醫療建筑中柴油發電機組設計探討

周 翔

(四川省建筑設計研究院，成都 610017)

0 引言

柴油發電機組作為重要的應急(備用)電源類型在各類項目中被廣泛采用。因其具有設置數量多、設計容量大、帶負載類型復雜等特點，在醫療建筑電氣設計中，不僅需要對柴油發電機進行正確合理的選型，還要結合醫療建筑的特點，注重柴油發電機組與環境的協調，為醫療設備和機組本身全生命周期使用和運維提供可持續的條件。本文對柴油發電機組在醫療建筑中設計要點進行探討，為柴油發電機組的正確選用提供借鑒。

1 柴油發電機組的設計規定

1.1 柴油發電機組設計的一般規定

柴油發電機組作為應急電源和備用電源在相關電氣設計規范中的規定如下。

JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規范》中規定：為保證一級負荷中特別重要的負荷供電或用電負荷為一級負荷，但從市電取得第二電源困難或技術經濟不合理時宜設自備應急柴油發電機組。

GB 50052-2009《供配電系統設計規范》第3.0.3條規定：一級負荷中特別重要的負荷除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統。而獨立于正常電源的發電機組可作為應急電源。

1.2 醫療建筑中柴油發電機組的設計規定

JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》第4.4.1條規定：三級醫院應設置應急柴油發電機組；二級醫院宜設置應急柴油發電機組。第3.0.3條規定：備用電源供電維持時間應符合當要求恢復供電時間小于或等于0.5s時，自備備用電源供電維持時間不應小于3h。其他備用電源供電維持時間不宜小于24h。

不同醫療場所的用電設備在工作電源中斷或供電電壓驟降10%及以上且持續時間超過3s時，備用電源要按照規定的切換時間投入。醫療建筑中對醫療場所進行了劃分，不同醫療場所中斷供電要求自動恢復供電的時間和電源解決方案如下。

(1) t≤0.5s：采用不間斷電源裝置(UPS)與柴油發電機電源組合供電。

(2) 0.5s≤t≤15s：采用15s內快速啟動的柴油發電機組供電。

(3) t>15s：采用柴油發電機組或市政電源供電。

1.3 醫療建筑中應急電源和備用電源的設計原則

按照JGJ 312-2013《醫療建筑電氣設計規范》的規定，醫院是否設置應急電源柴油發電機組是以醫院的等級為條件，且不同的條文中又提到備用電源供電持續時間的問題。醫療建筑中有大量一級負荷中特別重要的負荷、一級負荷和二級負荷，針對醫療建筑中柴油發電機組作為應急電源還是備用電源的問題，筆者認為，應按照GB 50052-2009《供配電系統設計規范》的規定，為一級負荷中特別重要負荷供電的柴油發電機組作為應急電源，為一、二級負荷供電的柴油發電機組作為備用電源。

對于新建的、有一定規模的醫院，一般柴油發電機組的設置不止一臺，此時可將一級負荷中特別重要的負荷接入應急電源柴油發電機組，將一、二級負荷和醫院根據使用要求明確要保障的負荷接入備用電源柴油發電機組，這樣就做到了應急電源供電系統和備用電源供電系統的獨立設置。對于規模較小的醫院，可能存在設置一臺柴油發電機組合并設置應急電源和備用電源的情況，筆者建議，在變壓器低壓配電系統設計時將一級負荷中特別重要的負荷和一、二級分別設置保障母線段，柴油發電機組電源與市電在不同的母線段切換后為相應負荷等級的設備提供應急(備用)電源。醫院常見10kV/0.4kV高低壓配電系統與應急(備用)電源系統主接線見圖1。

2 醫療建筑中柴油發電機組容量和性能等級選擇

柴油發電機組的功率定額是指在額定頻率，功率因數cosφ為0.8(滯后)時用kW表示的功率。

柴油發電機組的功率定額種類分為：持續功率(COP)、基本功率(PRP)、限時運行功率(LTP)、應急備用功率(ESP)。發電機各種功率定額見表1。

發電機功率定額表 表1

圖1 應急電源系統接線示意圖

持續功率(COP)為柴油發電機組的基礎功率，醫療建筑中的負載通常為可變負載，柴油發電機組作為應急(備用)電源保障醫院的診療和疏散時間一般為3～24h，所以柴油發電機組建議采用基本功率(PRP)作為常用功率、應急備用功率(ESP)作為備用功率。

當選擇了發電機組的常用功率后，發電機組是可以短時過載運行的。這是因為發動機—“柴油機連續運行12h”可以允許超過12h功率10%的情況下運行1h，所以發電機組常用功率每12h也可以允許過載10%運行1h。發電機組備用功率在連續工作時需下調10%的功率運行也是根據柴油機持續功率的運行特點決定的。

2.1 柴油發電機組的性能等級

柴油發電機組的性能等級分為G1～G4級，醫療建筑中除了民用建筑中常見的照明、風機、水泵、電梯、空調等負載外，還有大量的UPS電源設備，含有整流電路的大型醫療設備如X光機、DR、CT、核磁共振等。這類設備對電源輸出電壓、頻率、波形有嚴格的要求，電能質量的好壞不僅影響設備是否正常運行，醫學影像設備的圖像質量也和電能質量密切相關。因此醫療建筑中應選擇性能等級為G3級及以上的柴油發電機組。柴油發電機組的性能等級見表2。

柴油發電機組性能等級 表2

柴油發電機組詳細的性能等級及運行限值可以查閱GB/T 2820.5-2009《往復式內燃機驅動的交流發電機組》的相關規定。當發電機組某個性能等級的所有限值都滿足時，才能選擇該性能等級。

2.2 柴油發電機組容量選擇

醫療建筑中柴油發電機組的選擇應根據應急負荷的大小和投入順序以及單臺電動機最大啟動容量等因數綜合考慮。

(1)作為應急電源的柴油發電機組應統計醫療建筑中一級負荷中特別重要負荷的計算負荷，按照穩定負荷計算發電機組的容量。

(2)如果應急電源和備用電源合并設置，應比較消防負荷和保障負荷的大小，按照容量大的負荷進行選擇。

(3)根據現行GB 50084-2017《自動噴水滅火系統設計規范》，醫療建筑中噴淋泵的功率一般較大，給排水專業根據泵的功率通常設計一用一備或兩用一備的運行組合方式，這時柴油發電機的容量選擇應按單臺電動機或成組電動機的啟動需要進行計算。工程設計中要限制發電機組的容量，功率較大的電動機通常選用降壓啟動的方式，在選擇了啟動方式降低電動機啟動倍數的同時，應注意兼顧電動機的啟動轉矩，電動機的啟動轉矩和電壓的平方成正比，因此應合理選擇電動機的啟動方式。

(4)如果設備中有大容量的負荷啟動時，還應按照設備允許的電壓降計算柴油發電機的容量。醫療建筑中醫技科室有大量的大型醫療設備如MRI、CT、DSA、直線加速器(LA)、SPECT、PET-CT等。上述設備正常待機時功率很低，工作時才會產生瞬間的大電流，電源內阻和線路阻抗直接影響電壓降，因此在接入發電機電源時，應按照設備要求的電源容量進行發電機組容量的選擇。市電作為電源時，電壓降趨于恒定；發電機組作為電源時，電壓降更深，變動更大一些。醫療建筑中發電機組容量一般大于大型醫療設備最大瞬時負荷容量的2.5倍時，可以獲得合格的影像圖像質量。

(5)柴油發電機組的容量選擇還應注意與建筑外觀和醫院環境協調統一。容量大的機組送、排風井道及地面風口百葉面積較大，在設計時應結合土建條件，減小對建筑立面和室外景觀的影響。

3 柴油發電機組與負載的匹配

相比于普通的民用建筑，醫療建筑的負載類型多且相對復雜，有電熱水器、電加熱設備等電阻負載，也有各類風機、水泵、空調等電感負載，還有大量屬于電容負載的IT設備和UPS電源等。柴油發電機電源與負載類型的匹配直接影響著各類重要設備的可靠和穩定運行。

3.1 負載類型對發電機端電壓的影響

分析負載類型對發電機端電壓的影響，是調節勵磁電流使空載電壓為額定值，然后保持勵磁電流不變，給發電機分別帶上不同類型的負載，觀察發電機組端電壓隨著負載電流的變化情況。發電機等效電路詳見圖2。

根據等效電路可知：

(1)

圖2 發電機等效電路圖

圖3 電阻負載下電動勢相量圖

圖4 電感負載下電動勢相量圖

圖5 電容負載下電動勢相量圖

電容負載時產生了較高的發電機輸出端電壓U，此時必須通過電壓調節器減小勵磁電流來進行調節。實際上，電壓調節器可能沒有足夠的范圍完全調節輸出電壓，發電機的轉子在一個方向連續勵磁含有永久磁場，即使電壓調節器全關，轉子仍有足夠的磁場對電容負載充電并產生電壓，這就產生了發電機組的“自激”現象，可能導致負載設備損壞或發電機保護設備跳閘，造成發電機組停機。

3.2 醫療建筑中電容負載源及發電機組的選擇

醫療建筑中電容負載的主要來源為帶有輸入濾波器的輕載UPS電源設備。醫療建筑中應用UPS電源的場所如下。

(1)1類醫療場所：血液病房的凈化室、產房、燒傷病房；血液透析室；術前準備室、術后復蘇室、麻醉室。

(2)2類醫療場所：急診搶救室；重癥監護室、早產兒室；手術室；心血管造影檢查室。

(3)醫院信息中心數據機房及智能化系統管理機房等。

(4)筆者查閱相關論文，醫療建筑中大型醫療設備(如直線加速器(LA)、MRI、CT、DSA、DR等)也會采用UPS電源進行電能質量的改善和治理。

對于醫療建筑中大量的電容負載，發電機最多可以承擔其額定無功功率容量10%的負載。在負載接入發電機電源時，按先投入功率因數滯后負載，再投入功率因數超前負載的順序，有助于提高發電機組運行的穩定性。在醫院設置多臺發電機組的條件下，應盡量將電容性負載分散接入到不同的發電機組上。當僅有一臺發電機時，應著重關注UPS電源與發電機電源的兼容性問題，當廠商技術不能解決時，可采取增大發電機組容量的措施。另外，UPS電源應盡量選擇12脈沖整流器技術的設備。

3.3 非線性負載對發電機組的影響及發電機組的選擇

隨著醫院規模越來越大，大型醫療設備的應用越來越廣泛。各類變頻電機、精密空調器、不間斷UPS電源、MRI、CT、DSA等大型醫療設備，這些非線性負載在發電機容量中占有的比例越來越大，在進行發電機組容量選型時應給予考慮。

非線性負載對發電機組的影響主要表現在其產生的高次諧波造成的危害。由于諧波電流的產生，會導致反常的導體發熱，損壞發電機組的繞組，勵磁回路和自動電壓調節器AVR。諧波電流會導致發電機組輸出電壓和頻率失真，影響對電能質量較為敏感設備的正常運行。為降低非線性負載對發電機組的影響，正確選擇發電機組類型、容量和運行方式非常重要。

(1)選擇合適的發電機勵磁系統。新型發電機組多采用無刷勵磁方式，設計時應盡可能選擇永磁式勵磁交流發電機(PMG)。由于PMG系統提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關的恒定勵磁源，對于非線性負載產生的主機定子輸出電壓的波形畸變有更強的抗干擾性。

(2)選用同步電機自身繞組結構對諧波電流有抑制的產品。目前發電機產品中不同定子節距設計對不同次諧波具有抑制作用。例如2/3節距定子繞組的產品對3次及3的倍數次諧波作用明顯。

(3)對于UPS電源負載，當輸入端帶有濾波器，末端負載較小時，應減少濾波器的使用或將其關閉。

(4)正確選用發電機組的容量。對于非線性負載容量較大且只有一臺發電機時，建議負載容量在機組輸出功率的60%左右為宜。當有多臺發電機組選擇時，可將非線性負載分別設計在不同的柴油發電機上，減小非線性負載對單臺發電機帶來的影響。醫療建筑中設置多臺發電機組時，不能一味強調將大容量機組拆分成兩臺小容量機組并機使用，換來所謂“運行的經濟性”。當所帶非線性負載容量較大時，大容量機組更利于電源系統在諧波環境下的運行。

(5)發電機輸出的有功功率跟柴油機的輸出功率相關，詳見式(2)。

Pjz=PG/ηmηG

(2)

式中，Pjz為柴油機的功率，kW；PG為發電機輸出的有功功率；ηm為傳動效率，跟柴油機與發電機連接傳動方式有關；ηG為發電機的效率，由制造商提供。

柴油發動機的動力決定發電機組輸出的有功功率即帶負載能力，而視在功率取決于發電機組的容量。醫療建筑中負荷的不同工作制及分時運行的特點，負載通常不會滿負荷運行，因此可以嘗試在不增加柴油發動機功率的情況下，匹配容量大的發電機，提升發電機組帶非線性負載的能力。

3.4 突加負載對柴油發電機組的影響

突加負載的影響主要表現在發電機組啟動到投入供電初期的階段。當發電機的電壓和頻率符合要求后，雖然可以向負荷供電，但是由于發電機此時還處于冷機狀態，熱效率不高，此時還不能輸出額定功率，所以接入的負載不能很大。否則，會導致柴油機減速，致使第一次啟動失敗。圖6為某柴油發電機組啟動及供電特性曲線。

圖6 柴油發電機組啟動及供電特性曲線

負荷的投入量過大也會造成發電機輸出電壓和頻率的驟降，負荷投入量和時間間隔應根據柴油發電機組啟動及供電特性曲線確定，這些資料一般由設備制造商提供。

對于額定功率不大于250kW的柴油發電機，首次加載量不小于50%額定負載。大于250kW時，按照產品技術條件規定執行。

由于突加負載的影響，在有條件時適當增大發電機組的容量，提高首次加載負載的能力。另外，在進行低壓配電系統設計時，建議發電機每回路的負荷容量不宜過大，末端所帶的負載類型不宜過于單一。除消防負荷外，發電機電源回路與低壓配電系統應急(備用)母線段之間的雙電源轉換開關在切換時間時設置一定時限的延時，確保負荷逐一、分級地切換接入柴油發電機電源系統。

4 結束語