民用建筑备用柴油发电机组容量的确定方法

民用建筑备用柴油发电机组容量的确定方法！2009年04月29日星期三17:51摘要简介发电机容量选择的基本原理及相关要素；建立容量计算的数学模型；介绍计算容量所用的QBASIC源程序及其操作要点；最后给出了若干结论及计算实例。叙词：柴油发电机消防负荷保证负荷容许电压降启动校验QBASIC1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。f。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。）3.1发电机容量大小须满足稳定计算负荷需要Pjs=Kc·Pe=PePrg=K·Pjs=1.2Pe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=1.2。3.2发电机容量大小须满足电动机端子容许电压降3.2.1简化计算电路见下图：3.2.2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)/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/10003.2.3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/Sq3.2.4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1Sqg/Srg0.81.01.21.52.0Uwg1.000.950.850.750.60以表1数据拟合方程，则当Uwg=0.75~0.95时，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)；又因上述推导均为临界值，故实际工程中取：Prg≥0.8Sqg/(5Uwg2-11Uwg+6.9375)编程中以此作为发电机容量校验公式。3.2.5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=0.4kV;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=0.8;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kp1.00.33330.4225Sqm----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=0.8Srm,且0Prm≤150kW。XL----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，0L≤0.1千米。S----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30Prm≤5.55.5Prm≤7.57.5Prm≤1515Prm≤18.5S≥2.5（取等号，下同）S=4S=6S=1018.5Prm≤2222Prm≤3030Prm≤3737Prm≤45S=16S=25S=35S=5045Prm≤5555Prm≤9090Prm≤110110Prm≤150S=70S=95S=120S=1854源程序及操作要点4．1源程序10PRINTPRINT“*********备用柴油发电机组之容量校验及确定************”PRINTINPUT“1。请输入：最不利防火分区消防设备总安装功率Pe=千瓦”，PeIFPe800THEN20PRINTINPUT“2。请输入：启动方式最不利之单台电动机有功功率Prm=千瓦”，PrmIFPrm150ORPrm=0ORPePrmTHEN20PRINTINPUT“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”，LL=L/1000IFL0.1OR0LTHEN20PRINTPRINT“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=”，kIFk=1ORk=2ORk=3THEN30ELSE2030PRINTIFk=1THENkp=1IFk=2THENkp=1/3IFk=3THENkp=0.4225IFPrm=5.5THENS=2.5ELSEIFPrm=7.5THENS=4ELSEIFPrm=15THENS=6ELSEIFPrm=18.5THENS=10ELSEIFPrm=22THENS=16ELSEIFPrm=30THENS=25ELSEIFPrm=37THENS=35ELSEIFPrm=45THENS=50ELSEIFPrm=55THENS=70ELSEIFPrm=90THENS=95ELSEIFPrm=110THENS=120ELSEIFPrm=150THENS=185ENDIFGOTO4020PRINT“输入数据超出范围！！！请重新输入！”GOTO1040Sfh=1.25*(Pe-Prm)XL=（0.07+6.3/S）*L/1000XU=XL/(0.4*0.4)C=7Sqm=C*Prm/0.8Sq=1/(1/(kp*Sqm)+XU)Sqg=Sfh+SqUwm=0.8Uwg=Uwm*(kp*Sqm)/SqSrg=Sqg/(5*Uwg*Uwg-11*Uwg+6.9375)Prg=Srg*0.8IFPrg=1.2*PeTHENPPrg=1.2*PeELSEPPrg=PrgPRINTPRINT“————————————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“————————————————————————————”END4．2程序操作要点a.在Windows的DOS环境下，运行pdos95.bat，从而进入DOS中文平台；再运行QBASIC.EXE，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/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]/1.3375⑴全压启动时，kp=1，Prg=0.748Pe+4.486Prm；⑵星三角启动时，kp=1/3，Prg=0.748Pe+0.996Prm；⑶自耦65%抽头启动时，kp=0.4225，Prg=0.748Pe+1.464Prm；稳定负荷计算中，Prg=1.2Pe，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6.1~6.3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=1.2Pe），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11PrmPe≥3.5Prm时，该单台电动机应采用降压启动（星三