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      必須兼顧其它特別重要負荷及消防負 荷的容

      發布日期:2020-10-15 22:06 | 點擊數:

       ?。玻埃埃?年2月第 1 卷第 1 期 System Design of Diesel Generators By Wang Jian 柴油發電機系統設計 中國建筑設計研究院王健 摘要闡述柴油發電機組系統設計方法;發電機組一些常見術語和定義;提供了 設計時選用柴油發電機組容量的計算方法、快速估算通風面積、燃油消耗和消噪計 算公式。 關鍵詞柴油發電機容量計算方法負載系統設計 Ab s t r a c t Th e s y s t e m d e s i g n m e t h o d o f d i e s e l g e n e r a t o r s a n d s o m e t e r m i n o l o g y an d de fi ni ti on s fo r g en er at in g se t ar e i nt ro du ce d in t he p ape r. The c al cu la ti on method for determining the capacity of generating set, rapid estimation the are a of vent ilati on a nd fu el oi l co nsump tion, the form ulas for noise elim inat ion ar e gi ve n as wel l. K e y wo r d s d i e s e l g e n e r a t o r , c a p a c i t y , c a l c u l a t i o n m e t h o d , l o a d , s y s t e m d e s i g n 1984 年大學畢業于重慶建 筑工程學院工業電氣自動化專 業, 1984 年至今在中國建筑設計 院工作。教授級高級工程師、國 家注冊電氣工程師,現任中國建 筑設計研究院機電院建筑電氣所 副所長兼電氣所總工程師。 作為電氣專業負責人完成 的主要工程有:國家體育場(弱 電) 奧運景觀塔、 、 中國石化總部 辦公樓、鼎好電子商城、風度柏 林、大連軟件園、倚林家園、全 國政協專委會辦公樓、北師大國 際學術交流中心、北京外國專家 公寓、中海雅苑、深圳遠洋大廈 等。 柴油發電機是廣泛用于數據中心的應急備用電源。 作為數據中 心用柴油發電機組, 應該達到通信用柴油發電機組GB2820-1997中 G3 級或 G4 級規定的要求,同時達到《通信用柴油發電機組的進網 質量認證檢測實施細則》規定的 24 項性能指標要求。 1柴油發電機組系統設計的主要因素 機組的選擇應考慮的因素主要有機械與電氣性能、 機組的使用 形式、發電機組容量與變化范圍、自動化功能等。 機組的使用形式:柴油發電機組可用于常用和備用的運行狀 況,不同運行狀況對柴油發電機組的要求就有所區別。 柴油發電機容量的選擇:根據不同用途選擇負荷容量和負荷的 變化范圍, 確定柴油發電機組的單機容量及多機并聯運行的容量。 發電機與勵磁方式的選擇:自激式同步交流發電機和永磁激勵 智能建筑電氣技術 19 February2007Vol.1No.1 式同步交流發電機。 柴油發電機的自動化功能的選擇:遙控、遙信和 遙測性能。 機組的使用環境條件:機房冷卻、通風系統的設 置。 2柴油發電機組的系統設計 2.1柴油發電機組常用功率和備用功率的區別 2.1.1備用功率 (圖1) 圖 1備用功率 圖 2常用功率 市電斷電時提供備用電源,市電供電可靠,80% 負載運行, 每年運行時間 200h, 某些制造廠商用于高 峰期功率補償幾乎無過載能力。故在設計時,過載能 力需考慮,更多的設備成本,較高的運行成本及加大 的維護工作量。 2.1.2常用功率 (圖2) 主要用于無市電供電場合, 或市電不可靠但供電 要求可靠性高的場所。 可連續使用, 70%負載運行, 每 12h 允許 1h10% 過載,每年運行時間負載>100% 不 允許超過 500h。 2.2柴油發電機組容量計算方法 柴油發電機組與UPS組成的電源系統, 對供電安 全要求較高的數據中心正在被廣泛采用, 該系統不但 要求柴油發電機組自動化程度高, 更要求交流同步發 電機必須適應UPS這一非線性負載的特性, 使其在無 市電的情況下保證UPS對負載可靠供電 柴油發電機 ; 組的容量大小,除要滿足 UPS 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定范圍之內。 2.2.1按照UPS容量配置柴油發電機組 一般柴油機生產廠家要求, 與UPS配套柴油發電 機組的容量一般為UPS容量的2~2.5倍。 而UPS設 計工作中負荷一般在50%~80%額定容量, 這種情 況下,發電機組發出的功率可能為額定容量的 30% 左 右。這樣不但造成發電機組的容量不能充分利用,增 加了設備的投資,而且使發電機組更容易產生故障, 降低了發電機組的工作可靠性。綜合各種因素,發電 機組實際負載 60% 以上額定負載的情況下工作,對柴 油機為有利。 關于在實際工程設計中UPS與柴油發電機的功率 配比問題在本章節中不再進行討論, 具體詳見其他專 篇。 2.2.2.按照常規綜合負荷容量配置柴油發電機組 現代綜合建筑中,柴油發電機不僅作為 UPS 的備 用電源, 而且要求作為建筑內特別重要負荷及消防負 荷的備用電源。在這種情況下,發電機容量不能只考 慮 UPS 的容量,量,在特別重要負荷(包括 UPS)及消防負荷 中,按照者確定柴油發電機的容量。 (1)利用設備容量計算發電機容量 : P=k?Kx?Pe/η 式中:p —自備發電機組的功率(kW) ; k —可靠系數, 一般?。保?。 Kx—需要系數(一般?。埃福担埃梗担?; Pe —總負荷容量(kW) ; η—發電機并聯運行不均勻系數一般?。埃?, 單臺 取 1。 (2) 利用的單臺電動機或成組電動機起動的需 要,計算發電機容量: P=(Pe-Pm)/ηe+Pm?K?C?cosΦm(kW) 式中:P m —起動容量的電動機或成組電動 機的容量(kW); Pe -總負荷容量(kW); ηe -總負荷的計算效率,一般取 0.85; cosΦm-電動機的起動功率因數, 一般?。埃?; K -電動機的起動倍數; C -全壓起動 C=1;Y -△起動 C=0.67;自耦變壓 器起動 50%抽頭C=0.25;65%抽頭C=0.42;80%抽頭 C=0.64。 (3) 按起動電動機時母線容許電壓降計算發電機容 量: 發電機母線上已接負荷的影響, 發電機母線上的 啟動負荷應該等于已接負荷與電動機啟動容量之和。 P=Pn?K?C?Xd″(1/ △ E-1)(kW) 式中:Pn-造成母線壓降的電動機或成組起 動電動機組的容量(kW) K —電動機的起動電流倍數; Xd″—發電機的暫態電抗,一般取 0.25; 20 ElectricalTechnology of IntelligentBuildings 2007 年2月第 1 卷第 1 期 (5)發電機組溫升、 絕緣等級和額定帶載能力 發電機組額定功率隨發電機溫升和絕緣等級不同, 其額定帶載能力也將變化。 溫升定義為繞組溫度高于 環境溫度極值。 a.絕緣等級和額定帶載能力 : H:155℃備用;F:105℃備用;B:80℃備 用。 H:155℃= 允許溫升 130℃+環境溫度 40℃= 170℃ b.繞組溫度: F:105℃= 在環境溫度 40℃基礎上,允許溫升 105℃; B:80℃= 在環境溫度 40℃基礎上,允許溫升 80℃; 較高環境溫度下,發電機額定功率衰減;傳統絕 緣等級為 H。 3發電機與勵磁方式的選擇 圖 30.4kV 柴油發電機組配電系統圖 △E—母線允許的瞬時電壓降, 有電梯時?。埃玻?, 無電梯時?。埃玻?。 電動機啟動容量達值是瞬間的,因此,可以 不考慮兩臺及以上電動機的同時啟動, 對發電機造成 沖擊的問題。 (4)多機并聯運行的容量 (圖3) 當發電機容量不超過 800kW 時,可選用單臺機; 當容量在 800kW 以上時,宜選擇兩臺及以上。從發電 機可靠性考慮也可以選用兩臺機組并聯進行供電, 應 急用的發電機組臺數一般不宜超過 3 臺。由于目前國 內的0.4kV低壓配電柜沒有6300A以上的實驗報告, 并聯運行的多臺發電機的總容量不要超過 3200kW (0.4kV)。 如需要更大容量的柴油發電機組, 建議采用 10kV 發電機組。 當選用多臺機組時,機組應選用型號、容量等物 理參數相同,調壓、調速特性相近的成套設備,便于 機組并聯運行;運行所用燃油性質應一致,以便進行 維修保養及共用備件。 當應急用發電機組有兩臺時, 自起動裝置應使兩 臺機組能互為備用, 即市電電源故障停電經過延時確 認以后,發出自起動指令,如果臺機組連續三次 自起動失敗, 應發出報警信號并自動起動第二臺柴油 發電機。一般采用 24V 蓄電池組作為起動電源。 自激式同步交流發電機是從發電機的電樞繞組給 自動電壓調節器(AVR)同時提供功率源及信號源; 而永磁激勵式同步交流發電機,自動電壓調節器 (AVR)功率源是從副勵磁機電樞繞組取得;由發電機 電樞繞組控制其電流,通過勵磁機電樞繞組、旋轉整 流器、磁場繞組,使發電機輸出電壓保持穩定。 自激式同步交流發電機 A V R 的功率輸出受電樞 繞組電勢波形的影響, 而負載性質特別是非線性負載 對電樞紅色組電勢波形的影響比較明顯;永磁激勵式 同步交流發電機AVR的功率源取自永磁激勵的電樞繞 組,與發電機電樞繞組的電勢波形畸變無關。所以如 果主要為數據機房UPS供電的柴油發電機組的勵磁方 式應優先選用永磁激勵式同步交流發電機。 4柴油發電機的自動化功能的選擇 4.1機組應能自動維持自動準備運行狀態 機組應能自動維持冷卻水的溫度在15℃~50℃范 圍內;機油的溫度在 15℃~30℃范圍內。 機組啟動前 應能進行預潤滑。 4.2機組的自動啟動和自動加載 4.2.1機組接到自控或遙控的啟動指令, 應能自動啟 動。啟動成功率應大于 90%。一個啟動循環包括三次 啟動,兩次啟動之間的間歇時間 T 應符合 0s。 4.2.2機組啟動成功后, 應能自動加載, 首次, 加載量 應能達到 50% 額定加載。 智能建筑電氣技術 21 February2007Vol.1No.1 4.2.3機組自動啟動第三次失敗時, 如有備用機組, 程 序控制系統應能自動將啟動指令傳遞備用機組。 4.3機組的自動卸載停機 機組接到自控或遙控的停機指令, 應能自動卸載 停機,其停機方式應有正常停機和緊急停機兩種。正 常停機步驟:切斷主電路后空載運行 5min, 切斷燃油 油路。緊急停機步驟:立即切斷主電路,切斷燃油路 和進氣氣路。 4.4機組的自動調壓和調頻 圖 4機房冷卻、通風系統 機組應能自動調整輸出電壓和頻率。 4.5機組的自動保護 機組應有機油壓力低、 冷卻水溫度高、 過電壓、 超 速、短路、缺相等項保護。 4.6機組的自動補給 機組的自動補給共分三類: 類自動補給裝置用于1級自動化機組, 燃油、 機油、 冷卻水的自動補給應能滿足機組在無人值守的 條件下連續(或累計)運行 4h。 第二類自動補給裝置用于2級自動化機組, 燃油、 機油、 冷卻水的自動補給應能滿足機組在無人值守的 條件下連續(或累計)運行 240h。 第三類自動補給裝置用于3級自動化機組, 燃油、 機油、 冷卻水的自動補給應能滿足機組在無人值守的 條件下連續(或累計)運行 1000h。 4.7機組工作和不工作時均應能保持啟動蓄電池處于滿容量 狀態 4.8每臺機組的平均故障間隔期 散熱水箱式冷卻系統設計考慮因素:冷卻溫 度、預期運行溫度、功率衰減、冷卻液膨脹體積、 低冷卻液溫度 (保證正常啟動和帶載) 監視/安全停 、 機、 發動機制造商數據正確、 散熱水箱/冷卻風扇數據 正確、運行參數、對環境散、熱機體加熱器及冷卻液 流速等。 a.機組散熱量計算 發動機燃油消耗:使用額定功率 k W , 轉換為 BTU/min =(kW)×(57)BTU/min 假定柴油產生140,000Btu/Gal熱量,轉換效率為 35%。 燃油消耗快速估算方法: 燃油消耗=kW×.07 U.S.gal) ( =kW×0.0185(l) 通常發動機散熱通過液體-空氣熱交換冷卻系統, 大約為燃油消耗產生的熱量25%。液體 - 空氣熱交換 (散熱水箱)為普通散熱器。 b.其它散熱量快速計算法如圖 5所示: 一級自動化機組的平均故障間期應大于500h。 二級自動化機組的平均故障間期應大于800h。 三級自動化機組的平均故障間期應大于1000h。 4.9機組的其它技術要求 4.9.1自動化機組應既能自控和遙控, 又能就地手動操 作; 4.9.2對于欠電壓、 (或低頻) 機油溫度過度等 低速 、 方面的保護裝置可按需要選設; 4.9.3機組應具有自動計時功能。 5機組的使用環境條件 5.1機房冷卻、通風系統(圖 4) 圖 5其它散熱量快速計算法 機房冷卻、 通風系統直接影響發電機組額定功率 輸出和長期安全可靠運行。足夠的進、排風面積,避 免進排風短路、理順空氣流向,直進直出設計等,是 機組運行的保障。 5.1.1 發電機組冷卻系統 5.1.2通風系統空氣計算 提供發動機燃燒空氣, : 帶走 機房熱量,提供發電機冷卻空氣, 冷卻發動機(通過散 熱水箱)。 空氣流過系統時, 產生較大的溫升。 發電機 組冷卻系統的設計要求實際測算 (制造廠商的數據僅 供參考)不佳的設計難于使發電機組在高溫環境下進 , 行滿負載運行(圖 6) 。 Q=mcp 式中: Q -排放熱量, 22 ElectricalTechnology of IntelligentBuildings 2007 年2月第 1 卷第 1 期 32℃ 43℃ 51℃ 圖 6 不佳的設計難于使發電機組在高溫環境 下進行滿負載運行 m -流體質量, cp-在恒定的溫度T和壓力下允許機房的溫度變化。 簡單計算 空氣需求量(cfm)=(58)(散熱量)/(溫升) : 快速估算: 有效排風口通風面積約等于散熱水箱面積。 有效進風口面積約等于1.5倍的散熱水箱面積。 排風回流循環系統 在低溫環境下,冷空氣進入機房前,允許排風回 流, 使機組迅速升溫。 一般設計為常閉(防止外面冷空 氣流過機組), 由發電機組交流 (AC) 輸出或直流 (DC) 供給電源。 通風系統小結 足夠的進、排風面積,避免進、排風短路,理順 空氣流向,直進直出設計。 5.2機房消噪 圖 7 常見噪聲級別 發電機組的電纜必須軟聯接, 主要噪聲源:為進氣 系統、廢氣渦輪增壓器、燃燒噪聲、排氣噪聲、冷卻 風扇和次震動等。 5.2.1常見噪聲級別 (圖7) 5.2.2 發電機組噪聲級別 a.機房墻壁的影響 (圖8) b.機房機組距離的影響 (圖9) 近區域:距離大于 2 倍的噪聲場,噪聲級變化較 大。 自由區域:預計噪聲級-距離 2 倍減少 6dB。 反射區域 自由區域,臨近反射區域。 : 5.3消噪措施 圖 8 機房墻壁的影響 若鄰近發電機組噪聲總是太高, 當地法規通常規 定居民區噪聲限制在40-50dB。 當發電機組運行時, 機 房要求有保護聽力的設施,噪聲滿足 OSHA 標準隔離 噪聲源至接受者,建立切實可行的目標,測量和預測 噪聲級別, 評估消噪需求, 有效的消噪取決于:墻壁硬 度、有效的開闊區域、可見的噪聲通道、使用吸音材 料、噪聲反射及噪聲泄漏等。 圖 9機房機組距離的影響 注意:好的凈音型外罩通常減少空氣流過外罩。 5.4現場消噪 增加接受距離-快速估算: 距離 2 倍減少噪聲 6dB, 加入高密度吸音材料, 改變噪聲方向, 減少較硬 的反射表面。 E 智能建筑電氣技術 23

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