二級醫(yī)院柴油發(fā)電機(jī)組容量與臺數(shù)的選擇

王曉雪

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院〈集團(tuán)〉有限公司，中國 上海 200092）

二級醫(yī)院柴油發(fā)電機(jī)組容量與臺數(shù)的選擇

王曉雪

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院〈集團(tuán)〉有限公司，中國 上海 200092）

柴油發(fā)電機(jī)組容量與臺數(shù)的選擇是建筑電氣設(shè)計的一個重要組成部分，牽涉到暖通、給排水等相關(guān)專業(yè)，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否安全合理的運(yùn)行。本文在二級醫(yī)院柴油發(fā)電機(jī)組容量與臺數(shù)的選擇的計算上作了理論分析，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行計算與比較，供工程設(shè)計人員借鑒和參考。

應(yīng)急電源；事故停電；穩(wěn)定負(fù)荷；尖峰負(fù)荷；允許壓降；主用功率

1 簡介

1.1 應(yīng)急電源的概念

應(yīng)急電源[1]是用作應(yīng)急供電系統(tǒng)組成部分的電源，且與電網(wǎng)在電氣上獨(dú)立的各式電源。在一級負(fù)荷中，當(dāng)中斷供電將造成人員傷亡或重大設(shè)備損壞或發(fā)電中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負(fù)荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷，應(yīng)視為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷的供電除由雙重電源供電外，尚需增加應(yīng)急電源。由于在實(shí)際中很難得到兩個真正獨(dú)立的電源，電網(wǎng)的各種故障都可能引起全部電源進(jìn)線同時失去電源，造成停電事故。對特別重要負(fù)荷要由與電網(wǎng)不并列的、獨(dú)立的應(yīng)急電源供電。工程設(shè)計中，對于其他專業(yè)提出的特別重要負(fù)荷，應(yīng)仔細(xì)研究，凡能采取非電氣保安措施者，應(yīng)盡可能減少特別重要負(fù)荷的負(fù)荷量。

1.2 應(yīng)急電源的分類[2]

應(yīng)急電源應(yīng)根據(jù)其容量、供電時間等因素選擇相應(yīng)的形式，并可采用獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組、供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專用的饋電線路、蓄電池、干電池等。本文將針對二級醫(yī)院柴油發(fā)電機(jī)組容量與臺數(shù)的選擇進(jìn)行論證。

1.3 應(yīng)急電源應(yīng)根據(jù)允許中斷供電的時間選擇，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[3]第4.4.6條、4.4.7條：

1.3.1 要求中斷供電時間小于或等于0.5s的一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，應(yīng)設(shè)不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式。TN-S系統(tǒng)中的不間斷電源裝置（UPS）輸出端為三相時，應(yīng)加裝三相隔離變壓器并做重復(fù)接地。

1.3.2 應(yīng)急電源為柴油發(fā)電機(jī)組時，不間斷電源裝置（UPS）應(yīng)急供電時間不應(yīng)小于15min。

1.4 柴油發(fā)電機(jī)組的選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第4.4.5條：

1.4.1 對于柴油發(fā)電機(jī)組的供油時間，三級醫(yī)院應(yīng)大于24h，二級醫(yī)院宜大于12h，二級以下醫(yī)院宜大于3h。

1.4.2 柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)配有電壓自動調(diào)整裝置、快速自啟動裝置及電源自動切換裝置，當(dāng)正常供電電源中斷供電時，應(yīng)能自動啟動，并應(yīng)在15s內(nèi)向規(guī)定的用電負(fù)載供電；當(dāng)正常供電電源恢復(fù)供電后，應(yīng)延時切換并停機(jī)。

1.5 柴油發(fā)電機(jī)的自動化應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[4]第6.1.10條：

1.5.1 機(jī)組與電力系統(tǒng)電源不應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行，并應(yīng)設(shè)置可靠連鎖。

1.5.2 選擇自啟動機(jī)組應(yīng)符合下列要求：

1）當(dāng)市電中斷供電時，單臺機(jī)組應(yīng)能自動啟動，并應(yīng)在30s內(nèi)向負(fù)荷供電；

2）當(dāng)市電恢復(fù)供電后，應(yīng)自切換并延時停機(jī)；

3）當(dāng)連續(xù)三次自啟動失敗，應(yīng)發(fā)出報警信號；

4）應(yīng)自動控制負(fù)荷的投入和切除；

5）應(yīng)自動控制附屬設(shè)備及自動轉(zhuǎn)換冷卻方式和通風(fēng)方式。

1.5.3 機(jī)組并列運(yùn)行時，宜采用手動準(zhǔn)同期。當(dāng)兩臺自啟動機(jī)組需并車時，應(yīng)采用自動同期，并應(yīng)在機(jī)組間同期后再向負(fù)荷供電。

1.6 儲油設(shè)施的設(shè)置應(yīng)符合下列規(guī)定：

按照J(rèn)GJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第6.1.11條：

1.6.1 機(jī)房內(nèi)應(yīng)設(shè)置儲油間，其總儲存量不應(yīng)超過8h的燃油量，并應(yīng)采取相應(yīng)的防火措施。

2 醫(yī)療建筑事故停電的損失或危害

在一級負(fù)荷中，當(dāng)中斷供電將造成人員傷亡或重大設(shè)備損壞或發(fā)電中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負(fù)荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷，應(yīng)視為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。

按照J(rèn)GJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》表4.2.1可知二級醫(yī)院的急診搶救室、血液病房的凈化室、產(chǎn)房、燒傷病房、重癥監(jiān)護(hù)室、早產(chǎn)兒室、血液透析室、手術(shù)室、術(shù)前準(zhǔn)備室、術(shù)后復(fù)蘇室、麻醉室、心血管造影檢查室等場所中涉及患者生命安全的設(shè)備及其照明用電；大型生化儀器、重癥呼吸道感染區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)等負(fù)荷等級定義為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。其中，涉及患者生命安全的設(shè)備：如無影燈、呼吸機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀。

事故一旦發(fā)生能夠及時處理，防止事故擴(kuò)大，保證工作人員的搶救和撤離，而必須保證的用電負(fù)荷，亦為特別重要負(fù)荷。事故停電所帶來的損失或危害難以估量。因此，在工程設(shè)計時，應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計成為工程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

3 柴油發(fā)電機(jī)組容量的計算表達(dá)式

3.1 機(jī)組容量與臺數(shù)應(yīng)根據(jù)應(yīng)急負(fù)荷大小和投入順序以及單臺電動機(jī)最大啟動容量等因素綜合確定。當(dāng)應(yīng)急負(fù)荷較大時，可采用多機(jī)并列運(yùn)行，機(jī)組臺數(shù)宜為2～4臺。當(dāng)受并列條件限制，可實(shí)施分區(qū)供電。當(dāng)用電負(fù)荷諧波較大時，應(yīng)考慮其對發(fā)電機(jī)的影響。

3.2 在方案或初步設(shè)計階段，按下述方法估算并選擇其中容量最大者[2]：

3.2.1 按建筑面積估算。建筑面在10000m2以上的大型建筑按15～20W/m2，建筑面在10000m2及以下的中小型建筑按10～15W/m2.

3.2.2 按配電變壓器容量估算。占配電變壓器容量的10%～20%。

3.2.3 按電動機(jī)起動容量估算。當(dāng)允許發(fā)電機(jī)端電壓瞬時壓降為20%時，發(fā)電機(jī)組直接起動異步電動機(jī)的能力為每1KW電動機(jī)功率，需要5KW柴油發(fā)電機(jī)組功率。若電動機(jī)降壓起動或軟起動，由于起動電流減小，柴油發(fā)電機(jī)容量也按相應(yīng)比例減小。按電動機(jī)功率估算后，然后進(jìn)行歸整，即按柴油發(fā)電機(jī)組的標(biāo)定系列估算容量。

3.3 在施工圖階段可根據(jù)一級負(fù)荷、消防負(fù)荷以及某些重要的二級負(fù)荷容量，按下述方法計算并選擇其中容量最大者：

3.3.1 按穩(wěn)定負(fù)荷計算發(fā)電機(jī)容量

式中SG1——按穩(wěn)定負(fù)荷計算的發(fā)電機(jī)視在功率，KVA；

P∑——發(fā)電機(jī)總負(fù)荷計算功率，kW；

η∑——所帶負(fù)荷的綜合效率，一般取η∑=0.82～0.88；

cosφ——發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)，一般取cosφ=0.8。

3.3.2 按尖峰負(fù)荷計算發(fā)電機(jī)容量

式中SG2——按尖峰負(fù)荷計算的發(fā)電機(jī)視在功率，KVA；

PG2——按尖峰負(fù)荷計算的發(fā)電機(jī)有功功率，kW；

Kj——因尖峰負(fù)荷造成電壓、頻率降低而導(dǎo)致電動機(jī)功率下降的系數(shù)，一般取Kj=0.9～0.95；

KG——發(fā)電機(jī)允許短時過載系數(shù)，一般取KG=1.4～1.6；

Sm——SstM或Sst△，最大的單臺電動機(jī)或成組電動機(jī)的起動容量，KVA；

Pm——Sm的有功功率，kW；

Qm——Sm的無功功率，kvar；

3.3.3 按發(fā)電機(jī)母線允許壓降計算發(fā)電機(jī)容量

式中SG3——按母線允許壓降計算的發(fā)電機(jī)視在功率，KVA；

△U——發(fā)電機(jī)母線允許電壓降，一般取△U=0.2；

Sst△——導(dǎo)致發(fā)電機(jī)最大電壓降的電動機(jī)的最大起動容量，KVA。

3.4 柴油發(fā)電機(jī)的主用功率

3.4.1 柴油發(fā)電機(jī)的額定功率[2]系指外界大氣壓力為101.325kPa（760mmHg）、大氣溫度為20℃、相對濕度為50%的情況下，保證能連續(xù)運(yùn)行12h的功率（包括超負(fù)荷110%運(yùn)行1h）。如連續(xù)運(yùn)行時間超過12h，則應(yīng)按90%額定功率使用。如氣壓、氣溫、濕度與上述規(guī)定不同，應(yīng)對柴油發(fā)電機(jī)的額定功率進(jìn)行修改。

柴油發(fā)電機(jī)的額定功率，又稱主用功率、連續(xù)功率或長行功率。 柴油發(fā)電機(jī)在我們國內(nèi)是用主用功率即連續(xù)功率來標(biāo)稱的，發(fā)電機(jī)組能夠在24小時之內(nèi)連續(xù)使用的功率我們稱之為連續(xù)功率，而在某一時段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)是每12個小時之內(nèi)有1個小時可在連續(xù)功率的基礎(chǔ)上超載10%，此時的機(jī)組功率就是我們平時所說的最大功率，即備用功率，也就是說，如果您購買的是主用500kW的機(jī)組，那么您12個小時之內(nèi)有1個小時可以運(yùn)行到550kW，如果您購買的是備用500kW的機(jī)組，假如您不超載平時都開在500kW，其實(shí)該機(jī)組一直都開在超載狀態(tài)(因?yàn)樵摍C(jī)組實(shí)際額定功率只有450kW)，這對機(jī)組是非常不利的，將會縮短機(jī)組的壽命和造成故障率增高。

3.5 柴油發(fā)電機(jī)的綜合效率

3.5.1 柴油發(fā)電機(jī)的綜合效率是指發(fā)電機(jī)組通過內(nèi)燃機(jī)將柴油燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為動能，再通過電球（康明斯、斯坦福等）將動能轉(zhuǎn)化為電能的過程中能源的轉(zhuǎn)化效率。

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)一般是30～80%滿載運(yùn)行，是指運(yùn)行在額定功率下。發(fā)電機(jī)的額定功率的定義就是指能長時間運(yùn)行的功率。因此，可以長期滿載運(yùn)行。不過也要注意使用條件，比如說，環(huán)境溫度過高的話，發(fā)電機(jī)長期額定運(yùn)行可能導(dǎo)致溫升過高。必要時應(yīng)增加溫度監(jiān)視和報警裝置。

3.6 全壓起動大容量籠型電動機(jī)時，母線電壓不應(yīng)低于額定電壓的75%（無電梯負(fù)荷時）或80%（有電梯負(fù)荷時）。電動機(jī)全壓起動允許容量取決于發(fā)電機(jī)的容量和勵磁方式；宜選用高速柴油發(fā)電機(jī)組和無刷型自動勵磁裝置。

3.7 多臺機(jī)組時，應(yīng)選擇型號、規(guī)格和特性相同的機(jī)組和配套設(shè)備。

4 計算實(shí)例

某工程為二級醫(yī)院，根據(jù)規(guī)范及甲方要求，2路市電斷電后，需由柴油發(fā)電機(jī)組供電的用電負(fù)荷統(tǒng)計如下表1：

表1 平時柴油發(fā)電機(jī)組供電負(fù)荷

表2 消防時柴油發(fā)電機(jī)組供電負(fù)荷

已知：上述負(fù)荷中最大電動機(jī)為55KW/臺，啟動電流倍數(shù)為7，電動機(jī)的功率因數(shù)為0.8，電動機(jī)效率為0.92，啟動時的功率因數(shù)為0.5，直接但不同時啟動。

4.1 確定計算數(shù)據(jù)

根據(jù)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第3.0.5.1條：允許中斷供電時間為15s以上的供電，可選用快速自啟動的發(fā)電機(jī)組。已知條件中的潔凈手術(shù)區(qū)用電、普通手術(shù)區(qū)用電要求自恢復(fù)供電時間為0.5s，則應(yīng)設(shè)不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式，15min，過渡轉(zhuǎn)換期內(nèi)由不間斷電源裝置供電。應(yīng)急照明的自恢復(fù)供電時間為5s，則應(yīng)設(shè)應(yīng)急電源裝置（EPS），30min，過渡轉(zhuǎn)換期內(nèi)由應(yīng)急電源裝置供電。在柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后潔凈手術(shù)區(qū)用電、普通手術(shù)區(qū)用電、應(yīng)急照明轉(zhuǎn)切換至柴油發(fā)電機(jī)供電，表格中的其余負(fù)荷可直接由市電切換至柴油發(fā)電機(jī)供電。

工程應(yīng)用中一般不考慮平時用電與消防時用電同時使用的情況，柴油發(fā)電機(jī)容量按兩者的最大值選取。故本工程案例實(shí)際計算有功功率為375kW。

4.1.1 若發(fā)電機(jī)功率因數(shù)0.8，綜合效率為0.82，按穩(wěn)定負(fù)荷計算，發(fā)電機(jī)的容量為：

4.1.2 當(dāng)采用柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，最大一臺電動機(jī)啟動前，發(fā)電機(jī)已經(jīng)帶有負(fù)載400KVA，功率因?yàn)闉?.8，不考慮因尖峰負(fù)荷造成的設(shè)備功率下降，發(fā)電機(jī)的短時過載系數(shù)為1.5，按短時過負(fù)載能力校驗(yàn)，發(fā)電機(jī)的容量為：

根據(jù)《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》（上冊）[5]第7.9.2.2條：大容量負(fù)荷起動或自起動時應(yīng)符合發(fā)電機(jī)過負(fù)荷能力。發(fā)電機(jī)組起動后，大容量電動機(jī)投入之前，有些負(fù)荷已經(jīng)投運(yùn)，要綜合考慮大容量電動機(jī)負(fù)荷起動時發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷情況。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》（第三版）P270表6-16：

因不考慮因尖峰負(fù)荷造成的設(shè)備功率下降，則

Kj=1，KG=1.5，Sm=400+492.33=892.33KVA，代入以下式子，可得

4.1.3 當(dāng)采用柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，已知電機(jī)為無刷勵磁，它的瞬變電抗=0.2，當(dāng)要求最大電動機(jī)啟動時，滿足發(fā)電機(jī)母線上的電壓不低于80%的額定電壓，則發(fā)電機(jī)的容量為：

由4.1.2可知，Sst△=SstM=492.33，則

4.1.4 按上述三種方法計算并選擇其中容量最大者，為SG2=594.89KVA（PG2=475.91kW）。

按穩(wěn)定負(fù)荷計算的發(fā)電機(jī)視在功率就如同變壓器的計算視在功率，只能滿足在額定負(fù)載及以下長期運(yùn)行時適用，如用電單位在現(xiàn)有安裝容量下，需用系數(shù)較計算用系數(shù)大，并長期運(yùn)行，則按計算負(fù)荷大小所選用的發(fā)電機(jī)就不適用。一臺發(fā)電機(jī)，功率增大一級所付出的代價是第一次投資成本提高，而其優(yōu)點(diǎn)是：便于用電單位將新增一、二級負(fù)荷設(shè)備接入，避免因選用發(fā)電機(jī)組容量不夠而需更新設(shè)備。

選擇發(fā)電機(jī)容量時，應(yīng)多方面考慮用電單位將來有可能接入的用電，尤其是供電條件差的地區(qū)。

綜合上述分析，針對本二級醫(yī)院工程案例，對于柴油發(fā)電機(jī)組的供油時間，二級醫(yī)院宜大于12h，可按柴油發(fā)電機(jī)的100%額定功率選擇，故建議選用1臺康明斯C690 D5型柴油發(fā)電機(jī)，其主用功率為500kW,4KV/50HZ,1500rpm。

4.2 總結(jié)

綜合上述三種方法的計算分析及比較，可最終求得柴油發(fā)電機(jī)組容量及臺數(shù)的設(shè)計依據(jù)。

以本二級醫(yī)院工程為例，柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)計時，在變配電所貼臨處設(shè)置一座發(fā)電機(jī)房，擬設(shè) 1臺 500kW(主用功率),4KV/50HZ, 1500rpm發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組采用自起動方式，發(fā)電機(jī)起動后在15秒內(nèi)供電。發(fā)電機(jī)組設(shè)有短路、過負(fù)荷、接地、故障及過、欠電壓保護(hù)。發(fā)電機(jī)房設(shè)日用油箱間，總儲存量不應(yīng)超過8小時的燃油量。建筑物主體外設(shè)置供油時間大于12小時的地下儲油罐。

5 結(jié)束語

柴油發(fā)電機(jī)組容量與臺數(shù)的選擇是建筑電氣設(shè)計的一個重要組成部分，牽涉到暖通、給排水等相關(guān)專業(yè)，關(guān)系到整個系統(tǒng)是否安全合理的運(yùn)行。事故停電所帶來的損失或危害難以估量。因此，在工程設(shè)計時，應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計成為工程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

柴油發(fā)電機(jī)組容量與臺數(shù)應(yīng)根據(jù)應(yīng)急負(fù)荷大小和投入順序以及單臺電動機(jī)最大啟動容量等因素綜合確定。筆者建議電氣設(shè)計人員在設(shè)計過程中能結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品性能指標(biāo)，仔細(xì)計算和校驗(yàn)，保證安全供電，減少損失，維護(hù)建筑電氣生產(chǎn)安全。

［1］中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會.GB50052-2009供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2010.

［2］任元會,卞鎧生,等.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

［3］中國建筑設(shè)計研究院等.JGJ312-2013醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

［4］中國建筑東北設(shè)計研究院等.JGJ16-2008民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

［5］陳延鏢,陸乃城,王敏杰,等.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊（上冊）[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012.

［責(zé)任編輯：朱麗娜］

Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set in the level 2 medical building engineering

WANG Xiao-xue
(Tongji Architectural Design(Group)Co.,LTD,Shanghai 200092,China)

Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set plays an important role in building electrical design,which involves heating,water supply,drainage and other related profession.It is related to the whole system operation whether is safe and reasonable.Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set in the level 2 medical building engineering is analyzed,calculated and compared with examples in this article,for engineering design reference.

Electric source for safety services;Forced outage;Stable load;Peak load;Allowable voltage drop;Primary power

王曉雪（1985.05—），女，漢族，浙江蒼南人，本科，工學(xué)學(xué)士，同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，中級工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ姎狻?/p>