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上海伊謄實業(yè)有限責任公司
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發(fā)電機之容量選擇
2017-8-15 閱讀(209)
1 引言
現(xiàn)代高層建筑中，選擇柴油發(fā)電機組作為備用電源，已屬司空見慣；關于其容量確定的理論文章，也屢見于報刊。但在實際工程應用中，許多設計人員仍有茫然無序、頗費周折之感。到底如何快而準地計算發(fā)電機容量，一直都是值得探討的重要課題。本文將著重以一段QBASIC電腦編程，較簡便地解決這一問題。
2 基本原理
2．1發(fā)電機容量首先要滿足穩(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?？傊瑧謩e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*門及建設方的相應要求。
消防負荷如何正確計算應引起重視。大中型民用建筑，往往由地下室、裙房及數(shù)個塔樓組成，包含了多個防火分區(qū)。確定發(fā)電機容量、進行消防負荷計算時，顯然不能盲目地將所有消防用電設備同時計入。*的計算原則是，只考慮一個防火分區(qū)發(fā)生火災（正如水消防一樣），亦即，不認為兩個及以上的防火分區(qū)同時發(fā)生火災。通常，消防泵作為固定負荷必須計入，而消防電梯、防排煙風機、應急照明等負荷計入多少，則要視其在某防火分區(qū)火災時投入服務的負荷大小而定。顯然，確定發(fā)電機容量，應以zui不利的一個防火分區(qū)發(fā)生火災時，同時投入運行的消防負荷為準。
2．2柴油發(fā)電機組的容量大小，除要滿足上述穩(wěn)定計算負荷需要外，還必須進行電動機啟動時的電壓降校驗，即啟動任一電動機時，其端子容許電壓降應在規(guī)定范圍之內(nèi)。編程中，取值20%。進行電壓降校驗及發(fā)電機組容量選擇時，以下要素不可忽視。
a。發(fā)電機母線上的已接負荷的影響。也就是說，發(fā)電機母線上的啟動負荷應該等于已接負荷與電動機啟動容量之和，單單考慮電動機的啟動容量是錯誤的。具體工程實踐中，這一點zui容易被一些設計人員所忽略，許多文獻對于已接負荷的影響，常常也避而不談或是涉及較淺。
b。發(fā)電機不同的勵磁及調(diào)壓方式，對機組容量選擇也將產(chǎn)生重大影響。
c。發(fā)電機至電動機之間配電線路電壓降的影響。亦即，發(fā)電機端子電壓等于電動機端子電壓與線路壓降之和。
d。許多文獻認為，電動機應按容量大小而順次啟動，以此減小發(fā)電機容量。但在國家標準圖集和工程圖紙中，這種電動機順次啟動的二次電路圖又極少見到。更何況，順次啟動也往往與一些消防控制要求相矛盾。因此建議，減小發(fā)電機容量，不宜依靠電動機順次啟動這種方法。
e。電動機啟動容量達zui大值是瞬間的，因此，可以不考慮兩臺及以上電動機的同時啟動，對發(fā)電機造成沖擊的問題。
3 數(shù)學模型
（建立以下數(shù)學模型，僅以消防負荷計算為例。為便于編程，多處進行了適當?shù)暮喕图僭O，不另說明。）
3.1 發(fā)電機容量大小須滿足穩(wěn)定計算負荷需要
Pjs=Kc·Pe=Pe
Prg=K·Pjs=1.2Pe
式中：Prg----待求發(fā)電機持續(xù)功率（kW）。編程中考慮為單臺機。
Pjs----消防設備穩(wěn)定計算負荷（kW）。
Pe----建筑物內(nèi)任一防火分區(qū)發(fā)生火災時，zui大可能開啟消防設備之總安裝功率（kW）。為已知量，運行程序時直接鍵入。編程中Pe≤800kW。
Kc----消防設備總需用系數(shù)，取Kc=1。
K----可靠系數(shù)，取K=1.2。
3.2發(fā)電機容量大小須滿足電動機端子容許電壓降
3.2.1簡化計算電路從略
3.2.2發(fā)電機母線上的啟動負荷等于已接負荷與單臺電動機啟動容量之和，即
Sqg=Sfh+Sq
此時，考慮zui的情況，即認為除待啟電動機外，其它負荷已全部投入，則有
Pfh+Prm=Pe，從而Sfh=Pfh/COSΦ’=(Pe-Prm)/COSΦ’
=(Pe-Prm)/0.8=1.25(Pe-Prm)
此外，Sq=1/[1/(kp·Sqm)+XL/(Urg2)]
Sqm=C·Srm= C·Prm/0.8, XL=(0.07+6.3/S)·L/1000
3.2.3 電動機端子電壓Uwm與發(fā)電機母線電壓（Uwg）存在關聯(lián)，即
Uwg=kp·Sqm·Uwm/Sq
3.2.4如前所述，對于不同勵磁及調(diào)壓方式的發(fā)電機，其允許啟動負荷亦不同，進而對機組容量選擇產(chǎn)生影響。若認為所選發(fā)電機帶自動調(diào)整勵磁裝置，則對應于不同啟動負荷相對值，發(fā)電機母線上穩(wěn)態(tài)電壓相對值滿足表1：
表1
| Sqg/Srg | 0.8 | 1.0 | 1.2 | 1.5 | 2.0 |
| Uwg | 1.00 | 0.95 | 0.85 | 0.75 | 0.60 |
以表1數(shù)據(jù)擬合方程，則當Uwg=0.75~0.95時，近似存在：
Sqg/Srg=5Uwg2-11Uwg+6.9375
或Srg=Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)
而Prg=Srg·COSΦ=0.8Srg=0.8Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)；又因上述推導均為臨界值，故實際工程中?。?/p>
Prg≥0.8Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)
編程中以此作為發(fā)電機容量校驗公式。
3.2.5符號說明
Sqg----發(fā)電機啟動時發(fā)電機母線上的起動負荷（kVA）；
Srg----發(fā)電機的額定容量（kVA），為待求量；
Sq----電動機啟動時，啟動回路的額定輸入容量（kVA）；
Sfh----電動機啟動時，發(fā)電機母線上已接負荷（kVA）;
Urg----發(fā)電機的額定電壓（kV），取Urg=0.4kV;
Uwg----電動機啟動時，發(fā)電機母線上的穩(wěn)態(tài)電壓相對值；
Uwm----電動機啟動時，其端子上所要求的穩(wěn)態(tài)電壓相對值, 程序中取Uwm=0.8;
C----電動機全壓啟動之電流倍數(shù)。程序中取C=7;
kp----電動機的啟動系數(shù)，見表2：
表2
| 啟動方式 | 全壓啟動 | Y-△啟動 | 自耦變壓器65%抽頭啟動 |
| kp | 1.0 | 0.3333 | 0.4225 |
Sqm----電動機額定啟動容量（kVA）；
Srm----電動機額定容量（kVA）；
Prm----電動機額定功率（kW）。編程中，取Prm=0.8Srm, 且0<Prm≤150kW。
XL----電動機至發(fā)電機配線線路（銅芯）之阻抗（千歐）；
L----電動機至發(fā)電機配線線路（銅芯）之長度（千米）。編程中，0<L≤0.1千米。
S----電動機至發(fā)電機配線線路（銅芯）之導線截面(mm2)。編程中，S值按表3自動取值。
表3
| 0<Prm≤5.5 | 5.5<Prm≤7.5 | 7.5<Prm≤15 | 15<Prm≤18.5 |
| S≥2.5（取等號，下同） | S=4 | S=6 | S=10 |
| 18.5<Prm≤22 | 22<Prm≤30 | 30<Prm≤37 | 37<Prm≤45 |
| S=16 | S=25 | S=35 | S=50 |
| 45<Prm≤55 | 55<Prm≤90 | 90<Prm≤110 | 110<Prm≤150 |
| S=70 | S=95 | S=120 | S=185 |
4 源程序及操作要點
4．1源程序
10 PRINT
PRINT“*********備用柴油發(fā)電機組之容量校驗及確定************”
INPUT“1。請輸入：zui不利防火分區(qū)消防設備總安裝功率Pe=千瓦”，Pe
IF Pe>800 THEN 20
INPUT“2。請輸入：啟動方式zui不利之單臺電動機有功功率Prm=千瓦”，Prm
IF Prm>150 OR Prm<=0 OR Pe<Prm THEN 20
INPUT“3。請輸入：啟動方式zui不利之單臺電動機至發(fā)電機之配線長度L=米”，L
L=L/1000
IF L>0.1 OR 0>L THEN 20
PRINT“4。（全壓啟動k=1;星三角k=2;自耦65%抽頭k=3）”
PRINT“請輸入：啟動方式zui不利之單臺電動機的啟動方式k=”，k
IF k=1 OR k=2 OR k=3 THEN 30 ELSE 20
30 PRINT
IF k=1 THEN kp=1
IF k=2 THEN kp=1/3
IF k=3 THEN kp=0.4225
IF Prm<=5.5 THEN
S=2.5
ELSEIF Prm<=7.5 THEN S=4
ELSEIF Prm<=15 THEN S=6
ELSEIF Prm<=18.5 THEN S=10
ELSEIF Prm<=22 THEN S=16
ELSEIF Prm<=30 THEN S=25
ELSEIF Prm<=37 THEN S=35
ELSEIF Prm<=45 THEN S=50
ELSEIF Prm<=55 THEN S=70
ELSEIF Prm<=90 THEN S=95
ELSEIF Prm<=110 THEN S=120
ELSEIF Prm<=150 THEN S=185
ENDIF
GOTO 40
20 PRINT“輸入數(shù)據(jù)超出范圍?。?！請重新輸入！”
GOTO 10
40 Sfh=1.25*(Pe-Prm)
XL=（0.07+6.3/S）*L/1000
XU=XL/(0.4*0.4)
C=7
Sqm=C*Prm/0.8
Sq=1/(1/(kp*Sqm)+XU)
Sqg=Sfh+Sq
Uwm=0.8
Uwg=Uwm*(kp*Sqm)/Sq
Srg=Sqg/(5*Uwg*Uwg-11*Uwg+6.9375)
Prg=Srg*0.8
IF Prg<=1.2*Pe THEN PPrg=1.2*Pe ELSE PPrg=Prg
PRINT“————————————計算結(jié)果————————————”
PRINT“為滿足啟動條件，所選發(fā)電機持續(xù)功率不應小于”，Prg，“千瓦”
PRINT“為滿足工程應用，實選發(fā)電機持續(xù)功率不應小于”，INT（PPrg+1），“千瓦”
PRINT“————————————————————————————”
END
4．2程序操作要點
a.在Windows的DOS環(huán)境下，運行pdos95.bat，從而進入DOS中文平臺；再運行QBASIC.EXE，并把上述源程序輸入到電腦中，存盤。
b. 在QBASIC環(huán)境下，按F5鍵，則可運行程序、進行計算了。從原始數(shù)據(jù)輸入，到計算結(jié)果輸出，前后一般不超過一分鐘，非常簡捷實用。
5簡化的數(shù)學公式
在忽略電動機線路電壓降影響之后（即XL=0），更簡化的數(shù)學公式推導如下：
Sq=kp(C·Srm)=kp·C·Prm/0.8=8.75kp·Prm
而Sfh=1.25(Pe-Prm)，所以，
Sqg=Sfh+Sq=1.25(Pe-Prm)+ 8.75kp·Prm =1.25Pe+(8.75kp-1.25)Prm
又因XL=0，故Uwg=Uwm=0.8
所以，Srg=Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)
=Sqg/(5×0.82-11×0.8+6.9375)
=Sqg/1.3375
故有，Prg=0.8Srg
=0.8Sqg/1.3375
=0.8[1.25Pe+(8.75kp-1.25)Prm]/1.3375
⑴全壓啟動時，kp=1，Prg=0.748Pe+4.486Prm；
⑵星三角啟動時，kp=1/3，Prg=0.748Pe+0.996Prm；
⑶自耦65%抽頭啟動時，kp=0.4225，Prg=0.748Pe+1.464Prm；
穩(wěn)定負荷計算中，Prg=1.2Pe，將此式與上述⑴、⑵、⑶式分別比較，并結(jié)合關系式Pe
≥Prm，可得出下面第6.1~6.3條重要結(jié)論。
6幾點結(jié)論
6．1同時滿足以下三種啟動條件的任意工程（假設電動機啟動方式于全壓、星三角、自耦三種），其發(fā)電機組容量為zui小，且其值僅取決于穩(wěn)定計算負荷的大小（即Prg=1.2Pe），無須再考慮啟動負荷的影響，即無須用程序進行容許電壓降的校驗。
a。當zui不利防火分區(qū)消防設備總安裝功率Pe，不小于某單臺電動機功率Prm的11倍時，即Pe≥11Prm時，該單臺電動機的啟動方式不受限制，采用全壓或降壓啟動均可。
b。當11Prm>Pe≥3.5Prm時，該單臺電動機應采用降壓啟動（星三角或自耦65%抽頭啟動）。
c。當3.5Prm>Pe≥2.5Prm時，該單臺電動機只應采用星三角啟動。
6．2當2.5Prm>Pe時，必須用程序進行容許電壓降的校驗，且此時發(fā)電機組容量Prg>
1.2Pe。
6．3當Prm=Pe時（且允許壓降為0.2），很容易由前述簡化數(shù)學公式得出表4：
表4不同啟動方式下，發(fā)電機功率是被啟電動機功率的zui小倍數(shù)
| 啟動方式 | 全壓啟動 | Y-△啟動 | 自耦變壓器65%抽頭啟動 |
| zui小倍數(shù) | 5.3 | 1.8 | 2.3 |
6．4若僅以啟動容量zui大的單臺電動機來校驗發(fā)電機容量，是不嚴密、不周全的，因為電動機啟動容量不僅與其額定容量有，更與啟動方式密切相關。換言之，對于校驗發(fā)電機容量而言，直接啟動較小容量的電動機，可能比降壓啟動較大容量的電動機更為不利。所以，計算時，應分別輸入若干臺影響較大的電動機的相關數(shù)據(jù)，擇其zui不利者，作為選定發(fā)電機容量的依據(jù)。
6．5為縮小發(fā)電機組容量、降低造價，條件允許時，較大容量的電動機盡量采用降壓啟動。
7 計算實例
某二類高層商住樓，擬設一臺容量zui小的柴油發(fā)電機組，消防時作消防負荷備用電源，平時作保證負荷備用電源。其中保證負荷計算值為250KW。而其zui不利防火分區(qū)被認定為地下室。因為，若地下室火災，則投入服務的消防設備總安裝功率為zui大，其值為285KW。其中消防水泵共2臺（距發(fā)電機10米，不計備用泵），每臺45KW；消防風機共4臺，功率分別為15KW、15KW、30KW、30KW，其它為應急照明等負荷105KW。
解題過程：因285KW>250KW，故機組容量選擇以消防負荷計算為準。另根據(jù)上述第6。1條結(jié)論，因285KW>11×15KW，故功率為15KW的消防風機可采用全壓啟動（降壓啟動當然亦可）。又因11×45KW>285KW>3.5×45KW，所以功率為45KW的消防水泵應采用自耦65%抽頭啟動或星三角啟動（而不能采用全壓啟動）。同理，功率為30KW的消防風機仍須采用降壓啟動。此時，選定的柴油發(fā)電機組容量為zui小，且無須用前述電腦編程來校驗，其值為1.2×285KW=342KW。
仍就上例而言。假設45KW的消防水泵采用自耦65%抽頭降壓啟動，而30KW的消防風機（距發(fā)電機10米）擬采用全壓啟動。將消防水泵及消防風機的相關數(shù)據(jù)分別輸入電腦程序，進行運算、校驗?？梢园l(fā)現(xiàn)，按消防水泵校驗計算出的發(fā)電機持續(xù)功率為343 kW，而按消防風機校驗計算出的結(jié)果卻達351kW。所以，此時只有取351kW作為實選結(jié)果。由此可看出，不遵循上述第6。1條結(jié)論的，必將造成機組容量偏大；此外也證明，30kW消防風機的全壓啟動，比45kW消防水泵降壓啟動更為不利。
