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柴油發(fā)電機的機房設計 |
摘要：企業(yè)安全運行與電源系統(tǒng)有很大的關系，為了保證電源系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定，需要按照現(xiàn)行規(guī)范對供配電系統(tǒng)做認真規(guī)劃和設計，其中主要難題是后備柴油發(fā)電機的設計要點。高層建筑造價昂貴，特別是首層通常用于對外營業(yè)，屬黃金地帶，因此，機房一般都設在地下室。由于地下室出入不宜、自然通風條件不良，給機房設計帶來一系列不利因素，本文就高層建筑中在地下室安裝柴油發(fā)電機組的設置原則、機組選擇、機房設計等問題提出一些粗淺的認識。
一、設置原則
在高層建筑供電設計中，首先必須明確什么情況下應設置柴油發(fā)電機組，我們先從高層建筑的負荷等級談起。
1、高層建筑中的消防水泵、防排煙設施、消防電梯、應急照明等消防用電，按照《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB5004595）9.1.1條規(guī)定，一類高層建筑應按一級負荷要求供電，二類高層建筑應按二級負荷要求供電。
2、按《民用建筑電氣設計規(guī)范》（JBJ/T1692）3.1條規(guī)定，高層建筑中許多部位的負荷為一級負荷，如，一、二級旅館的宴會廳、娛樂廳、高級客房、廚房，重要辦公建筑的客梯電力、主要辦公室、會議室照明，大型百貨商店的營業(yè)廳照明；一級負荷中還含有特別重要負荷，如，重要的交通樞紐、通訊樞紐以及經常用于重要國際活動的大量人員集中的公共場所等為一級負荷。還有一些部位的負荷為二級負荷，如，百貨商店的自動扶梯、客梯電力，部、省級辦公建筑的主要辦公室、會議室照明等。一級負荷應由兩個電源供電；二級負荷當條件允許時也宜由兩個回路供電，特別是屬于消防用電的二級負荷，應按二級負荷的兩個回路要求供電。由此可見，高層建筑對供電的可靠性要求較高，考慮設置柴油發(fā)電機組的原則如下。
3、對電網能夠提供二個獨立電源的高層建筑，按規(guī)范已經滿足了一、二級負荷的要求，原則上可不設柴油發(fā)電機組。但是，對于特別重要的高層建筑（如，超高層建筑），其內部含有特別重要負荷，應考慮其一電源系統(tǒng)檢修或故障時，另一電源系統(tǒng)又發(fā)生故障的嚴重情況，此時，一般應設柴油發(fā)電機組作為應急電源。
4、對于當?shù)仉娋W只能提供一路電源；或取得第二電源有困難或不經濟合理的高層建筑，應設柴油發(fā)電機組提供第二電源。此時，柴油發(fā)電機組是作為備用電源使用，不僅僅是應急用。
5、按照我國旅游飯店星級標準，四星級及五星級賓館應設自備發(fā)電系統(tǒng)。以上是設置柴油發(fā)電機組的基本原則。值得一提的是，在國內外一些高層建筑中，即使市網供電相當可靠，可以滿足規(guī)范要求，但也都設置了自備應急發(fā)電機組，以便當市網萬一中斷供電，一方面能保證停電期間消防用電的需要，同時也能使大廈的基本秩序得以維持。
二、柴發(fā)型式選擇
柴油發(fā)電機組由柴油機、發(fā)電機、啟動電機彈性聯(lián)軸節(jié)及支撐底座組成。套發(fā)電機組放置在重型鋼架機座上， 全焊接結構， 可精確地校正和支撐引擎/交流發(fā)電機， 底座架上有吊機孔作運輸及安裝之用。在發(fā)電機組與公共底盤之間，根據(jù)發(fā)電機組的動、靜載荷選配適合的減震器， 大大減少機組工作的振動對周圍的傳遞。該減震器高頻波動率較小， 對瞬態(tài)沖擊響應及瞬時過載工況等引起的自振能迅速消失； 該減震器采用碗形上蓋， 三相剛度相等， 有防剪切性能。具有調壓精度高、動態(tài)性能好電壓波形畸變小、效率高、結構緊湊、維修方便、工作可靠、使用壽命長和經濟性能好等特點。
1、啟動方式
柴油發(fā)電機在啟動時，必須依靠外力驅動曲軸旋轉，當達到一定轉速時，氣缸內的空氣被壓縮到一定的壓力和溫度時，噴進氣缸的燃油開始燃燒，柴油發(fā)電機才開始正常地運轉起來。
當采用自動信號控制啟動電動機或控制壓縮空氣閥，并對潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)采取措施后，便可實現(xiàn)機組自啟動。在高層建筑中宜采用電啟動方式，避免采用壓縮空氣啟動方式。一類高層建筑中一定要選擇帶自啟動裝置的柴油發(fā)電機組，一旦市網供電中斷，必須在15S內供電（《高建規(guī)范》要求30ｓ）。二類高層建筑中有條件時，也宜采用帶自啟動裝置的機組，有困難時也可采用手動啟動裝置。
2、轉速
柴油發(fā)電機組按轉速分高、中、低三類。高速轉速≥1000轉/分鐘；中速轉速在300～1000轉/分鐘；低速轉速≤300轉/分鐘。在高層建筑中應選用轉速1000～1500轉/分鐘的高速機組。此種機組具有體積小、重量輕、運行可靠等優(yōu)點。
3、冷卻方式
柴油發(fā)電機在運行中由于柴油的燃燒產生高溫，為保證柴油發(fā)電機受熱機件及增壓器外殼等部分不受高溫的影響，并保證各工作面的潤滑，要在受熱部分進行冷卻。柴油發(fā)電機冷卻不良、機件溫度過高時，將會引起一些故障。柴油發(fā)電機機件也不能過度冷卻，機件溫度太低也會造成不良后果。
由此可見，冷卻系統(tǒng)的功用是從各受熱機件傳走部分熱量，使機件保持正常的工作溫度。柴油發(fā)電機的冷卻方式有水冷和風冷兩種。水冷方式即用水冷卻氣缸，風冷方式即用風冷卻氣缸。水冷機組中一種為封閉式自循環(huán)水冷卻機組，它是由散熱水箱、水泵、柴油發(fā)電機機體的水冷腔，再返回到散熱水箱，而散熱水箱是利用機組上的風扇進行冷卻的，另一種為開式循環(huán)冷卻機組。在高層建筑中，一般情況下應選擇閉式水循環(huán)冷卻的整體機組，此種機組所占面積和空間較小。
4、勵磁系統(tǒng)
勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機的主要組成部分。勵磁系統(tǒng)調節(jié)的主要任務是維持電壓處于一定水平、增加輸送功率和輸送距離、提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性等。勵磁裝置有很多種，高層建筑中一般選擇無刷自動勵磁裝置。采用此種勵磁方式的發(fā)電機組特點是：當與自動電壓調整裝置配套使用時，其穩(wěn)態(tài)電壓調整率可保證在±2.5％以內，這種類型機組能適應各種運行方式，易于實現(xiàn)機組自動化或對發(fā)電機組的遙控。
5、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，由火災信號將保證負荷的總開關分勵脫扣。總之，應分別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。
6、臺數(shù)
由于柴油發(fā)電機組是第二電源或第三電源，就不必為它再設“備用”，也就是說一個工程可以只設一臺。如果容量過大，可以設兩臺，這兩臺可并聯(lián)運行，并考慮可互為備用。柴油發(fā)電機組的單臺容量不宜大于1000KW。
三、機房設計
現(xiàn)代單機型柴發(fā)大部分采用隔音降噪機房，其柴油發(fā)電機房的平面和立面設計如圖1、圖2所示。
1、柴油發(fā)電機房的選址
考慮到柴油發(fā)電機組的進風、排風、排煙等情況，如果有條件時機房最好設在首層。但是，高層建筑造價昂貴，特別是首層通常用于對外營業(yè)，屬黃金地帶，因此，機房一般都設在地下室。由于地下室出入不宜、自然通風條件不良，給機房設計帶來一系列不利因素，設計中要注意處理好。機房選址時應注意以下幾點：
① 不應設在四周無外墻的房間，為熱風管道和排煙管道導出室外創(chuàng)造條件；
② 盡量避開建筑物的主入口、正立面等部位，以免排煙、排風對其造成影響；
③ 注意噪音對環(huán)境的影響；
④ 宜靠近建筑物的變電所，這樣便于接線，減少電能損耗，也便于運行管理。
2、通風
柴油發(fā)電機房的通風問題是機房設計中要特別注意解決的問題，特別是機房位于地下室時更要處理好，否則會直接影響柴油發(fā)電機發(fā)電機組的運行。機組的排風一般應設熱風管道，不宜讓柴油發(fā)電機散熱器把熱量散在機房內，再由排風機抽出。機房內要有足夠的新風補充。柴油發(fā)電機在運行時，機房的換氣量應等于或大于柴油發(fā)電機燃燒所需新風量與維持機房室溫所需新風量之和。維持室溫所需新風量由下式計算：
C=0.078PT
式中，C———需要的新風量（m³/S）；
P———柴油發(fā)電機額定功率（KW）；
T———機房溫升（℃）。
維持柴油發(fā)電機燃燒所需新風量可向機組廠家索取，若無資料時，可按每千瓦功率需要0.1m³/分鐘計算（柴油發(fā)電機功率按發(fā)電機主發(fā)電功率千瓦數(shù)的1.1倍配備）。柴油發(fā)電機房的通風一般采取排風設置熱風管道，進風為自然進風的方式。熱風管道與柴油發(fā)電機散熱器連在一起，其連接處用軟接頭，熱風管道應平直，如果要轉彎，轉彎半徑盡量大而且內部要平滑，出風口盡量靠近且正對散熱器。進風口與出風口宜分別布置在機組的兩端，以免形成氣流短路，影響散熱效果。機房的出風口、進風口的面積應滿足下式要求：
S1≥1.5ｓ
S2≥1.8ｓ
式中，S———柴油發(fā)電機散熱面積；
S1———出風口面積；
S2———進風口面積。
在寒冷地區(qū)應注意進風口、排風口平時對機房溫度的影響，以免機房溫度過低影響機組的啟動。風口與室外的連接處可設風門，平時處于關閉狀態(tài)，機組運行時能自動開啟。
3、排煙排煙系統(tǒng)的作用
主要為了將氣缸里的廢氣排放到室外。排煙系統(tǒng)應盡量減少背壓，因為，廢氣阻力的增加將會導致柴油發(fā)電機出力的下降及溫升的增加。排煙管敷設方式常用的有二種：
① 水平架空敷設
優(yōu)點是轉彎少、阻力小，缺點是增加室內散熱量，使機房溫度升高；
② 地溝內敷設
優(yōu)點是室內散熱量小，缺點是排煙管轉彎多，阻力相對較大。
在地下室常用的是水平架空敷設。排煙管應單獨引出，盡量減少彎頭。排煙溫度在350～550℃，為防止燙傷和減少輻射熱，排煙管道宜進行保溫處理。排煙噪聲在機組總噪聲中屬最強烈的一種，應設消音器以減少噪音。
4、基礎
基礎主要用于支撐柴油發(fā)電機組及底座的全部重量，底座位于基礎上，機組安裝在底座上，底座上一般都采取減震措施。在高層建筑中一般采用高速柴油發(fā)電機組，當機組安裝在樓板上即不在最底層時，都不采用重混凝土基礎，以免基礎過重而增加樓板荷重。當機組位于建筑物底層時，應按機組要求設置混凝土基礎。底角螺絲可預埋，也可以等機組到達后再用電鉆打孔安裝。
5、機房接地
柴油發(fā)電機房一般應用三種接地：
① 工作接地：發(fā)電機中性點接地；
② 保護接地：電氣設備正常不帶電的金屬外殼接地；
③ 防靜電接地：燃油系統(tǒng)的設備及管道接地。各種接地可與高層建筑的其它接地共用接地裝置，即采用聯(lián)合接地方式。
6、供油系統(tǒng)設計
（1）為滿足柴油發(fā)電機組運行的用油要求， 根據(jù)GB 50174 - 2014、GB 50016 - 2014等規(guī)范要求， 本示例工程在柴油發(fā)電機房內每臺機組均單獨設有日用油箱間， 日用油箱間內儲存有1m2的日用燃油。結合日用油箱間， 還在地下一層設置油泵供油系統(tǒng)， 在室外設置儲油罐， 通過油泵系統(tǒng)自動供油， 滿足柴油發(fā)電機組運行時間不小于72 h 的用油要求。
（2）各個日用油箱上均設有液位控制儀， 當日用油箱內的油處于低液位時， 油泵啟動， 將埋在室外儲油罐內的柴油輸入日用油箱內； 反之，當日用油箱內的油處于高液位的時候， 供油泵自動關閉。當油位超過設置液位范圍時，報警器自動報警。當油位超過超高液位、柴油發(fā)電機發(fā)生故障或火災自動報警系統(tǒng)報警時，排油電磁閥啟動，將油排至室外儲油罐。日用油箱的油直接供柴油發(fā)電機使用，柴油發(fā)電機的回油，回到日用油箱繼續(xù)使用，日用油箱底部的排油管和溢油管接入溢油桶，溢油桶安裝液位顯示，當液位處于高位時，經手搖泵輸入日用油箱繼續(xù)使用。
（3）燃油的儲量
機房內需設置3～8h的日用油箱，其容積可按下式計算：
V=G•γ•A•T
式中，V—日用油箱容積（m³）；
G—柴油發(fā)電機燃油消耗量（kg／h）由樣本查出；
γ—燃油重度（kg／m³），輕柴油為810～860kg／m³；
A—油箱充滿系數(shù)，一般取0.90；
T—供油時間，一般取3～8h。
當機房設在高層建筑內時，日用油箱應設專用房間，用防火墻與柴油發(fā)電機隔開。
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圖1 發(fā)電機房平面設計圖 |
圖2 發(fā)電機房立面布置圖 |
總結：
上述內容主要適用0.4KV低壓柴油發(fā)電機組，但是與高壓發(fā)電機組安裝設計是完全不匹配的。因為高壓柴油發(fā)電機組除了機房環(huán)境要求和空間面積更加嚴格外，其配電系統(tǒng)也是完全不同的，主要是由高壓進線柜、出線柜、PT柜和接地電阻柜等組成，用電負荷等級均相對較高。因此，對其主、備用電源的供電可靠性要求相當嚴格，與之配套的柴油發(fā)電機房設計請與供應商咨詢。
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