發(fā)電機(jī)容量選擇

1 引言

　　現(xiàn)代高層建筑中，選擇柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，已屬司空見慣；關(guān)于其容量確定的理論文章，也屢見于報(bào)刊。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，許多設(shè)計(jì)人員仍有茫然無序、頗費(fèi)周折之感。到底如何快而準(zhǔn)地計(jì)算發(fā)電機(jī)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(jiǎn)便地解決這一問題。

2 基本原理

　　2．1發(fā)電機(jī)容量首先要滿足穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷需要，這括消防負(fù)荷和保證負(fù)荷兩部分。在民用建筑中，設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組，通常首先是作為消防用電設(shè)備的備用電源。市電停電，即聯(lián)鎖開啟發(fā)電機(jī)組。但市電停電概率遠(yuǎn)大于火災(zāi)概率，開啟機(jī)組并不就意味著火災(zāi)發(fā)生。非消防時(shí)，開啟的發(fā)電機(jī)組僅僅負(fù)擔(dān)應(yīng)急照明等小部分負(fù)荷，若對(duì)其他非消防的重要負(fù)荷（屬三類負(fù)荷時(shí)的生活泵、客梯、裙房照明等，稱為保證負(fù)荷）無法顧及，則必將造成機(jī)組空置、資源浪費(fèi)。為此，進(jìn)行低壓配電系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足火災(zāi)時(shí)消防負(fù)荷需要的前提下，還必須考慮停電而非火災(zāi)時(shí)，發(fā)電機(jī)對(duì)保證負(fù)荷的供電。一種做法是，將保證負(fù)荷集中掛接在發(fā)電機(jī)應(yīng)急母線段上，消防時(shí)，由火災(zāi)信號(hào)將保證負(fù)荷的總開關(guān)分勵(lì)脫扣。總之，應(yīng)分別計(jì)算消防負(fù)荷和保證負(fù)荷，以二者較大值作為確定發(fā)電機(jī)組容量的依據(jù)，從而同時(shí)滿足消防部門及建設(shè)方的相應(yīng)要求。
　　消防負(fù)荷如何正確計(jì)算應(yīng)引起重視。大中型民用建筑，往往由地下室、裙房及數(shù)個(gè)塔樓組成，含了多個(gè)防火分區(qū)。確定發(fā)電機(jī)容量、進(jìn)行消防負(fù)荷計(jì)算時(shí)，顯然不能盲目地將所有消防用電設(shè)備同時(shí)計(jì)入。推薦的計(jì)算原則是，只考慮一個(gè)防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)（正如水消防一樣），亦即，不認(rèn)為兩個(gè)及以上的防火分區(qū)同時(shí)發(fā)生火災(zāi)。通常，消防泵作為固定負(fù)荷必須計(jì)入，而消防電梯、防排煙風(fēng)機(jī)、應(yīng)急照明等負(fù)荷計(jì)入多少，則要視其在某防火分區(qū)火災(zāi)時(shí)投入服務(wù)的負(fù)荷大小而定。顯然，確定發(fā)電機(jī)容量，應(yīng)以 不利的一個(gè)防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，同時(shí)投入運(yùn)行的消防負(fù)荷為準(zhǔn)。

　　2．2柴油發(fā)電機(jī)組的容量大小，除要滿足上述穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷需要外，還必須進(jìn)行電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓降校驗(yàn)，即啟動(dòng)任一電動(dòng)機(jī)時(shí)，其端子容許電壓降應(yīng)在規(guī)定范圍之內(nèi)。編程中，取值20%。進(jìn)行電壓降校驗(yàn)及發(fā)電機(jī)組容量選擇時(shí)，以下要素不可忽視。

　　a。發(fā)電機(jī)母線上的已接負(fù)荷的影響。也就是說，發(fā)電機(jī)母線上的啟動(dòng)負(fù)荷應(yīng)該等于已接負(fù)荷與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量之和，單單考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量是錯(cuò)誤的。具體工程實(shí)踐中，這一點(diǎn) 容易被一些設(shè)計(jì)人員所忽略，許多文獻(xiàn)對(duì)于已接負(fù)荷的影響，常常也避而不談或是涉及較淺。

　　b。發(fā)電機(jī)不同的勵(lì)磁及調(diào)壓方式，對(duì)機(jī)組容量選擇也將產(chǎn)生重大影響。

　　c。發(fā)電機(jī)至電動(dòng)機(jī)之間配電線路電壓降的影響。亦即，發(fā)電機(jī)端子電壓等于電動(dòng)機(jī)端子電壓與線路壓降之和。

　　d。許多文獻(xiàn)認(rèn)為，電動(dòng)機(jī)應(yīng)按容量大小而順次啟動(dòng)，以此減小發(fā)電機(jī)容量。但在國家標(biāo)準(zhǔn)圖集和工程圖紙中，這種電動(dòng)機(jī)順次啟動(dòng)的二次電路圖又極少見到。更何況，順次啟動(dòng)也往往與一些消防控制要求相矛盾。因此建議，減小發(fā)電機(jī)容量，不宜依靠電動(dòng)機(jī)順次啟動(dòng)這種方法。

　　e。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量達(dá) 大值是瞬間的，因此，可以不考慮兩臺(tái)及以上電動(dòng)機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)發(fā)電機(jī)造成沖擊的問題。

3 數(shù)學(xué)模型

（建立以下數(shù)學(xué)模型，僅以消防負(fù)荷計(jì)算為例。為便于編程，多處進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)，不另說明。）

3.1 發(fā)電機(jī)容量大小須滿足穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷需要

Pjs=Kc·Pe=Pe

Prg=K·Pjs=1.2Pe

式中：Prg----待求發(fā)電機(jī)持續(xù)功率（kW）。編程中考慮為單臺(tái)機(jī)。

Pjs----消防設(shè)備穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷（kW）。

Pe----建筑物內(nèi)任一防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)， 大可能開啟消防設(shè)備之總安裝功率（kW）。為已知量，運(yùn)行程序時(shí)直接鍵入。編程中Pe≤800kW。

Kc----消防設(shè)備總需用系數(shù)，取Kc=1。

K----可靠系數(shù)，取K=1.2。

3.2發(fā)電機(jī)容量大小須滿足電動(dòng)機(jī)端子容許電壓降

3.2.1簡(jiǎn)化計(jì)算電路從略

3.2.2發(fā)電機(jī)母線上的啟動(dòng)負(fù)荷等于已接負(fù)荷與單臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)容量之和，即

Sqg=Sfh+Sq

此時(shí)，考慮 極端的情況，即認(rèn)為除待啟電動(dòng)機(jī)外，其它負(fù)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(dòng)機(jī)端子電壓Uwm與發(fā)電機(jī)母線電壓（Uwg）存在關(guān)聯(lián)，即

Uwg=kp·Sqm·Uwm/Sq

3.2.4如前所述，對(duì)于不同勵(lì)磁及調(diào)壓方式的發(fā)電機(jī)，其允許啟動(dòng)負(fù)荷亦不同，進(jìn)而對(duì)機(jī)組容量選擇產(chǎn)生影響。若認(rèn)為所選發(fā)電機(jī)帶自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁裝置，則對(duì)應(yīng)于不同啟動(dòng)負(fù)荷相對(duì)值，發(fā)電機(jī)母線上穩(wěn)態(tài)電壓相對(duì)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(shù)據(jù)擬合方程，則當(dāng)Uwg=0.75~0.95時(shí)，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(dǎo)均為臨界值，故實(shí)際工程中取：

Prg≥0.8Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)

編程中以此作為發(fā)電機(jī)容量校驗(yàn)公式。

3.2.5符號(hào)說明

Sqg----發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)母線上的起動(dòng)負(fù)荷（kVA）；

Srg----發(fā)電機(jī)的額定容量（kVA），為待求量；

Sq----電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)回路的額定輸入容量（kVA）；

Sfh----電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)母線上已接負(fù)荷（kVA）;

Urg----發(fā)電機(jī)的額定電壓（kV），取Urg=0.4kV;

Uwg----電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)母線上的穩(wěn)態(tài)電壓相對(duì)值；

Uwm----電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其端子上所要求的穩(wěn)態(tài)電壓相對(duì)值, 程序中取Uwm=0.8;

C----電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)之電流倍數(shù)。程序中取C=7;

kp----電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系數(shù)，見表2：

表2

啟動(dòng)方式	全壓?jiǎn)?dòng)	Y-△啟動(dòng)	自耦變壓器65%抽頭啟動(dòng)
kp	1.0	0.3333	0.4225

Sqm----電動(dòng)機(jī)額定啟動(dòng)容量（kVA）；

Srm----電動(dòng)機(jī)額定容量（kVA）；

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

XL----電動(dòng)機(jī)至發(fā)電機(jī)配線線路（銅芯）之阻抗（千歐）；

L----電動(dòng)機(jī)至發(fā)電機(jī)配線線路（銅芯）之長(zhǎng)度（千米）。編程中，0<L≤0.1千米。

S----電動(dòng)機(jī)至發(fā)電機(jī)配線線路（銅芯）之導(dǎo)線截面(mm2)。編程中，S值按表3自動(dòng)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(hào)，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(diǎn)

4．1源程序

10 PRINT

PRINT“*********備用柴油發(fā)電機(jī)組之容量校驗(yàn)及確定************”

PRINT

INPUT“1。請(qǐng)輸入： 不利防火分區(qū)消防設(shè)備總安裝功率Pe=千瓦”，Pe

IF Pe>800 THEN 20

PRINT

INPUT“2。請(qǐng)輸入：?jiǎn)?dòng)方式 不利之單臺(tái)電動(dòng)機(jī)有功功率Prm=千瓦”，Prm

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

PRINT

INPUT“3。請(qǐng)輸入：?jiǎn)?dòng)方式 不利之單臺(tái)電動(dòng)機(jī)至發(fā)電機(jī)之配線長(zhǎng)度L=米”，L

L=L/1000

IF L>0.1 OR 0>L THEN 20

PRINT

PRINT“4。（全壓?jiǎn)?dòng)k=1;星三角k=2;自耦65%抽頭k=3）”

PRINT“請(qǐng)輸入：?jiǎn)?dòng)方式 不利之單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(shù)據(jù)超出范圍！！！請(qǐng)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(jì)算結(jié)果————————————”

PRINT“為滿足啟動(dòng)條件，所選發(fā)電機(jī)持續(xù)功率不應(yīng)小于”，Prg，“千瓦”

PRINT“為滿足工程應(yīng)用，實(shí)選發(fā)電機(jī)持續(xù)功率不應(yīng)小于”，INT（PPrg+1），“千瓦”

PRINT“————————————————————————————”

END

4．2程序操作要點(diǎn)

a.在Windows的DOS環(huán)境下，運(yùn)行pdos95.bat，從而進(jìn)入DOS中文平臺(tái)；再運(yùn)行QBASIC.EXE，并把上述源程序輸入到電腦中，存盤。

b. 在QBASIC環(huán)境下，按F5鍵，則可運(yùn)行程序、進(jìn)行計(jì)算了。從原始數(shù)據(jù)輸入，到計(jì)算結(jié)果輸出，前后一般不超過一分鐘，非常簡(jiǎn)捷實(shí)用。

5簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式

在忽略電動(dòng)機(jī)線路電壓降影響之后（即XL=0），更簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)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?jiǎn)?dòng)時(shí)，kp=1，Prg=0.748Pe+4.486Prm；

⑵星三角啟動(dòng)時(shí)，kp=1/3，Prg=0.748Pe+0.996Prm；

⑶自耦65%抽頭啟動(dòng)時(shí)，kp=0.4225，Prg=0.748Pe+1.464Prm；

穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算中，Prg=1.2Pe，將此式與上述⑴、⑵、⑶式分別比較，并結(jié)合關(guān)系式Pe

≥Prm，可得出下面第6.1~6.3條重要結(jié)論。

6幾點(diǎn)結(jié)論

6．1同時(shí)滿足以下三種啟動(dòng)條件的任意工程（假設(shè)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式僅限于全壓、星三角、自耦三種），其發(fā)電機(jī)組容量為 小，且其值僅取決于穩(wěn)定計(jì)算負(fù)荷的大小（即Prg=1.2Pe），無須再考慮啟動(dòng)負(fù)荷的影響，即無須用程序進(jìn)行容許電壓降的校驗(yàn)。

a。當(dāng) 不利防火分區(qū)消防設(shè)備總安裝功率Pe，不小于某單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率Prm的11倍時(shí)，即Pe≥11Prm時(shí)，該單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式不受限制，采用全壓或降壓?jiǎn)?dòng)均可。

b。當(dāng)11Prm>Pe≥3.5Prm時(shí)，該單臺(tái)電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用降壓?jiǎn)?dòng)（星三角或自耦65%抽頭啟動(dòng)）。

c。當(dāng)3.5Prm>Pe≥2.5Prm時(shí)，該單臺(tái)電動(dòng)機(jī)只應(yīng)采用星三角啟動(dòng)。

6．2當(dāng)2.5Prm>Pe時(shí)，必須用程序進(jìn)行容許電壓降的校驗(yàn)，且此時(shí)發(fā)電機(jī)組容量Prg>

1.2Pe。

6．3當(dāng)Prm=Pe時(shí)（且允許壓降為0.2），很容易由前述簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)公式得出表4：

表4不同啟動(dòng)方式下，發(fā)電機(jī)功率是被啟電動(dòng)機(jī)功率的 小倍數(shù)

啟動(dòng)方式	全壓?jiǎn)?dòng)	Y-△啟動(dòng)	自耦變壓器65%抽頭啟動(dòng)
小倍數(shù)	5.3	1.8	2.3

6．4若僅以啟動(dòng)容量 大的單臺(tái)電動(dòng)機(jī)來校驗(yàn)發(fā)電機(jī)容量，是不嚴(yán)密、不周全的，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)容量不僅與其額定容量有聯(lián)系，更與啟動(dòng)方式密切相關(guān)。換言之，對(duì)于校驗(yàn)發(fā)電機(jī)容量而言，直接啟動(dòng)較小容量的電動(dòng)機(jī)，可能比降壓?jiǎn)?dòng)較大容量的電動(dòng)機(jī)更為不利。所以，計(jì)算時(shí)，應(yīng)分別輸入若干臺(tái)影響較大的電動(dòng)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，擇其 不利者，作為選定發(fā)電機(jī)容量的依據(jù)。

6．5為縮小發(fā)電機(jī)組容量、降低造價(jià)，條件允許時(shí)，較大容量的電動(dòng)機(jī)盡量采用降壓?jiǎn)?dòng)。

7 計(jì)算實(shí)例

　　某二類高層商住樓，擬設(shè)一臺(tái)容量 小的柴油發(fā)電機(jī)組，消防時(shí)作消防負(fù)荷備用電源，平時(shí)作保證負(fù)荷備用電源。其中保證負(fù)荷計(jì)算值為250KW。而其 不利防火分區(qū)被認(rèn)定為地下室。因?yàn)椋舻叵率一馂?zāi)，則投入服務(wù)的消防設(shè)備總安裝功率為 大，其值為285KW。其中消防水泵共2臺(tái)（距發(fā)電機(jī)10米，不計(jì)備用泵），每臺(tái)45KW；消防風(fēng)機(jī)共4臺(tái)，功率分別為15KW、15KW、30KW、30KW，其它為應(yīng)急照明等負(fù)荷105KW。

解題過程：因285KW>250KW，故機(jī)組容量選擇以消防負(fù)荷計(jì)算為準(zhǔn)。另根據(jù)上述第6。1條結(jié)論，因285KW>11×15KW，故功率為15KW的消防風(fēng)機(jī)可采用全壓?jiǎn)?dòng)（降壓?jiǎn)?dòng)當(dāng)然亦可）。又因11×45KW>285KW>3.5×45KW，所以功率為45KW的消防水泵應(yīng)采用自耦65%抽頭啟動(dòng)或星三角啟動(dòng)（而不能采用全壓?jiǎn)?dòng)）。同理，功率為30KW的消防風(fēng)機(jī)仍須采用降壓?jiǎn)?dòng)。此時(shí)，選定的柴油發(fā)電機(jī)組容量為 小，且無須用前述電腦編程來校驗(yàn)，其值為1.2×285KW=342KW。

仍就上例而言。假設(shè)45KW的消防水泵采用自耦65%抽頭降壓?jiǎn)?dòng)，而30KW的消防風(fēng)機(jī)（距發(fā)電機(jī)10米）擬采用全壓?jiǎn)?dòng)。將消防水泵及消防風(fēng)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)分別輸入電腦程序，進(jìn)行運(yùn)算、校驗(yàn)。可以發(fā)現(xiàn)，按消防水泵校驗(yàn)計(jì)算出的發(fā)電機(jī)持續(xù)功率為343 kW，而按消防風(fēng)機(jī)校驗(yàn)計(jì)算出的結(jié)果卻達(dá)351kW。所以，此時(shí)只有取351kW作為實(shí)選結(jié)果。由此可看出，不遵循上述第6。1條結(jié)論的，必將造成機(jī)組容量偏大；此外也證明，30kW消防風(fēng)機(jī)的全壓?jiǎn)?dòng)，比45kW消防水泵降壓?jiǎn)?dòng)更為不利。

參考文獻(xiàn)

·中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)院等·工業(yè)與民用配電手冊(cè)（第二版）·北京：水利電力出版社，1994

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