用環(huán)境

      不同的工作環(huán)境會(huì)影響發(fā)電機(jī)組的輸出功率。工作環(huán)境主要包括環(huán)境溫度、海拔和相對(duì)濕度。當(dāng)環(huán)境溫度、海拔過(guò)高時(shí)，空氣密度降低，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)燃燒所需氧氣供應(yīng)量減少，發(fā)電機(jī)組的輸出功率應(yīng)做相應(yīng)的下調(diào)。換而言之，選用的發(fā)電機(jī)組功率要比負(fù)載的功率絕對(duì)值高。柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)環(huán)境下滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)行時(shí)測(cè)得，即：進(jìn)氣溫度為27℃，海拔為152.4m，相對(duì)濕度為60％。當(dāng)超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)定功率就要有所折扣了。

      值得注意的是，電控柴油機(jī)采用了電子噴油控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)安裝在發(fā)電機(jī)上的電子控制單元對(duì)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣壓力、燃油溫度的精確測(cè)量，控制每個(gè)噴油器的噴油正時(shí)和噴油量，使得發(fā)電機(jī)組在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下有較小的功率下降。

2、負(fù)載的類(lèi)型

      不同類(lèi)型的負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)組容量要求相差是很大的，負(fù)載類(lèi)型一般分為電阻性、電感性等線(xiàn)性負(fù)載與內(nèi)含整流電路的非線(xiàn)性負(fù)載（又稱(chēng)整流性負(fù)載）。阻性負(fù)載如燈泡、電爐子、烤箱等，感性負(fù)載如空調(diào)、機(jī)床、水泵等，非線(xiàn)性負(fù)載如UPS、電子計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、PLC設(shè)備等。帶電阻性負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)組的容量只需要略大于負(fù)載功率。但是在帶電感性負(fù)載和非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，容量就需重新計(jì)算。

（1）電感性負(fù)載對(duì)容量的影響

      電感性負(fù)載（如三相籠型異步電動(dòng)機(jī)）的特性是當(dāng)啟動(dòng)時(shí)有很大的電流，而且功率因數(shù)大大低于正常運(yùn)轉(zhuǎn)值。如果直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流值為正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的5～7倍，這就要求發(fā)電機(jī)組容量足夠大滿(mǎn)足其啟動(dòng)要求。但是隨之而來(lái)的問(wèn)題是發(fā)電機(jī)組的功率選大了，而正常運(yùn)行時(shí)功率又遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)組額定值，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

      為了減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的影響，往往采用降壓?jiǎn)?dòng)的方法，就是在啟動(dòng)時(shí)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時(shí)，再把電壓恢復(fù)到正常值。一般有以下幾種降壓方法：

① 星形-三角形（Y-Δ）換接啟動(dòng)；

② 自耦降壓?jiǎn)?dòng)；

③ 電抗降壓?jiǎn)?dòng)；

④ 軟啟動(dòng)；

⑤ 變頻啟動(dòng)。

      其中Y-Δ法的啟動(dòng)電流為直接啟動(dòng)電流的1/3；自藕降壓?jiǎn)?dòng)法的設(shè)備具有抽頭根據(jù)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求得到不同電壓；電抗降壓?jiǎn)?dòng)電流按其端電壓的比例降低；延邊三角形啟動(dòng)電流一般為直接啟動(dòng)時(shí)的1/2。具體的操作方法可在電工手冊(cè)上查得。

（2）非線(xiàn)性負(fù)載對(duì)容量的影響

      非線(xiàn)性負(fù)載（如電子計(jì)算機(jī)等）設(shè)備都有啟動(dòng)沖擊電流、諧波反饋、電流突變等干擾，而且往往對(duì)發(fā)電機(jī)組電壓降值有很高的要求。由于柴油發(fā)電機(jī)組所送出的電源本身不但電壓畸變度大，而且隨著發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率容量的減小，其內(nèi)阻增大的矛盾會(huì)顯得更加突出。當(dāng)帶電阻性負(fù)載時(shí)，這種影響比較小。然而，在帶計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備這種整流濾波型負(fù)載或UPS時(shí)，會(huì)影響負(fù)載的正常運(yùn)行乃至使用壽命。雖然康明斯電力技術(shù)有限公司的發(fā)電機(jī)組有著優(yōu)良的電氣性能，但出于安全考慮仍應(yīng)把容量選得大一些。

      在電壓降的要求上，大容量發(fā)電機(jī)組帶較小的負(fù)載產(chǎn)生電壓降較小，PMG比SHUNT小得多，當(dāng)SHUNT無(wú)刷自勵(lì)式發(fā)電機(jī)組帶無(wú)輸入濾波器的UPS時(shí)，往往要求容量為UPS容量的2～2.5倍。選擇帶高效輸入濾波器的UPS或帶PMG永磁式發(fā)電機(jī)組則容量匹配可以非常接近。

      總之，計(jì)算發(fā)電機(jī)組容量時(shí)應(yīng)明確各個(gè)負(fù)載的性能，以做出正確的選擇，幾種負(fù)載的參考特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1    不同負(fù)載時(shí)的啟動(dòng)電流和運(yùn)行電流

3、其他考慮因素

      根據(jù)現(xiàn)有負(fù)載進(jìn)行計(jì)算發(fā)電機(jī)組容量后，還要加入其他考慮因素，如：是否有些負(fù)載可能發(fā)生過(guò)載的現(xiàn)象，今后是否有擴(kuò)充負(fù)載的需要，建議根據(jù)自己的實(shí)際需要適量加大發(fā)電機(jī)組的容量。

      另外，在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下，建議采用2臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)組，其中一些發(fā)電機(jī)組用于敏感的負(fù)載（如電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其他電子設(shè)備），另一些發(fā)電機(jī)組則用于不敏感的負(fù)載（如電阻性負(fù)載和電動(dòng)機(jī)）。防止由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)造成發(fā)電機(jī)組電壓波形畸變對(duì)敏感性負(fù)載的影響。

4、特殊用途發(fā)電機(jī)組的選擇

      特殊用途發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，擴(kuò)大了柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用范圍，拓展了用戶(hù)的選擇空間。

（1）適合于特殊噪聲要求場(chǎng)合的靜音箱式發(fā)電機(jī)組；

（2）城市范圍內(nèi)的短距離應(yīng)急供電或工程事故搶修供電的防音型拖車(chē)發(fā)電機(jī)組，外形如圖4所示；

（3）自備動(dòng)力，適合于城市范圍遠(yuǎn)距離移動(dòng)應(yīng)急供電的車(chē)載電站；

（4）適合放置大型發(fā)電機(jī)組，同時(shí)具有防音效果的集裝箱發(fā)電機(jī)組。

三、設(shè)備容量校核方法

1、 “技規(guī)”方法

（1）按發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷起動(dòng)一臺(tái)最大容量的電動(dòng)機(jī)時(shí)過(guò)負(fù)荷能力校驗(yàn)：

Se ≥ sjs +  1（.25Kq − K） PDM/1.5....................（公式1）

式中，Se－發(fā)電機(jī)額定容量；

Sjs－計(jì)算負(fù)荷；

PDM －最大電動(dòng)機(jī)的額定功率；

Kq－最大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)，取 6；

K－換算系數(shù)，取 0.8。

（1）計(jì)算長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行所需要的容量

P_c=∑P_DK₁+∑P_JK₂....................（公式4）   

Q_c=∑P_DK_{1 tg?D} + ∑P_JK_{2 tg?J}....................（公式5）   

式中，∑P_D －連續(xù)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)額定功率之和；

∑P_J －連續(xù)運(yùn)行的靜止負(fù)荷之和；

K₁ 、K₂－系數(shù)，分別為 0.9 和 0.32；

K_{1 tg?D} －運(yùn)算系數(shù)，為 0.53；

K_{2 tg?J} －運(yùn)算系數(shù)，為 0.24。

（2）計(jì)算起動(dòng)所需要的容量：                         

      考慮嚴(yán)重情況，發(fā)電機(jī)已帶一臺(tái)機(jī)組的起動(dòng)負(fù)荷和靜止負(fù)荷，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后， 再投入另一臺(tái)機(jī)組的成組起動(dòng)負(fù)荷和靜止負(fù)荷。 由于＃2柴油發(fā)電機(jī)組成組起動(dòng)負(fù)荷較＃1 柴油發(fā)電機(jī)組為大，可只計(jì)算帶＃1 柴油發(fā)電機(jī)組負(fù) 荷再投入＃2柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的情況。

P_zq=0.9∑Pzq1+3.45∑P_zq2 +0.32（∑P_J1 +∑P_J2）....................（公式6）   

Q_zq=0.53∑P_zq1+7.9∑P_zq2 +0.24（∑P_J1 +∑P_J2）....................（公式7）   

式中，∑PJ1   、∑PJ2 －為兩臺(tái)機(jī)組靜止負(fù)荷之和；

（3）計(jì)算單臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)所需的容量：

      以嚴(yán)重情況，即＃1 柴油發(fā)電機(jī)組中盤(pán)車(chē)投入情況計(jì)算：

P_zq1=P_c+0.9（∑P_zD−P_md1） +3.45 P_md1....................（公式8）   

式中，Pmd1— ＃1柴油發(fā)電機(jī)組的單臺(tái)自起動(dòng)電動(dòng)機(jī)中最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī);

∑PzD—與Pmd1在運(yùn)行時(shí)間上重疊的其它短時(shí)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)容量之和。

      在進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓こ碳僭O(shè)和理論抽象的基礎(chǔ)上，可以在綜合考慮諸多影響要素后，對(duì)發(fā)電機(jī)容量校驗(yàn)給出實(shí)用的計(jì)算公式，并可滿(mǎn)足工程要求。確定發(fā)電機(jī)容量時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷需要和進(jìn)行允許電壓降校驗(yàn)。其中，選定恰當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)方式，可使允許電壓降校驗(yàn)得以自然滿(mǎn)足，且所得發(fā)電機(jī)容量最為經(jīng)濟(jì)合理。當(dāng)條件允許時(shí)，大容量的電動(dòng)機(jī)盡量采用降壓?jiǎn)?dòng)，以有效減少發(fā)電機(jī)容量、降低工程造價(jià)。

      部分人傳統(tǒng)觀(guān)念中的僅以額定容量最大的電動(dòng)機(jī)來(lái)校驗(yàn)發(fā)電機(jī)容量，是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模袘?yīng)考慮電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式、距離發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)近、已接負(fù)荷和發(fā)電機(jī)自身特性等因素的影響。

總結(jié)：

     大家知道，民用建筑中備用柴油發(fā)電機(jī)容量首先應(yīng)滿(mǎn)足穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷需要，并經(jīng)母線(xiàn)上允許電壓降校驗(yàn)通過(guò)。而傳統(tǒng)技術(shù)視角大多僅關(guān)注額定容量最大的電動(dòng)機(jī)對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)容量校驗(yàn)之影響。實(shí)際上，除了電動(dòng)機(jī)額定容量外，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式、配線(xiàn)距離及截面、發(fā)電機(jī)自身特性、母線(xiàn)上已接負(fù)荷等，都跟發(fā)電機(jī)容量的確定產(chǎn)生關(guān)聯(lián)?？紤]到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量、配線(xiàn)、已接負(fù)荷和發(fā)電機(jī)特性等諸多影響因素，上文探討嚴(yán)格意義上的民用建筑中柴油發(fā)電機(jī)容量校驗(yàn)，提出及推導(dǎo)若干實(shí)用校驗(yàn)公式，并介紹其具體應(yīng)用。