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发电机之容量选择
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发电机之容量选择
1引言
现代高层建筑中,选择柴油发电机组作为备用电源,已属司空见惯;关于其容量确定的理论文章,也屡见于报刊。
但在实际工程应用中,许多设计人员仍有茫然无序、颇费周折之感。
到底如何快而准地计算发电机容量,一直都是值得探讨的重要课题。
本文将着重以一段QBASIC电脑编程,较简便地解决这一问题。
2基本原理
2.1发电机容量首先要满足稳定计算负荷需要,这包括消防负荷和保证负荷两部分。
在民用建筑中,设置柴油发电机组,通常首先是作为消防用电设备的备用电源。
市电停电,即联锁开启发电机组。
但市电停电概率远大于火灾概率,开启机组并不就意味着火灾发生。
非消防时,开启的发电机组仅仅负担应急照明等小部分负荷,若对其他非消防的重要负荷(属三类负荷时的生活泵、客梯、裙房照明等,称为保证负荷)无法顾及,则必将造成机组空置、资源浪费。
为此,进行低压配电系统图设计时,在满足火灾时消防负荷需要的前提下,还必须考虑停电而非火灾时,发电机对保证负荷的供电。
一种做法是,将保证负荷集中挂接在发电机应急母线段上,消防时,由火灾信号将保证负荷的总开关分励脱扣。
总之,应分别计算消防负荷和保证负荷,以二者较大值作为确定发电机组容量的依据,从而同时满足消防部门及建设方的相应要求。
消防负荷如何正确计算应引起重视。
大中型民用建筑,往往由地下室、裙房及数个塔楼组成,包含了多个防火分区。
确定发电机容量、进行消防负荷计算时,显然不能盲目地将所有消防用电设备同时计入。
推荐的计算原则是,只考虑一个防火分区发生火灾(正如水消防一样),亦即,不认为两个及以上的防火分区同时发生火灾。
通常,消防泵作为固定负荷必须计入,而消防电梯、防排烟风机、应急照明等负荷计入多少,则要视其在某防火分区火灾时投入服务的负荷大小而定。
显然,确定发电机容量,应以最不利的一个防火分区发生火灾时,同时投入运行的消防负荷为准。
2.2柴油发电机组的容量大小,除要满足上述稳定计算负荷需要外,还必须进行电动机启动时的电压降校验,即启动任一电动机时,其端子容许电压降应在规定范围之内。
编程中,取值20%。
进行电压降校验及发电机组容量选择时,以下要素不可忽视。
a。
发电机母线上的已接负荷的影响。
也就是说,发电机母线上的启动负荷应该等于已接负荷与电动机启动容量之和,单单考虑电动机的启动容量是错误的。
具体工程实践中,这一点最容易被一些设计人员所忽略,许多文献对于已接负荷的影响,常常也避而不谈或是涉及较浅。
b。
发电机不同的励磁及调压方式,对机组容量选择也将产生重大影响。
c。
发电机至电动机之间配电线路电压降的影响。
亦即,发电机端子电压等于电动机端子电压与线路压降之和。
d。
许多文献认为,电动机应按容量大小而顺次启动,以此减小发电机容量。
但在国家标准图集和工程图纸中,这种电动机顺次启动的二次电路图又极少见到。
更何况,顺次启动也往往与一些消防控制要求相矛盾。
因此建议,减小发电机容量,不宜依靠电动机顺次启动这种方法。
e。
电动机启动容量达最大值是瞬间的,因此,可以不考虑两台及以上电动机的同时启动,对发电机造成冲击的问题。
3数学模型
(建立以下数学模型,仅以消防负荷计算为例。
为便于编程,多处进行了适当的简化和假设,不另说明。
)
发电机容量大小须满足稳定计算负荷需要
Pjs=Kc·Pe=Pe
Prg=K·Pjs=
式中:
Prg----待求发电机持续功率(kW)。
编程中考虑为单台机。
Pjs----消防设备稳定计算负荷(kW)。
Pe----建筑物内任一防火分区发生火灾时,最大可能开启消防设备之总安装功率(kW)。
为已知量,运行程序时直接键入。
编程中Pe≤800kW。
Kc----消防设备总需用系数,取Kc=1。
K----可靠系数,取K=。
发电机容量大小须满足电动机端子容许电压降
简化计算电路从略
发电机母线上的启动负荷等于已接负荷与单台电动机启动容量之和,即
Sqg=Sfh+Sq
此时,考虑最极端的情况,即认为除待启电动机外,其它负荷已全部投入,则有
Pfh+Prm=Pe,从而Sfh=Pfh/COSΦ’=(Pe-Prm)/COSΦ’
=(Pe-Prm)/=(Pe-Prm)
此外,Sq=1/[1/(kp·Sqm)+XL/(Urg2)]
Sqm=C·Srm=C·Prm/,XL=+S)·L/1000
电动机端子电压Uwm与发电机母线电压(Uwg)存在关联,即
Uwg=kp·Sqm·Uwm/Sq
如前所述,对于不同励磁及调压方式的发电机,其允许启动负荷亦不同,进而对机组容量选择产生影响。
若认为所选发电机带自动调整励磁装置,则对应于不同启动负荷相对值,发电机母线上稳态电压相对值满足表1:
表1
Sqg/Srg
Uwg
以表1数据拟合方程,则当Uwg=~时,近似存在:
Sqg/Srg=5Uwg2-11Uwg+
或Srg=Sqg/(5Uwg2-11Uwg+
而Prg=Srg·COSΦ==(5Uwg2-11Uwg+;又因上述推导均为临界值,故实际工程中取:
Prg≥(5Uwg2-11Uwg+
编程中以此作为发电机容量校验公式。
符号说明
Sqg----发电机启动时发电机母线上的起动负荷(kVA);
Srg----发电机的额定容量(kVA),为待求量;
Sq----电动机启动时,启动回路的额定输入容量(kVA);
Sfh----电动机启动时,发电机母线上已接负荷(kVA);
Urg----发电机的额定电压(kV),取Urg=;
Uwg----电动机启动时,发电机母线上的稳态电压相对值;
Uwm----电动机启动时,其端子上所要求的稳态电压相对值,程序中取Uwm=;
C----电动机全压启动之电流倍数。
程序中取C=7;
kp----电动机的启动系数,见表2:
表2
启动方式
全压启动
Y-△启动
自耦变压器65%抽头启动
kp
Sqm----电动机额定启动容量(kVA);
Srm----电动机额定容量(kVA);
Prm----电动机额定功率(kW)。
编程中,取Prm=,且0XL----电动机至发电机配线线路(铜芯)之阻抗(千欧);
L----电动机至发电机配线线路(铜芯)之长度(千米)。
编程中,0S----电动机至发电机配线线路(铜芯)之导线截面(mm2)。
编程中,S值按表3自动取值。
表3
015S≥(取等号,下同)
S=4
S=6
S=10
223037S=16
S=25
S=35
S=50
455590110S=70
S=95
S=120
S=185
4源程序及操作要点
4.1源程序
10PRINT
PRINT“*********备用柴油发电机组之容量校验及确定************”
PRINT
INPUT“1。
请输入:
最不利防火分区消防设备总安装功率Pe=千瓦”,Pe
IFPe>800THEN20
PRINT
INPUT“2。
请输入:
启动方式最不利之单台电动机有功功率Prm=千瓦”,Prm
IFPrm>150ORPrm<=0ORPePRINT
INPUT“3。
请输入:
启动方式最不利之单台电动机至发电机之配线长度L=米”,L
L=L/1000
IFL>OR0>LTHEN20
PRINT
PRINT“4。
(全压启动k=1;星三角k=2;自耦65%抽头k=3)”
PRINT“请输入:
启动方式最不利之单台电动机的启动方式k=”,k
IFk=1ORk=2ORk=3THEN30ELSE20
30PRINT
IFk=1THENkp=1
IFk=2THENkp=1/3
IFk=3THENkp=
IFPrm<=THEN
S=
ELSEIFPrm<=THENS=4
ELSEIFPrm<=15THENS=6
ELSEIFPrm<=THENS=10
ELSEIFPrm<=22THENS=16
ELSEIFPrm<=30THENS=25
ELSEIFPrm<=37THENS=35
ELSEIFPrm<=45THENS=50
ELSEIFPrm<=55THENS=70
ELSEIFPrm<=90THENS=95
ELSEIFPrm<=110THENS=120
ELSEIFPrm<=150THENS=185
ENDIF
GOTO40
20PRINT“输入数据超出范围!
!
!
请重新输入!
”
GOTO10
40Sfh=*(Pe-Prm)
XL=(+S)*L/1000
XU=XL/*
C=7
Sqm=C*Prm/
Sq=1/(1/(kp*Sqm)+XU)
Sqg=Sfh+Sq
Uwm=
Uwg=Uwm*(kp*Sqm)/Sq
Srg=Sqg/(5*Uwg*Uwg-11*Uwg+
Prg=Srg*
IFPrg<=*PeTHENPPrg=*PeELSEPPrg=Prg
PRINT
PRINT“————————————计算结果————————————”
PRINT“为满足启动条件,所选发电机持续功率不应小于”,Prg,“千瓦”
PRINT“为满足工程应用,实选发电机持续功率不应小于”,INT(PPrg+1),“千瓦”
PRINT“————————————————————————————”
END
4.2程序操作要点
a.在Windows的DOS环境下,运行,从而进入DOS中文平台;再运行,并把上述源程序输入到电脑中,存盘。
b.在QBASIC环境下,按F5键,则可运行程序、进行计算了。
从原始数据输入,到计算结果输出,前后一般不超过一分钟,非常简捷实用。
5简化的数学公式
在忽略电动机线路电压降影响之后(即XL=0),更简化的数学公式推导如下:
Sq=kp(C·Srm)=kp·C·Prm/=·Prm
而Sfh=(Pe-Prm),所以,
Sqg=Sfh+Sq=(Pe-Prm)+·Prm=+又因XL=0,故Uwg=Uwm=
所以,Srg=Sqg/(5Uwg2-11Uwg+
=Sqg/(5××+
=Sqg/
故有,Prg=
=
=[+全压启动时,kp=1,Prg=+;
⑵星三角启动时,kp=1/3,Prg=+;
⑶自耦65%抽头启动时,kp=,Prg=+;
稳定负荷计算中,Prg=,将此式与上述⑴、⑵、⑶式分别比较,并结合关系式Pe
≥Prm,可得出下面第~条重要结论。
6几点结论
6.1同时满足以下三种启动条件的任意工程(假设电动机启动方式仅限于全压、星三角、自耦三种),其发电机组容量为最小,且其值仅取决于稳定计算负荷的大小(即Prg=),无须再考虑启动负荷的影响,即无须用程序进行容许电压降的校验。
a。
当最不利防火分区消防设备总安装功率Pe,不小于某单台电动机功率Prm的11倍时,即Pe≥11Prm时,该单台电动机的启动方式不受限制,采用全压或降压启动均可。
b。
当11Prm>Pe≥时,该单台电动机应采用降压启动(星三角或自耦65%抽头启动)。
c。
当>Pe≥时,该单台电动机只应采用星三角启动。
6.2当>Pe时,必须用程序进行容许电压降的校验,且此时发电机组容量Prg>
。
6.3当Prm=Pe时(且允许压降为),很容易由前述简化数学公式得出表4:
表4不同启动方式下,发电机功率是被启电动机功率的最小倍数
启动方式
全压启动
Y-△启动
自耦变压器65%抽头启动
最小倍数
6.4若仅以启动容量最大的单台电动机来校验发电机容量,是不严密、不周全的,因为电动机启动容量不仅与其额定容量有联系,更与启动方式密切相关。
换言之,对于校验发电机容量而言,直接启动较小容量的电动机,可能比降压启动较大容量的电动机更为不利。
所以,计算时,应分别输入若干台影响较大的电动机的相关数据,择其最不利者,作为选定发电机容量的依据。
6.5为缩小发电机组容量、降低造价,条件允许时,较大容量的电动机尽量采用降压启动。
7计算实例
某二类高层商住楼,拟设一台容量最小的柴油发电机组,消防时作消防负荷备用电源,平时作保证负荷备用电源。
其中保证负荷计算值为250KW。
而其最不利防火分区被认定为地下室。
因为,若地下室火灾,则投入服务的消防设备总安装功率为最大,其值为285KW。
其中消防水泵共2台(距发电机10米,不计备用泵),每台45KW;消防风机共4台,功率分别为15KW、15KW、30KW、30KW,其它为应急照明等负荷105KW。
解题过程:
因285KW>250KW,故机组容量选择以消防负荷计算为准。
另根据上述第6。
1条结论,因285KW>11×15KW,故功率为15KW的消防风机可采用全压启动(降压启动当然亦可)。
又因11×45KW>285KW>×45KW,所以功率为45KW的消防水泵应采用自耦65%抽头启动或星三角启动(而不能采用全压启动)。
同理,功率为30KW的消防风机仍须采用降压启动。
此时,选定的柴油发电机组容量为最小,且无须用前述电脑编程来校验,其值为×285KW=342KW。
仍就上例而言。
假设45KW的消防水泵采用自耦65%抽头降压启动,而30KW的消防风机(距发电机10米)拟采用全压启动。
将消防水泵及消防风机的相关数据分别输入电脑程序,进行运算、校验。
可以发现,按消防水泵校验计算出的发电机持续功率为343kW,而按消防风机校验计算出的结果却达351kW。
所以,此时只有取351kW作为实选结果。
由此可看出,不遵循上述第6。
1条结论的,必将造成机组容量偏大;此外也证明,30kW消防风机的全压启动,比45kW消防水泵降压启动更为不利。
参考文献
·中国航空规划设计院等·工业与民用配电手册(第二版)·北京:
水利电力出版社,1994