發電機容量選擇

1 引言

　　現代高層建筑中，選擇柴油發電機組作為備用電源，已屬司空見慣；關于其容量確定的理論文章，也屢見于報刊。但在實際工程應用中，許多設計人員仍有茫然無序、頗費周折之感。到底如何快而準地計算發電機容量，一直都是值得探討的重要課題。本文將著重以一段QBASIC電腦編程，較簡便地解決這一問題。

2 基本原理

　　2．1發電機容量首先要滿足穩定計算負荷需要，這括消防負荷和保證負荷兩部分。在民用建筑中，設置柴油發電機組，通常首先是作為消防用電設備的備用電源。市電停電，即聯鎖開啟發電機組。但市電停電概率遠大于火災概率，開啟機組并不就意味著火災發生。非消防時，開啟的發電機組僅僅負擔應急照明等小部分負荷，若對其他非消防的重要負荷（屬三類負荷時的生活泵、客梯、裙房照明等，稱為保證負荷）無法顧及，則必將造成機組空置、資源浪費。為此，進行低壓配電系統圖設計時，在滿足火災時消防負荷需要的前提下，還必須考慮停電而非火災時，發電機對保證負荷的供電。一種做法是，將保證負荷集中掛接在發電機應急母線段上，消防時，由火災信號將保證負荷的總開關分勵脫扣。總之，應分別計算消防負荷和保證負荷，以二者較大值作為確定發電機組容量的依據，從而同時滿足消防部門及建設方的相應要求。
　　消防負荷如何正確計算應引起重視。大中型民用建筑，往往由地下室、裙房及數個塔樓組成，含了多個防火分區。確定發電機容量、進行消防負荷計算時，顯然不能盲目地將所有消防用電設備同時計入。推薦的計算原則是，只考慮一個防火分區發生火災（正如水消防一樣），亦即，不認為兩個及以上的防火分區同時發生火災。通常，消防泵作為固定負荷必須計入，而消防電梯、防排煙風機、應急照明等負荷計入多少，則要視其在某防火分區火災時投入服務的負荷大小而定。顯然，確定發電機容量，應以 不利的一個防火分區發生火災時，同時投入運行的消防負荷為準。

　　2．2柴油發電機組的容量大小，除要滿足上述穩定計算負荷需要外，還必須進行電動機啟動時的電壓降校驗，即啟動任一電動機時，其端子容許電壓降應在規定范圍之內。編程中，取值20%。進行電壓降校驗及發電機組容量選擇時，以下要素不可忽視。

　　a。發電機母線上的已接負荷的影響。也就是說，發電機母線上的啟動負荷應該等于已接負荷與電動機啟動容量之和，單單考慮電動機的啟動容量是錯誤的。具體工程實踐中，這一點 容易被一些設計人員所忽略，許多文獻對于已接負荷的影響，常常也避而不談或是涉及較淺。

　　b。發電機不同的勵磁及調壓方式，對機組容量選擇也將產生重大影響。

　　c。發電機至電動機之間配電線路電壓降的影響。亦即，發電機端子電壓等于電動機端子電壓與線路壓降之和。

　　d。許多文獻認為，電動機應按容量大小而順次啟動，以此減小發電機容量。但在國家標準圖集和工程圖紙中，這種電動機順次啟動的二次電路圖又極少見到。更何況，順次啟動也往往與一些消防控制要求相矛盾。因此建議，減小發電機容量，不宜依靠電動機順次啟動這種方法。

　　e。電動機啟動容量達 大值是瞬間的，因此，可以不考慮兩臺及以上電動機的同時啟動，對發電機造成沖擊的問題。

3 數學模型

（建立以下數學模型，僅以消防負荷計算為例。為便于編程，多處進行了適當的簡化和假設，不另說明。）

3.1 發電機容量大小須滿足穩定計算負荷需要

Pjs=Kc·Pe=Pe

Prg=K·Pjs=1.2Pe

式中：Prg----待求發電機持續功率（kW）。編程中考慮為單臺機。

Pjs----消防設備穩定計算負荷（kW）。

Pe----建筑物內任一防火分區發生火災時， 大可能開啟消防設備之總安裝功率（kW）。為已知量，運行程序時直接鍵入。編程中Pe≤800kW。

Kc----消防設備總需用系數，取Kc=1。

K----可靠系數，取K=1.2。

3.2發電機容量大小須滿足電動機端子容許電壓降

3.2.1簡化計算電路從略

3.2.2發電機母線上的啟動負荷等于已接負荷與單臺電動機啟動容量之和，即

Sqg=Sfh+Sq

此時，考慮 極端的情況，即認為除待啟電動機外，其它負荷已全部投入，則有

Pfh+Prm=Pe，從而Sfh=Pfh/COSΦ’=(Pe-Prm)/COSΦ’

=(Pe-Prm)/0.8=1.25(Pe-Prm)

此外，Sq=1/[1/(kp·Sqm)+XL/(Urg2)]

Sqm=C·Srm= C·Prm/0.8, XL=(0.07+6.3/S)·L/1000

3.2.3 電動機端子電壓Uwm與發電機母線電壓（Uwg）存在關聯，即

Uwg=kp·Sqm·Uwm/Sq

3.2.4如前所述，對于不同勵磁及調壓方式的發電機，其允許啟動負荷亦不同，進而對機組容量選擇產生影響。若認為所選發電機帶自動調整勵磁裝置，則對應于不同啟動負荷相對值，發電機母線上穩態電壓相對值滿足表1：

表1

Sqg/Srg	0.8	1.0	1.2	1.5	2.0
Uwg	1.00	0.95	0.85	0.75	0.60

以表1數據擬合方程，則當Uwg=0.75~0.95時，近似存在：

Sqg/Srg=5Uwg2-11Uwg+6.9375

或Srg=Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)

而Prg=Srg·COSΦ=0.8Srg=0.8Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)；又因上述推導均為臨界值，故實際工程中取：

Prg≥0.8Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)

編程中以此作為發電機容量校驗公式。

3.2.5符號說明

Sqg----發電機啟動時發電機母線上的起動負荷（kVA）；

Srg----發電機的額定容量（kVA），為待求量；

Sq----電動機啟動時，啟動回路的額定輸入容量（kVA）；

Sfh----電動機啟動時，發電機母線上已接負荷（kVA）;

Urg----發電機的額定電壓（kV），取Urg=0.4kV;

Uwg----電動機啟動時，發電機母線上的穩態電壓相對值；

Uwm----電動機啟動時，其端子上所要求的穩態電壓相對值, 程序中取Uwm=0.8;

C----電動機全壓啟動之電流倍數。程序中取C=7;

kp----電動機的啟動系數，見表2：

表2

啟動方式	全壓啟動	Y-△啟動	自耦變壓器65%抽頭啟動
kp	1.0	0.3333	0.4225

Sqm----電動機額定啟動容量（kVA）；

Srm----電動機額定容量（kVA）；

Prm----電動機額定功率（kW）。編程中，取Prm=0.8Srm, 且0<Prm≤150kW。

XL----電動機至發電機配線線路（銅芯）之阻抗（千歐）；

L----電動機至發電機配線線路（銅芯）之長度（千米）。編程中，0<L≤0.1千米。

S----電動機至發電機配線線路（銅芯）之導線截面(mm2)。編程中，S值按表3自動取值。

表3

0<Prm≤5.5	5.5<Prm≤7.5	7.5<Prm≤15	15<Prm≤18.5
S≥2.5（取等號，下同）	S=4	S=6	S=10
18.5<Prm≤22	22<Prm≤30	30<Prm≤37	37<Prm≤45
S=16	S=25	S=35	S=50
45<Prm≤55	55<Prm≤90	90<Prm≤110	110<Prm≤150
S=70	S=95	S=120	S=185

4 源程序及操作要點

4．1源程序

10 PRINT

PRINT“*********備用柴油發電機組之容量校驗及確定************”

PRINT

INPUT“1。請輸入： 不利防火分區消防設備總安裝功率Pe=千瓦”，Pe

IF Pe>800 THEN 20

PRINT

INPUT“2。請輸入：啟動方式 不利之單臺電動機有功功率Prm=千瓦”，Prm

IF Prm>150 OR Prm<=0 OR Pe<Prm THEN 20

PRINT

INPUT“3。請輸入：啟動方式 不利之單臺電動機至發電機之配線長度L=米”，L

L=L/1000

IF L>0.1 OR 0>L THEN 20

PRINT

PRINT“4。（全壓啟動k=1;星三角k=2;自耦65%抽頭k=3）”

PRINT“請輸入：啟動方式 不利之單臺電動機的啟動方式k=”，k

IF k=1 OR k=2 OR k=3 THEN 30 ELSE 20

30 PRINT

IF k=1 THEN kp=1

IF k=2 THEN kp=1/3

IF k=3 THEN kp=0.4225

IF Prm<=5.5 THEN

S=2.5

ELSEIF Prm<=7.5 THEN S=4

ELSEIF Prm<=15 THEN S=6

ELSEIF Prm<=18.5 THEN S=10

ELSEIF Prm<=22 THEN S=16

ELSEIF Prm<=30 THEN S=25

ELSEIF Prm<=37 THEN S=35

ELSEIF Prm<=45 THEN S=50

ELSEIF Prm<=55 THEN S=70

ELSEIF Prm<=90 THEN S=95

ELSEIF Prm<=110 THEN S=120

ELSEIF Prm<=150 THEN S=185

ENDIF

GOTO 40

20 PRINT“輸入數據超出范圍！！！請重新輸入！”

GOTO 10

40 Sfh=1.25*(Pe-Prm)

XL=（0.07+6.3/S）*L/1000

XU=XL/(0.4*0.4)

C=7

Sqm=C*Prm/0.8

Sq=1/(1/(kp*Sqm)+XU)

Sqg=Sfh+Sq

Uwm=0.8

Uwg=Uwm*(kp*Sqm)/Sq

Srg=Sqg/(5*Uwg*Uwg-11*Uwg+6.9375)

Prg=Srg*0.8

IF Prg<=1.2*Pe THEN PPrg=1.2*Pe ELSE PPrg=Prg

PRINT

PRINT“————————————計算結果————————————”

PRINT“為滿足啟動條件，所選發電機持續功率不應小于”，Prg，“千瓦”

PRINT“為滿足工程應用，實選發電機持續功率不應小于”，INT（PPrg+1），“千瓦”

PRINT“————————————————————————————”

END

4．2程序操作要點

a.在Windows的DOS環境下，運行pdos95.bat，從而進入DOS中文平臺；再運行QBASIC.EXE，并把上述源程序輸入到電腦中，存盤。

b. 在QBASIC環境下，按F5鍵，則可運行程序、進行計算了。從原始數據輸入，到計算結果輸出，前后一般不超過一分鐘，非常簡捷實用。

5簡化的數學公式

在忽略電動機線路電壓降影響之后（即XL=0），更簡化的數學公式推導如下：

Sq=kp(C·Srm)=kp·C·Prm/0.8=8.75kp·Prm

而Sfh=1.25(Pe-Prm)，所以，

Sqg=Sfh+Sq=1.25(Pe-Prm)+ 8.75kp·Prm =1.25Pe+(8.75kp-1.25)Prm

又因XL=0，故Uwg=Uwm=0.8

所以，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[1.25Pe+(8.75kp-1.25)Prm]/1.3375

⑴全壓啟動時，kp=1，Prg=0.748Pe+4.486Prm；

⑵星三角啟動時，kp=1/3，Prg=0.748Pe+0.996Prm；

⑶自耦65%抽頭啟動時，kp=0.4225，Prg=0.748Pe+1.464Prm；

穩定負荷計算中，Prg=1.2Pe，將此式與上述⑴、⑵、⑶式分別比較，并結合關系式Pe

≥Prm，可得出下面第6.1~6.3條重要結論。

6幾點結論

6．1同時滿足以下三種啟動條件的任意工程（假設電動機啟動方式僅限于全壓、星三角、自耦三種），其發電機組容量為 小，且其值僅取決于穩定計算負荷的大小（即Prg=1.2Pe），無須再考慮啟動負荷的影響，即無須用程序進行容許電壓降的校驗。

a。當 不利防火分區消防設備總安裝功率Pe，不小于某單臺電動機功率Prm的11倍時，即Pe≥11Prm時，該單臺電動機的啟動方式不受限制，采用全壓或降壓啟動均可。

b。當11Prm>Pe≥3.5Prm時，該單臺電動機應采用降壓啟動（星三角或自耦65%抽頭啟動）。

c。當3.5Prm>Pe≥2.5Prm時，該單臺電動機只應采用星三角啟動。

6．2當2.5Prm>Pe時，必須用程序進行容許電壓降的校驗，且此時發電機組容量Prg>

1.2Pe。

6．3當Prm=Pe時（且允許壓降為0.2），很容易由前述簡化數學公式得出表4：

表4不同啟動方式下，發電機功率是被啟電動機功率的 小倍數

啟動方式	全壓啟動	Y-△啟動	自耦變壓器65%抽頭啟動
小倍數	5.3	1.8	2.3

6．4若僅以啟動容量 大的單臺電動機來校驗發電機容量，是不嚴密、不周全的，因為電動機啟動容量不僅與其額定容量有聯系，更與啟動方式密切相關。換言之，對于校驗發電機容量而言，直接啟動較小容量的電動機，可能比降壓啟動較大容量的電動機更為不利。所以，計算時，應分別輸入若干臺影響較大的電動機的相關數據，擇其 不利者，作為選定發電機容量的依據。

6．5為縮小發電機組容量、降低造價，條件允許時，較大容量的電動機盡量采用降壓啟動。

7 計算實例

　　某二類高層商住樓，擬設一臺容量 小的柴油發電機組，消防時作消防負荷備用電源，平時作保證負荷備用電源。其中保證負荷計算值為250KW。而其 不利防火分區被認定為地下室。因為，若地下室火災，則投入服務的消防設備總安裝功率為 大，其值為285KW。其中消防水泵共2臺（距發電機10米，不計備用泵），每臺45KW；消防風機共4臺，功率分別為15KW、15KW、30KW、30KW，其它為應急照明等負荷105KW。

解題過程：因285KW>250KW，故機組容量選擇以消防負荷計算為準。另根據上述第6。1條結論，因285KW>11×15KW，故功率為15KW的消防風機可采用全壓啟動（降壓啟動當然亦可）。又因11×45KW>285KW>3.5×45KW，所以功率為45KW的消防水泵應采用自耦65%抽頭啟動或星三角啟動（而不能采用全壓啟動）。同理，功率為30KW的消防風機仍須采用降壓啟動。此時，選定的柴油發電機組容量為 小，且無須用前述電腦編程來校驗，其值為1.2×285KW=342KW。

仍就上例而言。假設45KW的消防水泵采用自耦65%抽頭降壓啟動，而30KW的消防風機（距發電機10米）擬采用全壓啟動。將消防水泵及消防風機的相關數據分別輸入電腦程序，進行運算、校驗。可以發現，按消防水泵校驗計算出的發電機持續功率為343 kW，而按消防風機校驗計算出的結果卻達351kW。所以，此時只有取351kW作為實選結果。由此可看出，不遵循上述第6。1條結論的，必將造成機組容量偏大；此外也證明，30kW消防風機的全壓啟動，比45kW消防水泵降壓啟動更為不利。

參考文獻

·中國航空規劃設計院等·工業與民用配電手冊（第二版）·北京：水利電力出版社，1994

　　湖南省陽光電子技術學校常年面向全國招生.安置就業。考試合格頒發全國通用權威證書：《中華人民共和國職業資格證》 、《電工證》 、《焊工證》 。采用我校多年來獨創的“模塊教學法”,理論與實踐相結合、原理＋圖紙＋機器三位一體的教學模式，半天理論，半天實踐，通俗易懂，確保無任何基礎者也能全面掌握維修技能、成為同行業中的佼佼者。工作(一期不會，免費學會為止)。