新聞主題	柴油發電機組選型原則、設置要求和容量計算

 

摘要∶柴油發電機組的功率選擇一直是困擾發電設備購買者的難題，買大了經濟不劃算造成了資金浪費，買小了帶不起負載更是得不償失。因此，如何抉擇適合自己用電需求的供電裝置成了購置前必須研究的課題。特別是對于第一次購買發電機組的用戶，在選購發電機組上有什么標準或者說基礎配置是不清楚的，現在我們就拿柴油發電機組來說，它的選購標準包含了外觀要求、絕緣電阻和絕緣強度、相序要求、柴油發電機維持準備運行狀態要求、自動啟動供電和自動停機的可靠性檢查、自動啟動成功率等方面的標準?？得魉构就ㄟ^分析數據中心用電負荷的特點及柴油發電機組功率特性以及相關規范的研究，提出了數據中心柴油發電機組選型原則、功率確定方法以及計算公式。

 

一、柴發的容量確定

 

      針對數據中心的柴油發電機組應用特點，康明斯公司可以從設計階段開始，就做出針對性的安排，以在經濟合理的前提下，最大程度地提高其可靠性。圖1是數據中心室內機型應用案例，圖2是數據中心室外靜音機型應用案例。

1、柴發額定容量的選確定

（1）綜合考慮因素

      在選購柴油發電機組時應充分考慮柴油發電機組的綜合性能和經濟指標，供應商的敬業精神、地理位置和實際專業程度，供應商是否具備售后服務手段，如搶修車、專用機具等。然后再考慮所選發電機組功率與用電負荷功率是否匹配。

（2）向供應商咨詢

      一般以柴油發電機組額定功率ｘ0.8=用電設備功率來選定發電機組功率為好。若有大中型電動機則還需考慮 2~5倍的起動電流。若發電機組主要用于對UPS充電，則必須根據UPS的實際情況作一次專業咨詢，然后再決定發電機額定功率。

（3）按實際用電需求

      按柴油發電機組長期持續運行輸出功率能滿足全工程大計算負荷選擇，并應根據負荷的重要性確定發電機組備用發電機組容量。柴油機持續進行的輸出功率，一般為標定功率的0.9倍。

（4）功率不夠數量來湊

      常用柴油發電機組臺數的設置通常為2臺以上，以保證供電的連續性及適應用電負荷曲線的變化。發電機組臺數多，才可以根據用電負荷的變化確定投入發電機組的進行臺數，使柴油機經常是在經濟負荷下運行，以減少燃油消耗率，降低發電成本。柴油機的佳經濟運行狀態是在標定功率的75%-90%之間。為保證供電的連續性，常用發電機組本身應考慮設置備用發電機組，當進行發電機組故障檢修或停機檢查時，使發電機組仍然能夠滿足對重要用電負荷不間斷地持續供電。

2、功率計算方式

      最基本的方法就是計算全部應急負荷的容量，公式如下：

SYJ=√(PSZ/ηSZ+∑PM/ηM×K)2+(PSZ/ηSZ×tgφSZ+∑PM/ηM×tgφM×K)2

式中：SYJ——按所供全部應急負荷計算的發電機容量，kVA；

PSZ——事故照明負荷，kW；

ηSZ——事故照明負荷的效率；

tgφSZ——事故照明負荷功率因數角的正切值；

PM——電動機的額定容量，kW；

ηM——.電動機的額定效率，通?？梢匀?.8~0.9，或由產品樣本中查得；

tgφM——電動機功率因數角的正切值；

K——需要系數，在數據中心機房應急情況下取1。

 

圖1  數據中心室內機型應用案例

圖2  數據中心室外靜音機型應用案例

 

二、諧波和容性負載對柴發的影響

 

      柴油發電機組所帶負載中，如果非線性負載小于其額定功率的25%時，可以不必特別考慮其影響。而內以數據中心內以UPS為主的非線性負載，已經占到了發電機組額定功率的40%甚至更高，因此在設計柴油發電機組時，必須充分考慮UPS的因素。UPS對柴油發電機組的影響主要體現在兩方面∶

1、諧波

      盡管現在的UPS在引入了輸入濾波器后，已經很大程度上控制了諧波電流，但是在發電機組供電時，因其容量遠小于市電，相對而言存在比較大的內阻，當UPS整流器的諧波電流注入到同步發電機定于繞組中時，會使交流輸出電壓產生畸變。這種畸變嚴重時就可能影響發電機組本身，如調壓系統和/或控制系統的正常工作、定子線圈的過熱等，也可能影響其后續設備如UPS的正常工作。解決方案除了選用輸入諧波電流小的UPS（如12脈沖整流或高頻整流）外，在發電機組的選擇上，可采取的相應措施包括∶

① 勵磁系統選用

      發電機勵磁系統采用永磁勵磁，以保證調壓器供電的穩定。采用永磁勵磁，保證了調壓器的電源與發電機負載無關，可以有效地避免因諧波電流對主磁場的擾動而對調壓器的電源供應產生的不利影響。

② 調壓器選用

      調壓器必須采用三相均方根（RMS）檢測輸出電壓，必要時檢測回路加隔離變壓器或低通濾波器。由于諧波電流的存在，很顯然單相檢測可能導致調壓器誤調節。均方根（RMS）值也叫有效值，采用RMS檢測，能有效地反應出總電流的發熱能力，比其他檢測方式如平均值等檢測，能更準確地體現實際電流的效果。

③ 增大發電機容量

      這是一種目前廣泛采用的行之有效的解決發電機組與UPS兼容問題的方法。增大容量的實質，是通過降低發電機的內阻，從而弱化諧波電流的不利影響。注意由于負載的有功功率并不增大，因此柴柴發功率并不需要放大，而僅選用較大容量的發電機，即俗稱的“小馬拉大車”方式。

2、容性輸入特性

      隨著輸入濾波器的應用，UPS輸入功率因數提高，輸入諧波電流失真度（THDI）降低，這是一個很好的改進。但是，這種UPS在空載或輕載的時候，輸入特性呈容性，且功率因數非常低，甚至接近于理想的容性負載，此時發電機組的運行可能會產生問題。

      盡管這種因UPS空載或低載時的容性特性而產生的問題并不必然發生，在設計時仍應盡可能的避免這種情況的發生。首先是在UPS的容量及使用方式選擇上，應盡量避免使其工作在空載或低載狀態；其次，在發電機組投入使用時，應考慮優先投入感性負載，如空調等，由于UPS可由蓄電池維持一段時間，這一點并不難做到。

 

三、柴發選型要求和原則

 

1、基本功能性要求

（1）接自控或遙控的啟動指令后，柴油發電應能自動啟動

（2）發電機組自動啟動后第3次失敗時，應發出啟動失敗信號，設有備用發電機組時，程序啟動系統應能自動地將啟動指令傳遞給另一臺備用發電機組。

（3）從自動啟動指令發出至向負載供電的時間應不超過3min。

（4）柴油發電機自動啟動成功后，首次加載量應不低于50%標定負載。

（5）接自控或遙控的停機指令后，發電機組應自動停機，對于市電電網并用的備用發電機組，當電網恢復正常后，柴油發電機應能自動切換或自動停機，其停機方式停機延遲時間應符合產品技術條件規定。

2、選型原則

（1）安裝現場的環境溫度、濕度和海拔高度，當使用環境的溫濕度和海拔高度超過發電機的額定值時，發電機需要降容使用；

（2）柴油發電機供電負荷總容量。需要所有柴油發電機供電負荷的容量，包括裝機容量，負荷系數，功率因數。電動機負荷還要給出臺數、效率、起動電流倍數等參數；

（3）起動順序：

① 按照負荷的重要性分出起動的先后順序；

② 按照負荷大小及起動電流大小，同樣重要的電動機容量大、起動電流大的優先。

3、可選件的配置

      柴油發電機的配套件除供應商所提供的外，還有一些是選購件，如燃油箱、市電充電器、燃油輸油管等。懂得如何去選購這些附加件是十分必要的。

（1）發電機組燃油箱的儲油量應能提供發電機組滿負荷連續運行8小時以上，盡量避免在發電機組運行時往油箱里加油。

（2）市電充電器應選用帶浮充的專用充電器，以保證電瓶隨時可帶動發電機組運行。

（3）冷卻液盡量選用防銹、防凍、防沸液。

（4）必須使用CD級以上的柴油機專用機油。

（5）市電切換開關分手動和自動（簡稱ATS）兩種。若你的柴油發電機作為備有電源使用，則必須在電源的輸入點裝置市電切換開關。嚴禁依靠臨時接線的辦法及記憶操作的辦法向負荷輸入自備電源。因為一旦發生自備電源擅自并網（簡稱倒送電），則會造成人員傷亡、設備毀壞的嚴重后果。切換開關的安裝正確與否，要得到當地供電部門的檢查認可，方可投入使用。

 

四、柴發設計的注意事項

 

1、集裝箱式柴發的注意事項

      集裝箱柴油發電機組基本結構如圖3所示。在確定了柴油發電機組容量、數量、運行方式、技術要求等因素后，在設計階段，還應注意以下幾個問題。

（1）集裝箱式數據中心一般采用靜音箱式柴發，應考慮采用靜音箱對柴發運行容量的影響，一般要求不得超過柴發額定容量的5%

（2）發電機組應能實現全自動運行，即市電故障后自動起動，自動投入，市電恢復后自動退出。發電機組的控制器應具備RS232/485通訊接口，并采用標準Modbus通訊協議，以便實現第三方集中監控。

（3）電池的充電器應為全自動均充/浮充充電器，并具備故障報警功能，以方便遠程監控。在寒冷的地區，通常都應配備自動溫控冷卻液加熱器，以使發電機組始終保持在適宜的溫度，保證隨時順利起動。

2、開架式柴發的注意事項

      開架式柴油發電機組基本結構如圖4所示。在柴油發電機組使用前，應進行安裝與聯接。柴油發電機組安裝時，應注意以下事項：

（1）安裝地點需通風良好，發電機端應有足夠的進風口，柴油機端應有良好的出風口。出風口面積應大于水箱面積1.5倍以上。

（2）安裝地的周圍應保持清潔，避免在附近放置能產生酸性、堿性等腐蝕性氣體和蒸汽的物品。有條件的應配置滅火裝置。

（3）若在室內使用，必須將排煙管道通到室外，管徑必須≥消音器的出煙管直徑，所接之管路的彎頭不宜超過3個，以保證排煙暢通，并應將管子向下傾斜5--10度,避免雨水注入;若排氣管是垂直向上安裝的，則必須加裝防雨罩.

（4）基礎采用混凝土時,在安裝時須用水平尺測其水平度,使發電機組固定于水平的基礎上。發電機組與基礎之間應有專用防震墊或用底腳螺栓。

（5）發電機組外殼必須有可靠的保護接地，對需要有中性點直接接地的發電機，則必須由專業人員進行中性點接地，并配備防雷裝置，嚴禁利用市電的接地裝置進行中性點直接接地。

（6）發電機與市電的雙向開關必須十分可靠，以防倒送電。雙向開關的接線可靠性需經過當地供電部門的檢驗認可。

（7）起動電瓶的接線必須牢固。

 

圖3  集裝箱式柴油發電機組主要構成要素

圖4  柴油發電機組主件構成圖

 

總結：

     對于數據中心的用戶，柴油發電機選型的關鍵在于柴油發電機與UPS負載的容量匹配。UPS與柴油發電機容量較為接近時，兩者間匹配問題十分突出，需從UPS的運行工況、整流方式和柴油發電機組的工作方式、勵磁方式、額定功率等方面對柴油發電機組和UPS進行合理選型，實現兩者間有效的匹配工作，以保證平臺電力系統的穩定、可靠、連續運行。

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