工程設計中選用柴油發電機的條件分析

陶云飛(深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司，北京 100044)

工程設計中選用柴油發電機的條件分析

陶云飛
(深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司，北京 100044)

主要描述了應急電源與備用電源的區別，分析了選擇柴油發電機組作為應急電源或備用電源的條件，提出了選用柴油發電機的一些看法，為同行提供一些參考。

備用電源 應急電源 特別重要負荷 應急供電系統柴油發電機組

0 概述

柴油發電機作為獨立于電網的自備電源，當市政電源條件不滿足用戶使用要求時，在工程設計中常常被選作備用電源或應急電源；當市政電源條件良好，完全滿足用戶的用電設備要求時，設計柴油發電機組則會造成投資浪費。是否需設柴油發電機組，應結合規范和業主要求及投資許可多種條件，從安全和經濟兩方面來確定。柴油發電機組是作為備用電源還是作為應急電源也是有區別的，本文就上述內容談談自己的看法。

1 應急電源與備用電源的區別

早期規范對應急電源與備用電源區分不明確，甚至出現“應急備用電源”的說法，本文根據GB 50052-2009《供配電系統設計規范》中的描述來辨別二者的區別。

根據雙重電源的組成可知，備用電源是相對于工作電源而言的，備用電源和工作電源組成雙重電源，備用電源是獨立于工作電源的，當工作電源故障停止工作時，由備用電源繼續供電。當工程不滿足雙重電源要求或只有一路市電時，柴油發電機組可以作為備用電源。

一級負荷中特別重要負荷的供電除由雙重電源供電外，尚需增加應急電源。如果把備用電源理解為第二路獨立電源，那么應急電源可以認為是第三路獨立電源。

有些工程的雙重電源中，平時只有工作電源帶負載，當工作電源故障時，備用電源才投入使用；有些工程中雙重電源同時工作，互為備用。應急電源平時不使用，只有雙重電源均停止工作時應急電源才投入使用。

而應急供電系統又叫安全設施供電系統，包括應急電源、電氣回路和電氣設備，只有一級負荷中特別重要負荷才能接入應急供電系統，備用電源的負荷(一、二級負荷)則嚴禁接入。

2 民用建筑中特別重要負荷分類及供電特點

民用建筑中特別重要負荷主要是計算機類負荷，考慮到其停電時間為毫秒級，因此采用UPS作為應急電源。一般來說，作為應急電源的UPS持續供電時間只要求能滿足保存數據并完成停機即可，當有長期工作要求時，可配合柴油發電機共同構建應急供電系統。

對于非計算機類的特別重要負荷，當雙重市電停止工作后，可采用柴油發電機作為應急電源。

3 按規范選用柴油發電機的情況說明

當市政電源不滿足用戶的供電要求時，柴油發電機是最常用的自備電源，既可以作為備用電源也可以作為應急電源。

3.1柴油發電機作為備用電源

當用戶的用電負荷等級為一級且只有一路電源，或第二路電源不滿足一級負荷要求時，需要設置柴油發電機組作為自備電源。

圖1為柴油發電機作為備用電源的示例，可以保證一級負荷供電的可靠性，該工程中含有少量一級負荷中特別重要負荷，采用UPS作為應急電源。圖1中一級負荷也可以只在備用段單回路供電給末端設備。

圖1 柴油發電機作為備用電源

圖2 柴油發電機作為應急電源

3.2柴油發電機作為應急電源

當用電設備中有大量一級負荷中特別重要負荷，且采用UPS難以滿足持續時間要求或該方案成本較高時，可采用柴油發電機組作為應急電源，并組成圖2所示的應急供電系統。

圖2中一級負荷、二級負荷及三級負荷均在左側雙重電源的供電系統中，由于消防用電設備最高負荷等級為一級，所以消防負荷也在雙重電源的供電系統中；而應急供電系統中全部是一級負荷中特別重要負荷，絕不能為提高供電可靠性，將一級負荷或消防負荷接入應急供電系統。

圖2多用于工業建筑中存在多種特別重要負荷的情況，應急供電系統也由多種應急電源組成。

當工程中的特別重要負荷只有計算機系統時，通過加裝適當的后備電池也能滿足持續時間要求，通過經濟技術比較，可以不設柴油發電機組，直接將UPS供電系統接入到I段或II段母線某個回路即可。

3.3柴油發電機的選用條件

按規范要求，一級負荷中特別重要負荷需設應急電源。在雙重電源的基礎上再設第三路電源以提高可靠性。主要是因為特別重要負荷尤其重要，一旦停電后果嚴重，故而對雙重電源要考慮當一路電源檢修或故障時，另一電源也發生故障的情況，但這些極低概率的事件在一級負荷設備中不需考慮，因此在不同的市政電源條件下，根據負荷的最高供電等級要求，可能有多種設置柴油發電機的方案，如表1所示。

表1 不同市政條件下，柴油發電機設置情況分類

表1中，當計算機系統對UPS有長時間持續供電要求時，對應的應急電源需改為：UPS+柴油發電機。

4 工程中柴油發電機常見主接線示例

上節列舉了需要設自備柴油發電機的多種情況，均是按照規范的最低供電要求考慮，主接線可以參考圖1及圖2所示的方式調整。有些情況下，市政電源是滿足供電要求的，為了提供可靠性，可增加自備柴油發電機作為自備電源。

比如JGJ 62-2014《旅館建筑設計規范》中要求“四級旅館建筑宜設自備電源，五級旅館建筑應設自備電源，其容量應能滿足實際運行負荷的需求”，也就是說五級旅館即使采用雙重電源供電，仍然要設置柴油發電機組。由于此處的柴油發電機是在雙重市電電源斷電后，出于非安全原因用于維持向用電設備供電的電源，故應該屬于備用電源。

這時柴油發電機組所帶負荷種類一般由酒店管理公司提出要求，主要包括在市電停電期間能維持酒店最低運營要求的一些保障用電設施，也包括火災時需要工作的消防負荷。當發生市電停電而無火災時，柴油發電機主要是向酒店保障負荷供電，此時消防負荷并不運行，也不應試運行。而一旦發生火災，柴油發電機則主要向消防負荷供電。一般來說，旅館建筑中的保障性負荷在火災時可以不運行，因此，發電機的容量宜按照兩類負荷中較大負荷來選取。

旅館建筑的前臺計算機、收銀機的供電電源可靠性對于旅館建筑的營業至關重要，設置UPS電源供電，可以保證計算機設備在停電時不停機；當設置了柴油發電機作為備用電源時，其UPS電源的持續供電時間可以大大縮短。

圖3為五級旅館配電接線圖，雙重電源滿足供電要求，又采用柴油發電機作為備用電源的補充，其中包含UPS應急供電系統。當市電為雙回路電源且不能保證相互獨立時，此接線圖也完全適用。與圖2相比可知，柴油發電機作為備用電源時，對接入其中的負荷種類沒有要求。

在圖3中，也有些設計師習慣把柴油發電機所帶負荷分為消防和非消防兩段互相獨立的母線段，如圖4所示。

圖3 五級旅館采用柴油發電機作為備用電源的接線方式

圖4 五級旅館消防負荷與非消防負荷分段設計的接線方式

在圖4的基礎上，按照GB 50016-2014《建筑設計防火規范》中推薦的變壓器低壓側分組接線方法，還可將圖4變換為圖5所示的接線方式。以上幾種接線方式對供電電源的可靠性沒有影響，但在維護管理方面會增加一些便利，同時帶來成本的大幅增加，如何選擇設計方案需綜合多方面的意見。

圖5 五級旅館低壓側分組設計接線方式

許多項目在開始階段和當地供電部門溝通時，對于能否提供兩路獨立電源或雙重電源，一般很難得到供電可靠的保證，多數供電部門建議業主自己設自備電源。因此當工程中一、二級負荷較多時，均可以參照圖3～5的接線方式，不管外電源是雙重電源還是雙回路電源，均可以通過設自備柴油發電機的方式保證供電的可靠性。

工程中只有少量的一二級負荷，大部分是三級負荷時，可以按照圖1的接線方式，這種供電方式在南方電網管轄內的住宅小區使用較多，采用自備電源供電可靠性高，又節省第二路電源的投資成本，值得推廣。

5 選用柴油發電機要充分考慮經濟效益

近些年來，隨著國家電力設施的發展，供電系統的可靠性越來越高，但是作為備用電源的柴油發電機在工程中的應用卻越來越多。是否需要設置柴油發電機，筆者建議從安全、適用、經濟等多方面綜合考慮。

5.1超高層消防負荷是否要按照特別重要負荷設計

目前我國的各類規范中對消防負荷的供電等級定義最高就是一級負荷，也就是說當滿足雙重電源要求時，即可滿足消防的最高要求。雖然有些工程在雙重電源的基礎上設置了備用柴油發電機，但也是作為備用電源的補充，是防止市電全部失電后保證一級負荷和消防負荷的供電可靠性，并不是規范硬性要求。

超高層建筑中的消防負荷供電可靠性尤為重要，雖說供電可靠性盡量越高越好，但是是否有必要按照特別重要負荷去考慮呢？如果對超高層建筑中消防負荷按特別重要負荷考慮，應設柴油發電機組作為應急電源，并構建獨立的應急供電系統。而其他的備用電源設備不能接到應急供電系統中，此時需另外設置柴油發電機作為備用電源。

一級負荷中特別重要負荷在雙重電源停止工作后，應急電源必須要投入運行，換句話說，這種特別重要負荷在平時工作中的任何時刻只要中斷供電，就會有中毒、爆炸和火災等情況發生。而超高層建筑的消防負荷在非火災時，多數消防設備不工作，只有在火災過程中，可以認為消防負荷為特別重要負荷(其實按火災中的用電設備重要性來講，所有平時重要負荷都應在盡量短的時間內停止工作)，而且消防負荷即使非超高層建筑中也不能停電，故消防負荷采用雙路電源末端互投也是基于此原因。

當今防火防災措施日益完善，不但有極早期預警、電氣火災監控等多種措施，而且人員的管理水平也日益提高，消防產品均有嚴格的3C認證，火災的發生概率與以往相比大幅降低，但在目前的超高層建筑中，兩路獨立市電同時失電又有火災發生的案例是否存在？

筆者認為，由于超高層建筑完全靠自救，內部電源應比一般高層建筑采取更完善的供電措施，規范可以推薦采用柴油發電機作為備用電源，要將消防負荷上升到特別重要負荷的高度不一定是最合理的。

5.2是否有必要為二級負荷設置柴油發電機組

通常規范中對用戶負荷等級的供電要求是最低要求，在設計中必須嚴格遵守，所以設計的結果往往是以提高供電可靠性為由高于規范要求，是否可以適當降低供電等級的要求來設計呢？

以某四線城市四星級酒店工程為例，這種工程一般都是采用市政雙重電源并配備柴油發電機作為自備電源以滿足規范及業主方的使用要求。當市政無法提供雙重電源時，也可以采用雙回路加自備電源的方式，此時自備電源應負載全部一級負荷及特別重要負荷。

假設市政只有一路10kV電纜電源，為了節約成本，建設方不想采用雙回路供電，那么柴油發電機作為備用電源是否要擔負起全部一級負荷及二級負荷？如果嚴格按規范執行，本工程二級負荷應采用柴油發電機作為備用電源，這樣一來，對于客房、空調等設備全部采用柴發供電成本就太高了。

其實規范確定負荷等級的目的是為了確定其供電方案，在目前市場經濟的大環境下，規范應該只對涉及人身和安全生產的問題采用強制性的規定，而對于停電造成的經濟損失評價主要取決于用戶所能接受的能力。

上文提到的項目案例中，經各方協商，柴油發電機按火災時消防負荷設計，其容量與一級負荷相比將多出的容量擔負部分二級負荷，比如擔負低層部分客房的照明用電，空調系統則不考慮。因為停電概率不是很大，當地氣候也不算熱，若出現熱天停電無法運營的狀況，甲方愿意承擔停業等導致的經濟損失。最終設計如圖6所示，采用兩組變壓器+柴油發電機的供電方式，等將來市政電源有條件時可以將10kV高壓側改為雙重電源單母線分段的供電方式，變壓器及低壓側配電系統保持不變。

圖6 酒店單路電源+柴發的供電接線圖

此例同樣可以引申到高層住宅小區，每棟高層住宅都有1部消防電梯和1～2部普通客梯，按規范要求，19層的住宅樓電梯按一級負荷供電，但是考慮到這類住宅樓客梯即使停止工作也不至于發生嚴重后果，故當采用柴油發電機作為備用電源時，是否可以考慮只給消防電梯兼客梯供電，其余客梯不必考慮同時工作，這樣既有利于節約成本也有利于保護環境。

6 結束語

上述為筆者在設計過程中針對選用柴油發電機的一點看法，主要目的是想簡化系統，降低成本，不妥之處還請同仁批評指正。

[1] JGJ 62-2014 旅館建筑設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2015.

[2] GB 50052-2009 供配電系統設計規范[S]. 北京:中國計劃出版社,2010.

[3] 中國勘察設計協會建筑電氣工程設計分會,中國建筑節能協會建筑電氣與智能化節能專業委員會主編.建筑電氣設計疑難點解析及強制性條文[M].北京:中國建筑工業出版社，2015.

[4] 張文才.《旅館建筑設計規范》電氣部分解析[J].智能建筑電氣技術,2016(1):14-18.

[5] 殷小明.應急電源與備用電源的設計[J]. 現代建筑電氣,2012(4):34-38.

[6] 李道本.設計防火規范應重視消防供電規定的修訂[J]. 建筑電氣,2011,30(7):10-18.

ConditionalAnalysisofSelectionofDieselGeneratorsinEngineeringDesign

Tao Yunfei

The difference between emergency power and standby power is mainly described, and the choice conditions of diesel generators as emergency power supply or standby power supply are analyzed, and some opinions on selection of the diesel generator are put forward, for reference to the peer.

back up power, emergency supply, particularly important load, emergency power supply system, diesel generator sets