超高層建筑柴油發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)

1、超高層建筑柴油發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)摘 要 對(duì)于現(xiàn)代超高層建筑而言，應(yīng)急備用電源無疑是消防設(shè)備、計(jì)算機(jī)中樞、安保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠保障，而柴油發(fā)電機(jī)在此則是飾演著其中一個(gè)不可或缺的重要角色。關(guān)鍵詞 超高層建筑；柴油發(fā)電機(jī)組；電壓降；用油量1 項(xiàng)目概況深圳平安國際金融中心 （以下簡稱平安IFC） 位于深圳市福田中心區(qū)，益田路與福華三路交界處，是一座超高層綜合型現(xiàn)代化辦公大樓，樓高588 米，地上116 層，地下5 層，總建筑面積約46 萬，其中商業(yè)裙樓9 層，10 層及以上為辦公塔樓，從豎向上分為8 個(gè)區(qū)域，另外還設(shè)有兩個(gè)空中大廳。作為深圳市中心重要的商業(yè)地標(biāo)，它將云集全球熱門商業(yè)公司及國內(nèi)知名企業(yè)。項(xiàng)

2、目定位之高度，以及業(yè)主對(duì)于商業(yè)價(jià)值的意念，都決定了其對(duì)配電系統(tǒng)的安全性、可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性的要求都是非常高的，而對(duì)于現(xiàn)代超高層建筑而言，應(yīng)急備用電源無疑是消防設(shè)備、計(jì)算機(jī)中樞、安保系統(tǒng)等核心負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的可靠保障，而柴油發(fā)電機(jī)則是在其中飾演著重要角色。2 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的選擇依據(jù)及供電范圍根據(jù) 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB50052- 1995）， 高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 （GB50045- 1995） （2005 年版） 及 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范 （JGJ16- 2008） 中對(duì)電力負(fù)荷等級(jí)的規(guī)定，“一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)電源供電；當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞?！薄耙患?jí)負(fù)荷

3、中特別重要的負(fù)荷，除由兩個(gè)電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，并嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)?！币韵聻楸卷?xiàng)目的一級(jí)負(fù)荷 （其中包含特別重要負(fù)荷）：1） 本項(xiàng)目中的消防用電一級(jí)負(fù)荷：消防水泵，消防風(fēng)機(jī)，消防電梯，火災(zāi)疏散電梯，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，自動(dòng)滅火系統(tǒng)，電動(dòng)防火卷簾 （門、閥），應(yīng)急照明，避難層照明等。2） 本項(xiàng)目中的非消防用電一級(jí)負(fù)荷：安防系統(tǒng)，重要弱電機(jī)房，大廈調(diào)度中心，物業(yè)管理系統(tǒng)，通訊設(shè)施，航空障礙燈，地下室潛污泵，生活水泵，擦窗機(jī)，部分區(qū)域的公共照明，部分客梯，部分新風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備用電。3） 本項(xiàng)目中的重要商戶保障用電：金融機(jī)構(gòu)、交易所電子設(shè)備，商業(yè)、辦公的必保負(fù)荷，如

4、珠寶展示區(qū)安保照明，貴賓房照明，多功能廳設(shè)備，業(yè)務(wù)電腦，后備空調(diào)機(jī)組等。本項(xiàng)目為地標(biāo)性的超高層建筑，除了必須保證消防設(shè)備的可靠供電，還需要充分考慮對(duì)大廈的眾多特別重要負(fù)荷的運(yùn)行保證，如安保系統(tǒng)用電，智能化系統(tǒng)設(shè)備，部分超高速電梯用電等。因此，除采用雙電源回路市電供電外，單獨(dú)設(shè)置作為應(yīng)急的第三電源，對(duì)于保障大廈的安全、穩(wěn)定運(yùn)營是很有必要的。規(guī)范中指出，可以作為應(yīng)急電源的有：1） 供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路；2） 獨(dú)立于正常電源的發(fā)電機(jī)組；3） 蓄電池。對(duì)于上述1） 中的獨(dú)立專用饋電線路，一般須由當(dāng)?shù)毓╇娋指鶕?jù)項(xiàng)目情況審批并由業(yè)主全額投資，而在正常電源出現(xiàn)故障時(shí)，需要手動(dòng)切換至該獨(dú)立電

5、源，操作上的技術(shù)要求較高，因?yàn)槟壳肮╇姴块T一般不允許用戶在高壓側(cè)使用自動(dòng)投切。對(duì)于上述3） 中的蓄電池，目前較為普遍的是采用帶蓄電池的應(yīng)急電源設(shè)備 （EPS）。這種方式適合于允許中斷供電時(shí)間為毫秒級(jí)的供電對(duì)象。但其缺點(diǎn)很明顯：投資大，運(yùn)行維護(hù)成本高，尤其是蓄電池需要定時(shí)檢查和更換，因此不適合用于大功率設(shè)備 （10kW 以上）。故此，應(yīng)用獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組，是目前超高層建筑解決應(yīng)急電源的最常用方案。其優(yōu)點(diǎn)比較明顯：可以在較短時(shí)間內(nèi)自啟動(dòng)并且自動(dòng)投入到供電母線，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，供電時(shí)間可滿足現(xiàn)時(shí)大多數(shù)的市電停電時(shí)長，投資相對(duì)合理，維護(hù)管理方便。3 項(xiàng)目本身對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)房的限制因素考慮到本

6、項(xiàng)目是塔樓屋面高達(dá)538 米，一級(jí)負(fù)荷比重很大而且比較分散，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的服務(wù)范圍將貫穿于地下室至塔樓屋面。若從供電距離、電壓降、線路損耗這幾個(gè)方面考慮，應(yīng)該是在塔樓的若干設(shè)備層分散設(shè)置柴油機(jī)組，這樣可以使應(yīng)急電源更接近于各個(gè)負(fù)荷中心。然而超高層寫字樓本身的特點(diǎn)，決定了對(duì)設(shè)備的垂直運(yùn)輸有很大程度的限制。若柴油發(fā)電機(jī)房于地下室集中設(shè)置，一則可避免占用商業(yè)價(jià)值極高的地上面積，二則便于消防及運(yùn)營管理，而且形成相對(duì)獨(dú)立的“污染區(qū)域”，也利于通風(fēng)、排煙、減振、供油等系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4 柴油發(fā)電機(jī)容量的選擇根據(jù)過往超高層建筑的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及參照國內(nèi)眾多知名的項(xiàng)目案例。在方案階段，本項(xiàng)目應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)擬按照變壓

7、器的總安裝容量之 20% 考慮，即 56400×20%=11280kVA，選用六臺(tái)連續(xù)容量為2000kVA的低壓柴油發(fā)電機(jī)組。在這里需要說明的是，部分未來租戶區(qū)的備用電源，基于其商業(yè)方面的各項(xiàng)不定因素，不在本次設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，僅在地下二層預(yù)留兩至三個(gè)備用發(fā)電機(jī)位置，并在電氣豎井中預(yù)留電纜走向通道。根據(jù)業(yè)主的商業(yè)顧問提供的開發(fā)建議書“應(yīng)為業(yè)主與租客基本的發(fā)電機(jī)提供24 小時(shí)貯油”。單臺(tái)2000kVA的柴油機(jī)組帶100%負(fù)荷時(shí)的耗油量約為420L/h （實(shí)際運(yùn)行不會(huì)大于此值），則六臺(tái)機(jī)組連續(xù)24小時(shí)額定工作時(shí)的耗油總量應(yīng)為6×24×420/1000=60.5 立方。若按照

8、0.85 的油量充滿系數(shù)計(jì)算，則需要的儲(chǔ)油罐總?cè)莘e為60.5/0.85=71立方。結(jié)合本項(xiàng)目的具體情況，室外油罐的布置方案將由建筑專業(yè)與消防顧問確定。5 平安 IFC 項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)形式的選擇5.1 機(jī)組設(shè)計(jì)的考慮要點(diǎn)與市電供電回路不同，應(yīng)急柴油機(jī)供電回路由于其只作為市電故障時(shí)的臨時(shí)保障方式，使用的機(jī)會(huì)和頻率相對(duì)于常規(guī)市電電源而言是非常低的，因此其線路損耗不是首要考慮的重點(diǎn)；相反，若純粹為補(bǔ)救這些微小的線路損耗而增大線路截面，實(shí)際上是與經(jīng)濟(jì)、環(huán)保設(shè)計(jì)背道而馳。對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)，除了安全性、可靠性、初期投資、后期維護(hù)等這些基本要素外，更是結(jié)合項(xiàng)目本身的特點(diǎn)作針對(duì)性的分析。經(jīng)初步計(jì)算，供電半

9、徑小于150 米的低壓配電線路，根據(jù)計(jì)算電流配合選擇電纜截面，則其干線末端電壓降不會(huì)大于2%，不僅符合國家規(guī)范規(guī)定值，更是滿足LEED 認(rèn)證體系A(chǔ)SHRAE標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中關(guān)于對(duì)電壓降的要求（.1 條文規(guī)定“支流導(dǎo)線粗細(xì)應(yīng)適用于設(shè)計(jì)荷載2%的最大電壓下降”。本項(xiàng)目自地下二層至塔樓屋頂垂直距離接近600 米，如此超長的供電距離，如何有效的解決長距離線路電壓損失 （電壓降） 問題，成為本設(shè)計(jì)的重要關(guān)注點(diǎn)。5.2 干線電壓降分析經(jīng)初步計(jì)算，若從地下二層發(fā)電機(jī)房以低壓干線電纜直供電至塔樓中間層 （干線段長度約為330 米），在電纜截面不作加大的前提下，干線的電壓降達(dá)到了4.4%，至塔樓屋頂 （干線段長度約為6

10、50 米） 則達(dá)到了8.8%；若對(duì)應(yīng)計(jì)算電流將電纜截面加大一級(jí)，則上述的電壓降值分別為3.8%和7.6%；即使電纜截面再加大至兩級(jí)，上述的電壓降值也分別達(dá)到3.2%和6.4%。由此可見，如果只是單純通過加大電纜截面來降低電阻值，從而試圖減低線路電壓損失，對(duì)于如此長度的電纜，是很難有效實(shí)現(xiàn)的。而當(dāng)采用10kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜作為干線時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)上述的兩個(gè)電壓降值僅為0.2%和0.4%。很明顯，采用高壓傳輸時(shí)，線路電壓損失得到了很好的抑制。對(duì)此，柴油發(fā)電機(jī)組的形式可以從以下幾個(gè)方案的作可行性分析。5.3 機(jī)組形式的選擇方案方案一，集中設(shè)置于地下二層主變電所附近，采用380V低壓線路短、長程直

11、供。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，初期投資低，安裝、環(huán)保、供油、維護(hù)管理等各方面都相對(duì)方便。然而對(duì)與本項(xiàng)目而言，長距離的低壓傳輸，電壓降顯然無法滿足要求。方案二，機(jī)組分散設(shè)置于地下二層和塔樓的幾個(gè)設(shè)備層，采用380V低壓線路短程直供。優(yōu)點(diǎn)是由于機(jī)組盡量分別靠近各區(qū)負(fù)荷中心，供電距離較小，可有效的降低線路電壓降；但其缺點(diǎn)也很明顯，塔樓設(shè)備層能夠提供的運(yùn)輸、安裝、維護(hù)、供油、消防等各方面條件都有很多限制。方案三，400V低壓柴油發(fā)電機(jī)通過升、降壓傳輸?shù)姆绞剑簿褪堑蛪翰裼桶l(fā)電機(jī)組設(shè)置于地下二層，出口400V電壓經(jīng)過機(jī)組設(shè)于就近的專用變壓器升壓至10kV，采用10kV高壓電纜分別傳輸?shù)剿巧系娜舾稍O(shè)備層，經(jīng)過專用

12、變壓器降壓至400V，向各負(fù)荷區(qū)供電。其優(yōu)點(diǎn)是由于干線電流采用高壓傳輸，容易滿足線路電壓降的要求，機(jī)組集中在地下室設(shè)置，便于消防控制、運(yùn)輸、安裝、供油及管理。缺點(diǎn)就是需要增加高壓變壓設(shè)備、線路，對(duì)塔樓設(shè)備房的面積要求會(huì)更高。方案四，10kV（6kV） 高壓柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置于地下二層，出口端直接通過10kV高壓電纜分別傳輸?shù)剿巧系娜舾稍O(shè)備層，再由專用變壓器降壓至400V，向各負(fù)荷區(qū)供電。其優(yōu)點(diǎn)和方案三相似，缺點(diǎn)是高壓機(jī)組本身成本就比相同容量低壓機(jī)組高很多 （一般為 30% 50%），而且高壓機(jī)組的保護(hù)比較復(fù)雜，國內(nèi)可選擇的廠商相對(duì)少很多，在國內(nèi)民用建筑的應(yīng)用案例也極少，使用、維護(hù)的成熟度不高。

13、5.4 項(xiàng)目方案的構(gòu)成從以上幾個(gè)方案的分析可以看出，不同的供電距離直接決定著柴油發(fā)電機(jī)組的形式，所以，下述兩種形式的組合，可以構(gòu)成本項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案：1） 對(duì)于低壓配電供電半徑不大于150 米的部分，直接采用低壓輸出發(fā)電機(jī)組的方式，可以滿足電壓降要求，同時(shí)亦可節(jié)省一部分高壓投資。2） 對(duì)于低壓配電供電半徑不大于150 米的部分，我們以同一進(jìn)口品牌2000kVA的柴油機(jī)為例去作投資比較：方案一為一臺(tái)10kV的高壓機(jī)組+ 一臺(tái) 2000kVA 的 10/0.4kV降壓變壓器；方案二則為一臺(tái)400V 的低壓機(jī)組+ 一臺(tái) 2000kVA 的 0.4/10kV 升壓變壓器+ 兩臺(tái)10kV高壓開關(guān)

14、柜+ 一臺(tái)2000kVA的10/0.4kV降壓變壓器。從設(shè)備投資而言，前者比后者高出約25% （因?qū)τ谒蕉?、垂直段，兩者均為相同長度的10kV高壓電纜，故不作對(duì)比）。后者的投資相對(duì)更低，據(jù)了解，目前國內(nèi)應(yīng)用于民用建筑的10kV柴油發(fā)電機(jī)案例很少，加上能夠提供該電壓等級(jí)產(chǎn)品技術(shù)的柴油機(jī)廠家也相對(duì)較少，而且，高壓柴油機(jī)的日常維護(hù)對(duì)于操作人員的技術(shù)能力要求更高，其優(yōu)缺點(diǎn)不言而喻。由附表1 可以看出，柴油發(fā)電機(jī)房選址可緊密結(jié)合變配電所的位置考慮。本項(xiàng)目將低壓柴油發(fā)電機(jī)組集中設(shè)置在地下二層，通過專用升壓變壓器升壓至10kV，并采用10kV高壓電纜分別傳輸?shù)?9F （5# 變配電所），68F （7# 變配電所），97F （9# 變配電所），然