工程設(shè)計(jì)中選用柴油發(fā)電機(jī)的條件分析

陶云飛(深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100044)

工程設(shè)計(jì)中選用柴油發(fā)電機(jī)的條件分析

陶云飛
(深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100044)

主要描述了應(yīng)急電源與備用電源的區(qū)別，分析了選擇柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源或備用電源的條件，提出了選用柴油發(fā)電機(jī)的一些看法，為同行提供一些參考。

備用電源 應(yīng)急電源 特別重要負(fù)荷 應(yīng)急供電系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組

0 概述

柴油發(fā)電機(jī)作為獨(dú)立于電網(wǎng)的自備電源，當(dāng)市政電源條件不滿足用戶使用要求時(shí)，在工程設(shè)計(jì)中常常被選作備用電源或應(yīng)急電源；當(dāng)市政電源條件良好，完全滿足用戶的用電設(shè)備要求時(shí)，設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)組則會(huì)造成投資浪費(fèi)。是否需設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組，應(yīng)結(jié)合規(guī)范和業(yè)主要求及投資許可多種條件，從安全和經(jīng)濟(jì)兩方面來確定。柴油發(fā)電機(jī)組是作為備用電源還是作為應(yīng)急電源也是有區(qū)別的，本文就上述內(nèi)容談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

1 應(yīng)急電源與備用電源的區(qū)別

早期規(guī)范對(duì)應(yīng)急電源與備用電源區(qū)分不明確，甚至出現(xiàn)“應(yīng)急備用電源”的說法，本文根據(jù)GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的描述來辨別二者的區(qū)別。

根據(jù)雙重電源的組成可知，備用電源是相對(duì)于工作電源而言的，備用電源和工作電源組成雙重電源，備用電源是獨(dú)立于工作電源的，當(dāng)工作電源故障停止工作時(shí)，由備用電源繼續(xù)供電。當(dāng)工程不滿足雙重電源要求或只有一路市電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組可以作為備用電源。

一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的供電除由雙重電源供電外，尚需增加應(yīng)急電源。如果把備用電源理解為第二路獨(dú)立電源，那么應(yīng)急電源可以認(rèn)為是第三路獨(dú)立電源。

有些工程的雙重電源中，平時(shí)只有工作電源帶負(fù)載，當(dāng)工作電源故障時(shí)，備用電源才投入使用；有些工程中雙重電源同時(shí)工作，互為備用。應(yīng)急電源平時(shí)不使用，只有雙重電源均停止工作時(shí)應(yīng)急電源才投入使用。

而應(yīng)急供電系統(tǒng)又叫安全設(shè)施供電系統(tǒng)，包括應(yīng)急電源、電氣回路和電氣設(shè)備，只有一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷才能接入應(yīng)急供電系統(tǒng)，備用電源的負(fù)荷(一、二級(jí)負(fù)荷)則嚴(yán)禁接入。

2 民用建筑中特別重要負(fù)荷分類及供電特點(diǎn)

民用建筑中特別重要負(fù)荷主要是計(jì)算機(jī)類負(fù)荷，考慮到其停電時(shí)間為毫秒級(jí)，因此采用UPS作為應(yīng)急電源。一般來說，作為應(yīng)急電源的UPS持續(xù)供電時(shí)間只要求能滿足保存數(shù)據(jù)并完成停機(jī)即可，當(dāng)有長期工作要求時(shí)，可配合柴油發(fā)電機(jī)共同構(gòu)建應(yīng)急供電系統(tǒng)。

對(duì)于非計(jì)算機(jī)類的特別重要負(fù)荷，當(dāng)雙重市電停止工作后，可采用柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源。

3 按規(guī)范選用柴油發(fā)電機(jī)的情況說明

當(dāng)市政電源不滿足用戶的供電要求時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)是最常用的自備電源，既可以作為備用電源也可以作為應(yīng)急電源。

3.1柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源

當(dāng)用戶的用電負(fù)荷等級(jí)為一級(jí)且只有一路電源，或第二路電源不滿足一級(jí)負(fù)荷要求時(shí)，需要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為自備電源。

圖1為柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源的示例，可以保證一級(jí)負(fù)荷供電的可靠性，該工程中含有少量一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，采用UPS作為應(yīng)急電源。圖1中一級(jí)負(fù)荷也可以只在備用段單回路供電給末端設(shè)備。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源

圖2 柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源

3.2柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源

當(dāng)用電設(shè)備中有大量一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，且采用UPS難以滿足持續(xù)時(shí)間要求或該方案成本較高時(shí)，可采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，并組成圖2所示的應(yīng)急供電系統(tǒng)。

圖2中一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷及三級(jí)負(fù)荷均在左側(cè)雙重電源的供電系統(tǒng)中，由于消防用電設(shè)備最高負(fù)荷等級(jí)為一級(jí)，所以消防負(fù)荷也在雙重電源的供電系統(tǒng)中；而應(yīng)急供電系統(tǒng)中全部是一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，絕不能為提高供電可靠性，將一級(jí)負(fù)荷或消防負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。

圖2多用于工業(yè)建筑中存在多種特別重要負(fù)荷的情況，應(yīng)急供電系統(tǒng)也由多種應(yīng)急電源組成。

當(dāng)工程中的特別重要負(fù)荷只有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通過加裝適當(dāng)?shù)暮髠潆姵匾材軡M足持續(xù)時(shí)間要求，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，可以不設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組，直接將UPS供電系統(tǒng)接入到I段或II段母線某個(gè)回路即可。

3.3柴油發(fā)電機(jī)的選用條件

按規(guī)范要求，一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷需設(shè)應(yīng)急電源。在雙重電源的基礎(chǔ)上再設(shè)第三路電源以提高可靠性。主要是因?yàn)樘貏e重要負(fù)荷尤其重要，一旦停電后果嚴(yán)重，故而對(duì)雙重電源要考慮當(dāng)一路電源檢修或故障時(shí)，另一電源也發(fā)生故障的情況，但這些極低概率的事件在一級(jí)負(fù)荷設(shè)備中不需考慮，因此在不同的市政電源條件下，根據(jù)負(fù)荷的最高供電等級(jí)要求，可能有多種設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)的方案，如表1所示。

表1 不同市政條件下，柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置情況分類

表1中，當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)UPS有長時(shí)間持續(xù)供電要求時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)急電源需改為：UPS+柴油發(fā)電機(jī)。

4 工程中柴油發(fā)電機(jī)常見主接線示例

上節(jié)列舉了需要設(shè)自備柴油發(fā)電機(jī)的多種情況，均是按照規(guī)范的最低供電要求考慮，主接線可以參考圖1及圖2所示的方式調(diào)整。有些情況下，市政電源是滿足供電要求的，為了提供可靠性，可增加自備柴油發(fā)電機(jī)作為自備電源。

比如JGJ 62-2014《旅館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求“四級(jí)旅館建筑宜設(shè)自備電源，五級(jí)旅館建筑應(yīng)設(shè)自備電源，其容量應(yīng)能滿足實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷的需求”，也就是說五級(jí)旅館即使采用雙重電源供電，仍然要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組。由于此處的柴油發(fā)電機(jī)是在雙重市電電源斷電后，出于非安全原因用于維持向用電設(shè)備供電的電源，故應(yīng)該屬于備用電源。

這時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組所帶負(fù)荷種類一般由酒店管理公司提出要求，主要包括在市電停電期間能維持酒店最低運(yùn)營要求的一些保障用電設(shè)施，也包括火災(zāi)時(shí)需要工作的消防負(fù)荷。當(dāng)發(fā)生市電停電而無火災(zāi)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)主要是向酒店保障負(fù)荷供電，此時(shí)消防負(fù)荷并不運(yùn)行，也不應(yīng)試運(yùn)行。而一旦發(fā)生火災(zāi)，柴油發(fā)電機(jī)則主要向消防負(fù)荷供電。一般來說，旅館建筑中的保障性負(fù)荷在火災(zāi)時(shí)可以不運(yùn)行，因此，發(fā)電機(jī)的容量宜按照兩類負(fù)荷中較大負(fù)荷來選取。

旅館建筑的前臺(tái)計(jì)算機(jī)、收銀機(jī)的供電電源可靠性對(duì)于旅館建筑的營業(yè)至關(guān)重要，設(shè)置UPS電源供電，可以保證計(jì)算機(jī)設(shè)備在停電時(shí)不停機(jī)；當(dāng)設(shè)置了柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源時(shí)，其UPS電源的持續(xù)供電時(shí)間可以大大縮短。

圖3為五級(jí)旅館配電接線圖，雙重電源滿足供電要求，又采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源的補(bǔ)充，其中包含UPS應(yīng)急供電系統(tǒng)。當(dāng)市電為雙回路電源且不能保證相互獨(dú)立時(shí)，此接線圖也完全適用。與圖2相比可知，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源時(shí)，對(duì)接入其中的負(fù)荷種類沒有要求。

在圖3中，也有些設(shè)計(jì)師習(xí)慣把柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷分為消防和非消防兩段互相獨(dú)立的母線段，如圖4所示。

圖3 五級(jí)旅館采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源的接線方式

圖4 五級(jí)旅館消防負(fù)荷與非消防負(fù)荷分段設(shè)計(jì)的接線方式

在圖4的基礎(chǔ)上，按照GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中推薦的變壓器低壓側(cè)分組接線方法，還可將圖4變換為圖5所示的接線方式。以上幾種接線方式對(duì)供電電源的可靠性沒有影響，但在維護(hù)管理方面會(huì)增加一些便利，同時(shí)帶來成本的大幅增加，如何選擇設(shè)計(jì)方案需綜合多方面的意見。

圖5 五級(jí)旅館低壓側(cè)分組設(shè)計(jì)接線方式

許多項(xiàng)目在開始階段和當(dāng)?shù)毓╇姴块T溝通時(shí)，對(duì)于能否提供兩路獨(dú)立電源或雙重電源，一般很難得到供電可靠的保證，多數(shù)供電部門建議業(yè)主自己設(shè)自備電源。因此當(dāng)工程中一、二級(jí)負(fù)荷較多時(shí)，均可以參照?qǐng)D3～5的接線方式，不管外電源是雙重電源還是雙回路電源，均可以通過設(shè)自備柴油發(fā)電機(jī)的方式保證供電的可靠性。

工程中只有少量的一二級(jí)負(fù)荷，大部分是三級(jí)負(fù)荷時(shí)，可以按照?qǐng)D1的接線方式，這種供電方式在南方電網(wǎng)管轄內(nèi)的住宅小區(qū)使用較多，采用自備電源供電可靠性高，又節(jié)省第二路電源的投資成本，值得推廣。

5 選用柴油發(fā)電機(jī)要充分考慮經(jīng)濟(jì)效益

近些年來，隨著國家電力設(shè)施的發(fā)展，供電系統(tǒng)的可靠性越來越高，但是作為備用電源的柴油發(fā)電機(jī)在工程中的應(yīng)用卻越來越多。是否需要設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)，筆者建議從安全、適用、經(jīng)濟(jì)等多方面綜合考慮。

5.1超高層消防負(fù)荷是否要按照特別重要負(fù)荷設(shè)計(jì)

目前我國的各類規(guī)范中對(duì)消防負(fù)荷的供電等級(jí)定義最高就是一級(jí)負(fù)荷，也就是說當(dāng)滿足雙重電源要求時(shí)，即可滿足消防的最高要求。雖然有些工程在雙重電源的基礎(chǔ)上設(shè)置了備用柴油發(fā)電機(jī)，但也是作為備用電源的補(bǔ)充，是防止市電全部失電后保證一級(jí)負(fù)荷和消防負(fù)荷的供電可靠性，并不是規(guī)范硬性要求。

超高層建筑中的消防負(fù)荷供電可靠性尤為重要，雖說供電可靠性盡量越高越好，但是是否有必要按照特別重要負(fù)荷去考慮呢？如果對(duì)超高層建筑中消防負(fù)荷按特別重要負(fù)荷考慮，應(yīng)設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，并構(gòu)建獨(dú)立的應(yīng)急供電系統(tǒng)。而其他的備用電源設(shè)備不能接到應(yīng)急供電系統(tǒng)中，此時(shí)需另外設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷在雙重電源停止工作后，應(yīng)急電源必須要投入運(yùn)行，換句話說，這種特別重要負(fù)荷在平時(shí)工作中的任何時(shí)刻只要中斷供電，就會(huì)有中毒、爆炸和火災(zāi)等情況發(fā)生。而超高層建筑的消防負(fù)荷在非火災(zāi)時(shí)，多數(shù)消防設(shè)備不工作，只有在火災(zāi)過程中，可以認(rèn)為消防負(fù)荷為特別重要負(fù)荷(其實(shí)按火災(zāi)中的用電設(shè)備重要性來講，所有平時(shí)重要負(fù)荷都應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)停止工作)，而且消防負(fù)荷即使非超高層建筑中也不能停電，故消防負(fù)荷采用雙路電源末端互投也是基于此原因。

當(dāng)今防火防災(zāi)措施日益完善，不但有極早期預(yù)警、電氣火災(zāi)監(jiān)控等多種措施，而且人員的管理水平也日益提高，消防產(chǎn)品均有嚴(yán)格的3C認(rèn)證，火災(zāi)的發(fā)生概率與以往相比大幅降低，但在目前的超高層建筑中，兩路獨(dú)立市電同時(shí)失電又有火災(zāi)發(fā)生的案例是否存在？

筆者認(rèn)為，由于超高層建筑完全靠自救，內(nèi)部電源應(yīng)比一般高層建筑采取更完善的供電措施，規(guī)范可以推薦采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，要將消防負(fù)荷上升到特別重要負(fù)荷的高度不一定是最合理的。

5.2是否有必要為二級(jí)負(fù)荷設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組

通常規(guī)范中對(duì)用戶負(fù)荷等級(jí)的供電要求是最低要求，在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵守，所以設(shè)計(jì)的結(jié)果往往是以提高供電可靠性為由高于規(guī)范要求，是否可以適當(dāng)降低供電等級(jí)的要求來設(shè)計(jì)呢？

以某四線城市四星級(jí)酒店工程為例，這種工程一般都是采用市政雙重電源并配備柴油發(fā)電機(jī)作為自備電源以滿足規(guī)范及業(yè)主方的使用要求。當(dāng)市政無法提供雙重電源時(shí)，也可以采用雙回路加自備電源的方式，此時(shí)自備電源應(yīng)負(fù)載全部一級(jí)負(fù)荷及特別重要負(fù)荷。

假設(shè)市政只有一路10kV電纜電源，為了節(jié)約成本，建設(shè)方不想采用雙回路供電，那么柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源是否要擔(dān)負(fù)起全部一級(jí)負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷？如果嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行，本工程二級(jí)負(fù)荷應(yīng)采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，這樣一來，對(duì)于客房、空調(diào)等設(shè)備全部采用柴發(fā)供電成本就太高了。

其實(shí)規(guī)范確定負(fù)荷等級(jí)的目的是為了確定其供電方案，在目前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，規(guī)范應(yīng)該只對(duì)涉及人身和安全生產(chǎn)的問題采用強(qiáng)制性的規(guī)定，而對(duì)于停電造成的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)價(jià)主要取決于用戶所能接受的能力。

上文提到的項(xiàng)目案例中，經(jīng)各方協(xié)商，柴油發(fā)電機(jī)按火災(zāi)時(shí)消防負(fù)荷設(shè)計(jì)，其容量與一級(jí)負(fù)荷相比將多出的容量擔(dān)負(fù)部分二級(jí)負(fù)荷，比如擔(dān)負(fù)低層部分客房的照明用電，空調(diào)系統(tǒng)則不考慮。因?yàn)橥ｋ姼怕什皇呛艽?，?dāng)?shù)貧夂蛞膊凰銦?，若出現(xiàn)熱天停電無法運(yùn)營的狀況，甲方愿意承擔(dān)停業(yè)等導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。最終設(shè)計(jì)如圖6所示，采用兩組變壓器+柴油發(fā)電機(jī)的供電方式，等將來市政電源有條件時(shí)可以將10kV高壓側(cè)改為雙重電源單母線分段的供電方式，變壓器及低壓側(cè)配電系統(tǒng)保持不變。

圖6 酒店單路電源+柴發(fā)的供電接線圖

此例同樣可以引申到高層住宅小區(qū)，每棟高層住宅都有1部消防電梯和1～2部普通客梯，按規(guī)范要求，19層的住宅樓電梯按一級(jí)負(fù)荷供電，但是考慮到這類住宅樓客梯即使停止工作也不至于發(fā)生嚴(yán)重后果，故當(dāng)采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源時(shí)，是否可以考慮只給消防電梯兼客梯供電，其余客梯不必考慮同時(shí)工作，這樣既有利于節(jié)約成本也有利于保護(hù)環(huán)境。

6 結(jié)束語

上述為筆者在設(shè)計(jì)過程中針對(duì)選用柴油發(fā)電機(jī)的一點(diǎn)看法，主要目的是想簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低成本，不妥之處還請(qǐng)同仁批評(píng)指正。

[1] JGJ 62-2014 旅館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.

[2] GB 50052-2009 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國計(jì)劃出版社,2010.

[3] 中國勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)建筑電氣工程設(shè)計(jì)分會(huì),中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)建筑電氣與智能化節(jié)能專業(yè)委員會(huì)主編.建筑電氣設(shè)計(jì)疑難點(diǎn)解析及強(qiáng)制性條文[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2015.

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[5] 殷小明.應(yīng)急電源與備用電源的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代建筑電氣,2012(4):34-38.

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ConditionalAnalysisofSelectionofDieselGeneratorsinEngineeringDesign

Tao Yunfei

The difference between emergency power and standby power is mainly described, and the choice conditions of diesel generators as emergency power supply or standby power supply are analyzed, and some opinions on selection of the diesel generator are put forward, for reference to the peer.

back up power, emergency supply, particularly important load, emergency power supply system, diesel generator sets