民用建筑備用柴油發(fā)電機組容量的確定方法

1、民用建筑備用柴油發(fā)電機組容量的確定方法！2009 年 04 月 29 日 星期三 17:51摘 要 簡介發(fā)電機容量選擇的基本原理及相關要素；建立容量計算的數(shù)學模型；介紹計算容量所用的 QBASIC源程序及其操作要點；最后給出了若干結(jié)論及計算實例。敘 詞： 柴油發(fā)電機消防負荷保證負荷容許電壓降啟動 校驗 QBASIC1 引言現(xiàn)代高層建筑中，選擇柴油發(fā)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(fā)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

2、題。2 基本原理21 發(fā)電機容量首先要滿足穩(wěn)定計算負荷需要，這包括消防負荷和保證負荷兩部分。在民用建筑中，設置柴油發(fā)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(lián)鎖開啟發(fā)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(fā)生。非消防時，開啟的發(fā)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(tǒng)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(fā)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(fā)電機應急母線段上，消防時

3、，由火災信號將保證負荷的總開關分勵脫扣?？傊瑧謩e計算消防負荷和保證負荷，以二者較大值作為確定發(fā)電機組容量的依據(jù)，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(shù)個塔樓組成，包含了多個防火分區(qū)。確定發(fā)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(qū)發(fā)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(qū)同時發(fā)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(qū)火災時投入服務的負荷大小而定。顯然，確定發(fā)電機容量

4、，應以最不利的一個防火分區(qū)發(fā)生火災時，同時投入運行的消防負荷為準。22 柴油發(fā)電機組的容量大小，除要滿足上述穩(wěn)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(guī)定范圍之內(nèi)。編程中，取值 20%。進行電壓降校驗及發(fā)電機組容量選擇時，以下要素不可忽視。a。發(fā)電機母線上的已接負荷的影響。也就是說，發(fā)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，這一點最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(fā)電機不同的勵磁及調(diào)壓方式，對機組容量選擇也將產(chǎn)生重大影響

5、。c。發(fā)電機至電動機之間配電線路電壓降的影響。亦即，發(fā)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(fā)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(fā)電機容量，不宜依靠電動機順次啟動這種方法。f 。電動機啟動容量達最大值是瞬間的，因此，可以不考慮兩臺及以上電動機的同時啟動，對發(fā)電機造成沖擊的問題。3 數(shù)學模型（建立以下數(shù)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?shù)暮喕图僭O，不另說明。 ）3.1 發(fā)電機容量大小須滿足穩(wěn)定計算負荷

6、需要Pjs=Kc·Pe=PePrg=K·Pjs=1.2Pe式中： Prg-待求發(fā)電機持續(xù)功率（ kW）。編程中考慮為單臺機。Pjs-消防設備穩(wěn)定計算負荷（ kW）。Pe- 建筑物內(nèi)任一防火分區(qū)發(fā)生火災時，最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Pe800kW。Kc- 消防設備總需用系數(shù)，取Kc=1。K- 可靠系數(shù)，取 K=1.2。3.2 發(fā)電機容量大小須滿足電動機端子容許電壓降簡化計算電路見下圖：發(fā)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，考慮最極端的情況，即認為除待啟電動機外，其它負荷已全

7、部投入，則有Pfh+Prm=Pe，從而 Sfh=Pfh/COS=(Pe-Prm)/COS=(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) ·電動機端子電壓 Uwm與發(fā)電機母線電壓（ Uwg）存在關聯(lián)，即Uwg=kp·Sqm·Uwm/Sq如前所述，對于不同勵磁及調(diào)壓方式的發(fā)電機，其允許啟動負荷亦不同，進而對機組容量選擇產(chǎn)生影響。若認為所選發(fā)電機帶自動調(diào)整勵磁裝置，則對應于不同啟動負荷相對值，發(fā)電機母線上

8、穩(wěn)態(tài)電壓相對值滿足表1：表 1Sqg/Srg0.81.01.21.52.0Uwg1.000.950.850.750.60以表 1 數(shù)據(jù)擬合方程，則當Uwg=0.750.95 時，近似存在：Sqg/Srg=5Uwg2-11Uwg+6.9375或 Srg=Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)而 Prg=Srg·COS=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?。篜rg0.8Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)編程中以此作為發(fā)電機容量校驗公式。符號說明Sqg- 發(fā)電機啟動時發(fā)電機母線上的起動負荷（k

9、VA）；Srg-發(fā)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(fā)電機母線上已接負荷（kVA）;Urg-發(fā)電機的額定電壓（ kV），取 Urg=0.4kV;Uwg-電動機啟動時，發(fā)電機母線上的穩(wěn)態(tài)電壓相對值；Uwm-電動機啟動時，其端子上所要求的穩(wěn)態(tài)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(shù)。程序中取 C=7;kp-電動機的啟動系數(shù)，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Skp1.00.33330.4225qm- 電動機額定啟動容量（ kVA）；Srm- 電動機額定容量（ kV

10、A）；Prm- 電動機額定功率（ kW）。編程中，取 Prm=0.8Srm, 且0<Prm150kW。XL- 電動機至發(fā)電機配線線路（銅芯）之阻抗（千歐）；L- 電動機至發(fā)電機配線線路（銅芯）之長度（千米）。編程中，0<L0.1 千米。S- 電動機至發(fā)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 30<Prm5.55.5<Prm7.57.5<Prm1515<Prm18.5S2.5（取等S=4S=6S=10號，下同）18.5< Prm2222<Prm3030<Prm3737<Prm45S=16S=25

11、S=35S=5045<Prm5555<Prm90110<Prm15090<Prm 110S=70S=95S=120S=1854 源程序及操作要點41 源程序10 PRINTPRINT“*備用柴油發(fā)電機組之容量校驗及確定*”PRINTINPUT“1。請輸入：最不利防火分區(qū)消防設備總安裝功率Pe= 千瓦”， PeIF Pe>800 THEN20PRINTINPUT“2。請輸入：啟動方式最不利之單臺電動機有功功率Prm= 千瓦”，PrmIF Prm>150 ORPrm<=0 ORPe<PrmTHEN20PRINTINPUT“3。請輸入：啟動方式最不利之

12、單臺電動機至發(fā)電機之配線長度 L= 米”， LL=L/1000IF L>0.1 OR0>L THEN20PRINTPRINT“4。（全壓啟動 k=1; 星三角 k=2; 自耦 65%抽頭 k=3）”PRINT“ 請輸入：啟動方式最不利之單臺電動機的啟動方式k= ”， kIF k=1 ORk=2 ORk=3 THEN30 ELSE2030 PRINTIF k=1 THENkp=1IF k=2 THENkp=1/3IF k=3 THENkp=0.4225IF Prm<=5.5 THENS=2.5ELSEIF Prm<=7.5 THENS=4ELSEIF Prm<=15

13、 THENS=6ELSEIF Prm<=18.5 THENS=10ELSEIF Prm<=22 THENS=16ELSEIF Prm<=30 THENS=25ELSEIF Prm<=37 THENS=35ELSEIF Prm<=45 THENS=50ELSEIF Prm<=55 THENS=70ELSEIF Prm<=90 THENS=95ELSEIF Prm<=110THENS=120ELSEIF Prm<=150THENS=185ENDIFGOTO4020 PRINT“輸入數(shù)據(jù)超出范圍！請重新輸入！”GOTO1040 Sfh=1.25*

14、(Pe-Prm)XL=（0.07+6.3/S ）*L/1000C=7Sqm=C*Prm/0.8Sq=1/(1/(kp*Sqm)+XU)Sqg=Sfh+SqUwm=0.8Uwg=Uwm*(kp*Sqm)/SqSrg=Sqg/(5*Uwg*Uwg-11*Uwg+6.9375)Prg=Srg*0.8IF Prg<=1.2*Pe THENPPrg=1.2*Pe ELSEPPrg=PrgPRINTPRINT“計算結(jié)果”PRINT“為滿足啟動條件，所選發(fā)電機持續(xù)功率不應小于”，Prg，“千瓦”PRINT“為滿足工程應用，實選發(fā)電機持續(xù)功率不應小于”，INT（ PPrg+1），“千瓦”PRINT“”E

15、ND42 程序操作要點a. 在 Windows的 DOS環(huán)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(huán)境下，按 F5 鍵，則可運行程序、進行計算了。從原始數(shù)據(jù)輸入，到計算結(jié)果輸出，前后一般不超過一分鐘，非常簡捷實用。5 簡化的數(shù)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(shù)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=1.2

16、5(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=0.81.25Pe+(8.75kp-1.25)Prm/1.3375全壓啟動時， kp=1，Prg=0.748Pe+4.486Prm；星三角啟動時， kp=1/3 ， Prg=0.748Pe+0.996Prm；自耦 65%抽頭啟動時

17、， kp=0.4225 ，Prg=0.748Pe+1.464Prm；穩(wěn)定負荷計算中， Prg=1.2Pe，將此式與上述、式分別比較，并結(jié)合關系式 PePrm，可得出下面第6.16.3 條重要結(jié)論。6 幾點結(jié)論61 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(fā)電機組容量為最小，且其值僅取決于穩(wěn)定計算負荷的大?。?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。當最不利防火分區(qū)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 Pe11Prm時，該單臺電動機的啟動方式不受限制，采用全壓或降壓

18、啟動均可。b。當 11Prm>Pe3.5Prm 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>Pe2.5Prm 時，該單臺電動機只應采用星三角啟動。62 當 2.5Prm>Pe時，必須用程序進行容許電壓降的校驗，且此時發(fā)電機組容量 Prg>1.2Pe。63 當 Prm=Pe時（且允許壓降為 0.2 ），很容易由前述簡化數(shù)學公式得出表 4：表 4不同啟動方式下，發(fā)電機功率是被啟電動機功率的最小倍數(shù)啟動方式全壓啟動Y-啟動自耦變壓器65%抽頭啟動最小倍數(shù)5.31.82.364 若僅以啟動容量最大的單臺電動機來校驗發(fā)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(lián)系，更與啟動方式密切相關。換言之，對于校驗發(fā)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(shù)據(jù)，擇其最不利者，作為選定發(fā)電機容量的依據(jù)。65 為縮小發(fā)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，擬設一臺容量最小的柴油發(fā)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。而其最不利防火分區(qū)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