柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算公式的對比分析

逯 霞, 胡世秋

(1.中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京 100120;2.遼寧北方華錦五洲化工工程設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 盤錦 124100)

0 引 言

柴油發(fā)電機(jī)組作為建筑電氣的主要備用電源之一,由于其能量供給的獨(dú)立性,可以作為市電的備用電源,不受市電故障的影響,只要具有柴油供應(yīng)即可可靠地輸出電能。但是關(guān)于其容量的計(jì)算,在不同的參考資料中給出的計(jì)算公式不盡相同。本文結(jié)合工程實(shí)際,對比分析了柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算公式。

1 柴油發(fā)電機(jī)組選擇的原則

工程中柴油發(fā)電機(jī)組所接負(fù)荷不相同,本文對柴油發(fā)電機(jī)組通常所接的風(fēng)機(jī)、水泵、照明等進(jìn)行介紹,對于特殊的設(shè)備,如電梯、自動(dòng)扶梯、吊車等需要根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

柴油發(fā)電機(jī)組選擇的一般原則如下。

(1)柴油發(fā)電機(jī)組的容量應(yīng)根據(jù)所接負(fù)荷性質(zhì)、負(fù)荷大小、投切順序、電動(dòng)機(jī)最大起動(dòng)容量、允許電壓降等因素綜合考慮。

(2)柴油發(fā)電機(jī)組的長期允許容量應(yīng)能滿足機(jī)組安全停機(jī)最低限度連續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷需要。

(3)用成組起動(dòng)或自起動(dòng)時(shí)的最大功率校驗(yàn)發(fā)電機(jī)的短時(shí)過載能力。

(4)事故保安負(fù)荷中的短時(shí)不連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷在計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的容量時(shí)不予考慮。僅在校驗(yàn)機(jī)組過載能力時(shí)需要計(jì)入。

(5)機(jī)組容量要滿足電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)時(shí)母線最低電壓不得低于額定電壓的20%(一般情況下);在特殊情況下根據(jù)負(fù)荷要求確定。

本文只針對柴油發(fā)電機(jī)組的容量計(jì)算進(jìn)行討論,柴油發(fā)電機(jī)組的形式、容量修正系數(shù)等其他的技術(shù)參數(shù)不在討論范圍。

在施工圖設(shè)計(jì)階段需要準(zhǔn)確地計(jì)算出柴油發(fā)電機(jī)組容量,如果柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇較小,可能會(huì)對備用電源系統(tǒng)的可靠供電帶來隱患;柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇過大,直接造成建筑面積及設(shè)備的浪費(fèi),增加成本。準(zhǔn)確的容量計(jì)算才能選出合適的柴油發(fā)電機(jī)組容量。

2 柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算公式

文獻(xiàn)[1-5]中分別給出了柴油發(fā)電機(jī)組容量的計(jì)算公式(相關(guān)公式及符號說明見參考文獻(xiàn))。仔細(xì)分析各個(gè)計(jì)算公式,計(jì)算的原理大相徑庭,基本上可以分為:按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量;按最大的單臺電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量;按起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí),發(fā)電機(jī)母線允許電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量。

文獻(xiàn)[4-5]的計(jì)算公式原理一樣,需要先選擇柴油發(fā)電機(jī)組,再根據(jù)相關(guān)參數(shù)校驗(yàn)電壓降。其他公式均是在規(guī)定電壓降(如20%)的情況下計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量。由于各個(gè)文獻(xiàn)中給定的系數(shù)不同,符號定義各異,計(jì)算結(jié)果差異較大。本文以工程實(shí)際案例為例,對上述計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算及分析

某工程(海拔高度不大于1 000 m)擬設(shè)置1臺柴油發(fā)電機(jī)組作為消防用電設(shè)備的備用電源,負(fù)荷情況如下:消防泵90 kW 2臺,一用一備,自噴泵55 kW 2臺,一用一備,消防風(fēng)機(jī)120 kW,其他消防負(fù)荷合計(jì)10 kW。總負(fù)荷275 kW,所接負(fù)荷的綜合效率為0.8,電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)為0.8,起動(dòng)功率因數(shù)為0.4,直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流倍數(shù)為7,星三角起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流倍數(shù)為2.3,考慮消防用電負(fù)荷率取1。消防狀態(tài)市電失電,電動(dòng)機(jī)回路失電,柴油發(fā)電機(jī)組自起動(dòng)達(dá)到電源輸出要求,雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)備用自動(dòng)投入,電動(dòng)機(jī)回路再次接收起動(dòng)信號。故存在消防泵、自噴泵同時(shí)起動(dòng)的可能。

3.1 按照文獻(xiàn)[1]計(jì)算

文獻(xiàn)[1]中的系數(shù)取值,存在下列問題:

(1)Pm定義為最大的單臺電動(dòng)機(jī)容量,應(yīng)該為最大的單臺電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)容量。在計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮成組最大同時(shí)起動(dòng)的問題,不能單一考慮最大的單臺電動(dòng)機(jī)容量。

(2)SG3的單位定義為kVA,量綱不正確,應(yīng)該為kW。

(3)Pn定義為電動(dòng)機(jī)總?cè)萘?應(yīng)為同時(shí)起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量。

① 按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量。

(1)

其中α為負(fù)荷率,取1.0。

② 按最大的單臺電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量。最大的電動(dòng)機(jī)組90 kW+55 kW采用直接起動(dòng)時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組容量為

699 kVA

(2)

最大的電動(dòng)機(jī)組90 kW+55 kW采用星三角起動(dòng)時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組容量

359 kVA

按照此式計(jì)算時(shí),電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量乘以起動(dòng)功率因數(shù),故計(jì)算結(jié)果偏小。

③ 按起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組母線允許電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量。

按照公式符號說明,Pn為電動(dòng)機(jī)總?cè)萘?本例中電動(dòng)機(jī)總?cè)萘繎?yīng)取265 kW,則計(jì)算的柴油發(fā)電機(jī)組容量為

(3)

Pn為同時(shí)起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量,本例為145 kW,SG3=1 015 kW。

按照消火栓泵、自噴泵采用星三角起動(dòng)計(jì)算的柴油發(fā)電機(jī)組容量為338 kW。

3.2 按照文獻(xiàn)[2]計(jì)算

考慮文獻(xiàn)[2]的計(jì)算公式與考文獻(xiàn)[1]的計(jì)算公式出入較小,但由于系數(shù)的取值不一,故計(jì)算結(jié)果存在少許的差異。

(1)按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量。公式中未計(jì)入負(fù)荷率,負(fù)荷率越小計(jì)算所得的發(fā)電機(jī)容量偏差越大。設(shè)計(jì)在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷類型及使用情況計(jì)入負(fù)荷率。

(4)

(2)按尖峰負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量

1 621 kVA

(5)

按照消火栓泵、自噴泵采用星三角起動(dòng)計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量為605 kVA。

由于公式中未明確最大單臺電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)起動(dòng)容量Sm計(jì)算式,如果采用起動(dòng)有功功率除以起動(dòng)功率因素計(jì)算,則計(jì)算結(jié)果偏大。

(3)按柴油發(fā)電機(jī)組母線允許電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量。文獻(xiàn)[2]的計(jì)算公式與考文獻(xiàn)[1]比較可知,發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)電抗X′d取為0.2;SstΔ為導(dǎo)致發(fā)電機(jī)最大電壓降的電動(dòng)機(jī)的最大起動(dòng)容量,也證明了GB 51348—2019的相關(guān)公式中Pn的解釋不正確。

0.8×1015/0.4=2 030 kVA

(6)

按照消火栓泵、自噴泵采用星三角起動(dòng)計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量為677 kVA。

此公式和文獻(xiàn)[1]的公式比較,文獻(xiàn)[1]中計(jì)算的是有功功率,本式計(jì)算的是視在功率,由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)功率因素很低,為0.4,從而計(jì)算結(jié)果相差較大。文獻(xiàn)[1]的公式更加合理,電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)功率因素很低,但此時(shí)的有功功率不能夠達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定功率。

3.3 按照文獻(xiàn)[3]計(jì)算

(1)按全部負(fù)荷正常工作時(shí)計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量為

PG1=

402 kVA

(7)

式(7)存在的問題:

① 符號表示和國家標(biāo)準(zhǔn)不一致,P表示視在功率,應(yīng)該為S;

② 需用系數(shù)Kd應(yīng)該理解負(fù)荷率;

③ 事故照明負(fù)荷計(jì)算時(shí)未計(jì)入相應(yīng)的Ker。

(2)大容量負(fù)荷起動(dòng)或自起動(dòng)時(shí)應(yīng)符合柴油發(fā)電機(jī)組的過負(fù)荷能力:

PG2=

1 533 kVA

(8)

按照消火栓泵、自噴泵采用星三角起動(dòng)計(jì)算的柴油發(fā)電機(jī)組容量為608 kVA。

(3)按大容量負(fù)荷起動(dòng)時(shí)允許電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量為

(9)

按照消火栓泵、自噴泵采用星三角起動(dòng)計(jì)算的柴油發(fā)電機(jī)組容量為376 kVA。

(4)按原動(dòng)機(jī)有過負(fù)荷能力的發(fā)電機(jī)計(jì)算容量為

(10)

按照消火栓泵、自噴泵采用星三角起動(dòng)計(jì)算的柴油發(fā)電機(jī)組容量為361 kVA。

3.4 按照文獻(xiàn)[4]計(jì)算

文獻(xiàn)[4]的柴油發(fā)電機(jī)組容量的計(jì)算公式引自文獻(xiàn)[5]。文獻(xiàn)[5]在2018年3月改為《電力工程設(shè)計(jì)手冊火力發(fā)電廠電氣一次設(shè)計(jì)》出版,柴油發(fā)電機(jī)組的計(jì)算公式已經(jīng)修改,故不推薦使用。

3.5 計(jì)算結(jié)果比較分析

消火栓泵、自噴泵電動(dòng)機(jī)同時(shí)起動(dòng)計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量如表1所示,考慮最不利情況下消火栓泵、自噴泵同時(shí)起動(dòng);消火栓泵、自噴泵電動(dòng)機(jī)同時(shí)星三角起動(dòng)計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量如表2所示。考慮最不利情況下消火栓泵、自噴泵同時(shí)起動(dòng),起動(dòng)方式由表1的直接起動(dòng)改為星三角起動(dòng)[6]。

表1 消火栓泵、自噴泵電動(dòng)機(jī)同時(shí)起動(dòng)計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量

表2 消火栓泵、自噴泵電動(dòng)機(jī)同時(shí)星三角起動(dòng)計(jì)算的發(fā)電機(jī)容量

4 問題討論及總結(jié)

(1)第3.1節(jié)、第3.2節(jié)、第3.3節(jié)的結(jié)果相差不大原因是α取1,負(fù)荷率越小,計(jì)算結(jié)果偏差越大。第3.2節(jié)的SG1未計(jì)入負(fù)荷率,公式不合理,建議設(shè)計(jì)采用時(shí)根據(jù)負(fù)荷情況計(jì)入負(fù)荷率。

設(shè)計(jì)人員在選擇按穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量時(shí)均應(yīng)計(jì)入負(fù)荷率。

(2)按電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組容量時(shí),應(yīng)為最大單臺或最大成組起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)有功功率,非視在功率,計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的有功功率。第3.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果較為保守,原因是求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)容量時(shí)計(jì)入的起動(dòng)功率因素0.4,計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的視在功率。

(3)從計(jì)算結(jié)果可見,本例中的消防泵和自噴泵采用直接起動(dòng)不合理。

(4)文獻(xiàn)[4-5]的計(jì)算公式在建筑電氣設(shè)計(jì)中不推薦使用。

(5)計(jì)算涉及基礎(chǔ)原理,建議相關(guān)編制單位應(yīng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),減少工程誤差。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合工程實(shí)際,對比分析了柴油發(fā)電機(jī)組容量計(jì)算公式,可為電氣設(shè)計(jì)人員提供參考。