民用建筑中备用柴油发电机容量校验探讨

    摘要：考虑到电动机启动容量、配线、已接负荷和发电机特性等诸多影响因素，探讨严格意义上的民用建筑中柴油发电机容量校验，提出及推导若干实用校验公式，并介绍其具体应用。
　　关键词：柴油发电机消防负荷已接负荷允许电压降启动容量校验稳定计算负荷
　　
　　0引言
　　大家知道，民用建筑中备用柴油发电机容量首先应满足稳定计算负荷需要，并经母线上允许电压降校验通过。而传统技术视角大多仅关注额定容量最大的电动机对于柴油发电机容量校验之影响。实际上，除了电动机额定容量外，电动机启动方式、配线距离及截面、发电机自身特性、母线上已接负荷等，都跟发电机容量的确定产生关联。
　　本文将综合考量上述诸多影响要素，提出并推导若干实用校验公式，力求科学、直观、快捷地确定发电机容量。
　　
　　1发电机稳定计算负荷
　　发电机容量应满足稳定计算负荷需要。通常认为发电机容量包括消防负荷和保障负荷两部分，并以二者计算负荷的较大值作为发电机容量的初选值。为简化起见，此后表述仅以消防负荷为例。
　　大中型民用建筑，往往由地下室、裙房及数个塔楼组成，包含有多个防火分区。在计算消防负荷以确定发电机容量时，不能盲目地将全楼所有消防用电设备一股脑同时计入。一般仅需考虑一个着火点（即某一个防火分区内）发生火灾。此时，消防泵作为固定用电负荷必须计入，而消防电梯、防排烟风机和应急照明等是否计入及计入多少，则要视该防火分区内发生火灾时，相应消防用电设备是否投运及投运多少而确定（但宜计入一个可靠系数）。
　　显然，确定发电机容量初选值时，应以全楼投运消防负荷最大的一个防火分区发生火灾所同时投运的消防负荷为准。此时有：
　　Prg=K·Kc·Pe
　　=1.2×1.0×Pe
　　=1.2Pe（1）
　　式中：Prg——发电机额定功率，kW，此时尚为初选值；
　　Pe——该工程投运消防负荷最大的一个防火分区发生火灾时，所同时投运的消防用电设备的设备总功率，kW；
　　Kc——消防设备需要系数，取为1.0；
　　K——可靠系数，取为1.2。
　　
　　2允许电压降校验
　　发电机容量初选后，应进行允许电压降校验。如容量选择不当，或造成投资浪费；亦或造成未来运行中的电动机启动失败及发电机熄火。所谓允许电压降校验，就是要求任何电动机启动时，其端子允许电压降都应在规定范围之内。本文取最大允许电压降为20%。
　　2.1发电机容量校验时容易忽视的几个影响因素
　　2.1.1发电机母线上已接负荷的影响
　　发电机母线上的启动负荷容量应等于已接负荷无功功率与电动机启动回路额定输入容量之和。若忽视已接负荷影响，将导致容量选择出现偏差。
　　2.1.2电动机至发电机之间的配电线路电压降的影响
　　发电机端电压等于电动机端电压与相应配电线路电压降之和。因此，电动机至发电机配电线路之长短、类型、线径，显然都与发电机端电压相关联。
　　2.1.3电动机启动顺序的影响
　　理论上，电动机启动顺序对于发电机容量大小肯定形成影响，而一些观点就此认为，为了节省造价、减小发电机容量，各电动机应按其容量大小而顺序启动。但这只能是一厢情愿式的“理想化”假设。因为工程实践中，消防负荷电动机若要求顺序启动，将与一些消防自动控制要求相矛盾。因此，现实中一般不考虑电动机启动顺序对于发电机容量选择的影响。
　　2.1.4发电机自身特性的影响
　　发电机不同的励磁方式、技术性能等，对其自身容量校验和选择都有直接影响。而随着发电机组自动励磁电流倍数不同，针对电动机不同的输入启动容量，发电机母线上将呈现不同的电压稳态值。本文认定发电机为目前使用已十分广泛的带有自动励磁装置的机组，发电机母线最低允许稳态电压为0.75倍额定值。
　　2.2“完全版”发电机容量校验公式推导
　　考虑前述诸多影响要素后，现提出并推导一种用于发电机容量校验的“完全版”公式。
　　假定在发电机G的母线上已接有用电负荷，现有一台接入母线的电动机M欲启动。试校验由公式（1）初选的发电机的容量是否可行。发电机容量校验计算电路示意图如下：
　　图1发电机容量校验计算电路示意图
　　2.2.1发电机母线上启动负荷容量Sqg
　　发电机母线上启动负荷容量Sqg等于发电机母线上已接负荷无功功率Qfh与反映在发电机母线上的电动机启动回路额定输入容量Sq之和，即：
　　Sqg=Qfh+Sq（2）
　　式中：Sqg——发电机母线上启动负荷容量，kVA，此时为待求量；
　　Qfh——电动机启动时，发电机母线上已接负荷的无功功率，kVar，为中间量；
　　Sq——反映在发电机母线上的电动机启动时启动回路额定输入容量，kVA，为中
　　间量。
　　公式（2）应满足一切启动状况，所以亦须满足极端情况（即除待启电动机外，认为其它全部负荷已作为“已接负荷”投运），则有：
　　Pfh+Prm=Pe
　　Pfh=Pe－Prm
　　取负荷功率因数为0.8，从而：
　　Qfh=0.75Pfh
　　=0.75(Pe－Prm)
　　Sq=1/[1/(Kp·Sqm)+XL/Urg2]
　　Sqm=C·Srm=C·Prm/0.8
　　XL=(0.07+6.3/S)×L/1000
　　式中：Pfh——电动机启动时，发电机母线上已接负荷的有功功率，kW；
　　Prm——待启电动机额定功率，kW，为已知量；
　　Sqm——电动机端子处额定启动容量，kVA，为中间量；
　　Kp——待启电动机的启动系数（不是指“启动倍数”），为已知量。其中，全压启动：Kp＝1.0；自耦降压启动（65%抽头）：Kp＝0.4225；星三角降压启动：Kp＝1/3；
　　Srm——待启电动机额定容量，kVA，取Srm=Prm/0.8，为中间量；
　　XL——待启电动机至发电机配线（铜芯）线路之阻抗，kΩ，为中间量；
　　Urg——发电机的额定电压，kV。取Urg=0.4kV，为默认量；
　　C——待启电动机全压启动之电流倍数。取C=7，为默认量。
　　L——待启电动机至发电机配线（铜芯）线路之长度，km，为已知量；
　　S——待启电动机至发电机配线（铜芯）线路之导线截面，mm2，为已知量。
　　2.2.2发电机端电压相对值uwg
　　电动机端电压相对值uwm与发电机端电压相对值uwg的关系：
　　uwg=kp·Sqm·uwm/Sq（3）
　　式中：uwg——电动机启动时，发电机母线上所呈现的稳态电压相对值。此时为待求量；
　　uwm——电动机启动时，电动机端子上所要求的稳态电压相对值。取uwm=0.8，为默认量。
　　2.2.3发电机额定功率Prg
　　目前民用建筑中，已大多使用带自动励磁装置的发电机组，其励磁电流倍数可取为1。此时，对应于不同启动负荷的相对值（Sqg/Srg），发电机母线上稳态电压相对值（uwg）满足表1：
　　表1不同启动负荷相对值时发电机母线上稳态电压相对值
　　Sqg/Srg 0.8 1.0 1.2 1.5 2.0
　　uwg 1.00 0.95 0.85 0.75 0.60
　　根据表1数据，以最小二乘法拟合单调二次曲线：以uwg为自变量，以Sqg/Srg为因变量，则当uwg取值在0.75~0.95（此为合理区间）之间时，存在拟合表达式：
　　Sqg/Srg=5uwg2－11uwg+6.9375
　　亦即：Srg=Sqg/(5uwg2－11uwg+6.9375)
　　故有：Prg=0.8Srg
　　=0.8Sqg/(5uwg2－11uwg+6.9375)（4）
　　式中：Srg——发电机额定容量，kVA，为中间量；
　　Prg——发电机额定功率，kW，为待求量。
　　此即发电机容量校验的“完全版”公式。
　　公式（4）和公式（1）比较，取其大者作为发电机的实际选择容量。
　　2.3“简化版”发电机容量校验公式推导
　　 在“简化版”公式推导中，是指忽略电动机至发电机配电线路电压降之影响，即XL=0，则有uwg=uwm=0.8；另外，由前所述：
　　Sq=Kp(C·Srm)
　　=Kp·C·Prm/0.8
　　=8.75Kp·Prm
　　而：
　　Qfh=0.75(Pe－Prm)
　　所以：
　　Sqg=Qfh+Sq
　　=0.75(Pe－Prm)+8.75Kp·Prm
　　=0.75Pe+(8.75Kp－0.75)Prm
　　于是：
　　Srg=Sqg/(5uwg2－11uwg+6.9375)
　　=Sqg/(5×0.82－11×0.8+6.9375)
　　=Sqg/1.3375
　　故有：
　　Prg=0.8Srg
　　=0.8Sqg/1.3375
　　=0.8[0.75Pe+(8.75Kp－0.75)Prm]/1.3375
　　=0.45Pe+(5.23Kp－0.45)Prm（5）
　　公式（5）有几种展开情形：
　　a.对于全压启动，Kp=1，Prg=0.45Pe+4.78Prm；
　　b.对于自耦降压启动（65%抽头），Kp=0.4225，Prg=0.45Pe+1.76Prm；
　　c.对于星三角降压启动，Kp=1/3，Prg=0.45Pe+1.29Prm。
　　 将公式（1）中的Prg=1.2Pe与上述a~c条相结合，通过相关数学运算，可得出如下重要推论。
　　2.3.1推论一
　　符合下列三项条件之一时，所确定的发电机组功率为最小，且仅取决于稳定计算负荷之大小（即Prg=1.2Pe）。此时无须再具体计算启动负荷对于发电机的冲击影响，即已自然满足允许电压降校验：
　　a.当投运消防负荷最大的防火分区消防用电设备总安装功率（Pe）不小于单台待启电动机功率（Prm）的6.37倍，即Pe≥6.37Prm时，该台电动机启动方式不受限制（即采用全压或降压启动均可）。
　　b.当6.37Prm＞Pe≥2.35Prm时，该台电动机应采用降压启动（自耦降压启动（65%抽头）或星三角降压启动）。
　　c.当2.35Prm＞Pe≥1.72Prm时，该台电动机只应采用星三角降压启动。
　　2.3.2推论二
　　当1.72Prm＞Pe＞Prm时，须进行允许电压降校验的计算，且此时发电机功率Prg＞1.2Pe。
　　2.3.3推论三
　　当Prm=Pe（即发电机组只供单台电动机），见表2：
　　表2电动机不同启动方式下，发电机功率Prg须是待启电动机功率Prm的最小倍数
　　电动机启动方式 全压启动 自耦降压启动（65%抽头） 星三角降压启动
　　Prg/Prm
　　最小倍数 5.23 2.21 1.74
　　
　　3公式运用实例
　　某二类高层商住楼，拟设一台功率尽量小的柴油发电机组，消防时作为消防负荷的备用电源，平时作为保障负荷的备用电源。其中保障负荷计算值为220kW。该工程投运消防负荷最大的防火分区为地下室。因为地下室一旦发生火灾，须投运的消防用电设备总安装功率为最大，其值为230kW。其中消防水泵共2台，每台45kW；投运消防风机共3台，分别为15kW2台、37kW1台；其它为消防电梯11kW和应急照明等消防负荷62kW。
　　容量初选及校验：因230kW>220kW，故发电机功率初选值应以消防负荷计算为准。另根据上述第2.3.1节结论，因230kW＞6.37×15kW，故功率为15kW的消防风机可采用全压启动；又因6.37×45kW＞230kW＞2.35×45kW，所以功率为45kW的消防水泵只能采用降压启动（自耦降压启动（65%抽头）或星三角降压启动）；同理，功率为37kW的消防风机也须采用降压启动。此时，所选定的发电机功率为最小，其值为稳定负荷计算结果，即1.2×230kW=276kW。
　　仍就本例而言：假设45kW的消防水泵采用自耦降压启动（65%抽头），而37kW的消防风机拟采用全压启动；二者配电线路条件一致。则按前述公式（1）~（4）计算发现，按37kW消防风机校验计算出的发电机功率，要大于按45kW消防水泵校验计算的结果。由此再次证明，发电机容量校验不应单看电动机额定容量之大小，电动机启动方式也将产生重大影响。
　　备注：在校核发电机容量时，启动电流倍数为3（常规）的电动机软启动器等同于自耦降压启动装置（65%抽头），故本文中未将电动机软启动方式单列。
　　
　　4几点结论
　　a.在进行适当的工程假设和理论抽象的基础上，可以在综合考虑诸多影响要素后，对发电机容量校验给出实用的计算公式，并可满足工程要求。
　　b.确定发电机容量时，应满足稳定计算负荷需要和进行允许电压降校验。其中，选定恰当的电动机启动方式，可使允许电压降校验得以自然满足，且所得发电机容量最为经济合理。当条件允许时，大容量的电动机尽量采用降压启动，以有效减少发电机容量、降低工程造价。
　　c.部分人传统观念中的仅以额定容量最大的电动机来校验发电机容量，是不够严谨的，尚应考虑电动机启动方式、距离发电机远近、已接负荷和发电机自身特性等因素的影响。
　　
　　参考文献：（略）