超高層建筑柴油發(fā)電機方案設計

1、超高層建筑柴油發(fā)電機方案設計摘 要 對于現(xiàn)代超高層建筑而言，應急備用電源無疑是消防設備、計算機中樞、安保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠保障，而柴油發(fā)電機在此則是飾演著其中一個不可或缺的重要角色。關鍵詞 超高層建筑；柴油發(fā)電機組；電壓降；用油量1 項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 個區(qū)域，另外還設有兩個空中大廳。作為深圳市中心重要的商業(yè)地標，它將云集全球熱門商業(yè)公司及國內(nèi)知名企業(yè)。項

2、目定位之高度，以及業(yè)主對于商業(yè)價值的意念，都決定了其對配電系統(tǒng)的安全性、可靠性、靈活性和經(jīng)濟性的要求都是非常高的，而對于現(xiàn)代超高層建筑而言，應急備用電源無疑是消防設備、計算機中樞、安保系統(tǒng)等核心負荷穩(wěn)定運行的可靠保障，而柴油發(fā)電機則是在其中飾演著重要角色。2 應急柴油發(fā)電機的選擇依據(jù)及供電范圍根據(jù) 供配電系統(tǒng)設計規(guī)范 （GB50052- 1995）， 高層民用建筑設計防火規(guī)范 （GB50045- 1995） （2005 年版） 及 民用建筑電氣設計規(guī)范 （JGJ16- 2008） 中對電力負荷等級的規(guī)定，“一級負荷應由兩個電源供電；當一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不應同時受到損壞?！薄耙患壺摵?/p>

3、中特別重要的負荷，除由兩個電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統(tǒng)?！币韵聻楸卷椖康囊患壺摵?（其中包含特別重要負荷）：1） 本項目中的消防用電一級負荷：消防水泵，消防風機，消防電梯，火災疏散電梯，火災自動報警系統(tǒng)，漏電火災報警系統(tǒng)，自動滅火系統(tǒng)，電動防火卷簾 （門、閥），應急照明，避難層照明等。2） 本項目中的非消防用電一級負荷：安防系統(tǒng)，重要弱電機房，大廈調(diào)度中心，物業(yè)管理系統(tǒng)，通訊設施，航空障礙燈，地下室潛污泵，生活水泵，擦窗機，部分區(qū)域的公共照明，部分客梯，部分新風系統(tǒng)等設備用電。3） 本項目中的重要商戶保障用電：金融機構(gòu)、交易所電子設備，商業(yè)、辦公的必保負荷，如

4、珠寶展示區(qū)安保照明，貴賓房照明，多功能廳設備，業(yè)務電腦，后備空調(diào)機組等。本項目為地標性的超高層建筑，除了必須保證消防設備的可靠供電，還需要充分考慮對大廈的眾多特別重要負荷的運行保證，如安保系統(tǒng)用電，智能化系統(tǒng)設備，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，單獨設置作為應急的第三電源，對于保障大廈的安全、穩(wěn)定運營是很有必要的。規(guī)范中指出，可以作為應急電源的有：1） 供電網(wǎng)絡中獨立于正常電源的專用饋電線路；2） 獨立于正常電源的發(fā)電機組；3） 蓄電池。對于上述1） 中的獨立專用饋電線路，一般須由當?shù)毓╇娋指鶕?jù)項目情況審批并由業(yè)主全額投資，而在正常電源出現(xiàn)故障時，需要手動切換至該獨立電

5、源，操作上的技術(shù)要求較高，因為目前供電部門一般不允許用戶在高壓側(cè)使用自動投切。對于上述3） 中的蓄電池，目前較為普遍的是采用帶蓄電池的應急電源設備 （EPS）。這種方式適合于允許中斷供電時間為毫秒級的供電對象。但其缺點很明顯：投資大，運行維護成本高，尤其是蓄電池需要定時檢查和更換，因此不適合用于大功率設備 （10kW 以上）。故此，應用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組，是目前超高層建筑解決應急電源的最常用方案。其優(yōu)點比較明顯：可以在較短時間內(nèi)自啟動并且自動投入到供電母線，運行穩(wěn)定可靠，供電時間可滿足現(xiàn)時大多數(shù)的市電停電時長，投資相對合理，維護管理方便。3 項目本身對于柴油發(fā)電機房的限制因素考慮到本

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

7、器的總安裝容量之 20% 考慮，即 56400×20%=11280kVA，選用六臺連續(xù)容量為2000kVA的低壓柴油發(fā)電機組。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)方面的各項不定因素，不在本次設計范圍內(nèi)，僅在地下二層預留兩至三個備用發(fā)電機位置，并在電氣豎井中預留電纜走向通道。根據(jù)業(yè)主的商業(yè)顧問提供的開發(fā)建議書“應為業(yè)主與租客基本的發(fā)電機提供24 小時貯油”。單臺2000kVA的柴油機組帶100%負荷時的耗油量約為420L/h （實際運行不會大于此值），則六臺機組連續(xù)24小時額定工作時的耗油總量應為6×24×420/1000=60.5 立方。若按照

8、0.85 的油量充滿系數(shù)計算，則需要的儲油罐總?cè)莘e為60.5/0.85=71立方。結(jié)合本項目的具體情況，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 項目柴油發(fā)電機形式的選擇5.1 機組設計的考慮要點與市電供電回路不同，應急柴油機供電回路由于其只作為市電故障時的臨時保障方式，使用的機會和頻率相對于常規(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；相反，若純粹為補救這些微小的線路損耗而增大線路截面，實際上是與經(jīng)濟、環(huán)保設計背道而馳。對于柴油發(fā)電機組的設計，除了安全性、可靠性、初期投資、后期維護等這些基本要素外，更是結(jié)合項目本身的特點作針對性的分析。經(jīng)初步計算，供電半

9、徑小于150 米的低壓配電線路，根據(jù)計算電流配合選擇電纜截面，則其干線末端電壓降不會大于2%，不僅符合國家規(guī)范規(guī)定值，更是滿足LEED 認證體系ASHRAE標準當中關于對電壓降的要求（.1 條文規(guī)定“支流導線粗細應適用于設計荷載2%的最大電壓下降”。本項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，成為本設計的重要關注點。5.2 干線電壓降分析經(jīng)初步計算，若從地下二層發(fā)電機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，干線的電壓降達到了4.4%，至塔樓屋頂 （干線段長度約為6

10、50 米） 則達到了8.8%；若對應計算電流將電纜截面加大一級，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，上述的電壓降值也分別達到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，對于如此長度的電纜，是很難有效實現(xiàn)的。而當采用10kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜作為干線時，我們發(fā)現(xiàn)上述的兩個電壓降值僅為0.2%和0.4%。很明顯，采用高壓傳輸時，線路電壓損失得到了很好的抑制。對此，柴油發(fā)電機組的形式可以從以下幾個方案的作可行性分析。5.3 機組形式的選擇方案方案一，集中設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)點是系統(tǒng)簡單，初期投資低，安裝、環(huán)保、供油、維護管理等各方面都相對方便。然而對與本項目而言，長距離的低壓傳輸，電壓降顯然無法滿足要求。方案二，機組分散設置于地下二層和塔樓的幾個設備層，采用380V低壓線路短程直供。優(yōu)點是由于機組盡量分別靠近各區(qū)負荷中心，供電距離較小，可有效的降低線路電壓降；但其缺點也很明顯，塔樓設備層能夠提供的運輸、安裝、維護、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)電機通過升、降壓傳輸?shù)姆绞?，也就是低壓柴油發(fā)電機組設置于地下二層，出口400V電壓經(jīng)過機組設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備層，經(jīng)過專用

12、變壓器降壓至400V，向各負荷區(qū)供電。其優(yōu)點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，機組集中在地下室設置，便于消防控制、運輸、安裝、供油及管理。缺點就是需要增加高壓變壓設備、線路，對塔樓設備房的面積要求會更高。方案四，10kV（6kV） 高壓柴油發(fā)電機組設置于地下二層，出口端直接通過10kV高壓電纜分別傳輸?shù)剿巧系娜舾稍O備層，再由專用變壓器降壓至400V，向各負荷區(qū)供電。其優(yōu)點和方案三相似，缺點是高壓機組本身成本就比相同容量低壓機組高很多 （一般為 30% 50%），而且高壓機組的保護比較復雜，國內(nèi)可選擇的廠商相對少很多，在國內(nèi)民用建筑的應用案例也極少，使用、維護的成熟度不高。

13、5.4 項目方案的構(gòu)成從以上幾個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)電機組的形式，所以，下述兩種形式的組合，可以構(gòu)成本項目柴油發(fā)電機的設計方案：1） 對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)電機組的方式，可以滿足電壓降要求，同時亦可節(jié)省一部分高壓投資。2） 對于低壓配電供電半徑不大于150 米的部分，我們以同一進口品牌2000kVA的柴油機為例去作投資比較：方案一為一臺10kV的高壓機組+ 一臺 2000kVA 的 10/0.4kV降壓變壓器；方案二則為一臺400V 的低壓機組+ 一臺 2000kVA 的 0.4/10kV 升壓變壓器+ 兩臺10kV高壓開關

14、柜+ 一臺2000kVA的10/0.4kV降壓變壓器。從設備投資而言，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，故不作對比）。后者的投資相對更低，據(jù)了解，目前國內(nèi)應用于民用建筑的10kV柴油發(fā)電機案例很少，加上能夠提供該電壓等級產(chǎn)品技術(shù)的柴油機廠家也相對較少，而且，高壓柴油機的日常維護對于操作人員的技術(shù)能力要求更高，其優(yōu)缺點不言而喻。由附表1 可以看出，柴油發(fā)電機房選址可緊密結(jié)合變配電所的位置考慮。本項目將低壓柴油發(fā)電機組集中設置在地下二層，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