重要辦公建筑柴油發電機組設計探討

劉力紅，徐 華

(清華大學建筑設計研究院有限公司， 北京 100084)

0 引言

隨著我國綜合國力的增強，重要辦公建筑的供電保障要求越來越高。柴油發電機組經常作為應急或備用電源使用，柴油發電機組設計的合理性和安全性至關重要。

本論文以亞洲基礎設施投資銀行總部項目(簡稱“亞投行項目”)為例，總結了柴油發電機組在系統設計中的一些經驗和想法。希望通過本文的探討，對電氣設計師在柴發機組設計方面有所助益。

1 項目概況

亞投行項目位于中軸線西側建筑序列的最北端；總建筑面積為389 972 m2，地上面積 256 872m2，地下面積133 100m2。地上16層，地下3層；建筑高度80m。機動車停車位1 670輛。本項目為一次性建設，分三期使用。

亞投行項目為一類高層辦公建筑。車庫屬于大型 Ⅰ 類汽車庫；地下一層設置的數據機房為B級機房。項目耐火等級為一級；結構類型為鋼管混凝土框架-鋼板墻核心筒結構，基礎類型為樁筏基礎。

2 供配電系統設計

2.1 負荷等級

本工程為一類高層辦公建筑、超甲級寫字樓、大型Ⅰ類汽車庫。根據供電方案，本工程為一級負荷用戶。具體負荷分級如下。

一級負荷中特別重要負荷：主要業務和計算機系統、電子信息設備機房、重要弱電機房用電(含空調用電)；安防系統用電；值班照明、警衛照明；首層安檢區用電、變配電室用電；辦公區重要負荷；檔案室用電、交易辦公區用電、董事會會議室及行長辦公區用電、VIP電梯；廚房冷庫用電；地下一層B級數據機房及其精密空調設備用電；為數據機房和廚房冷庫服務的冷卻水等空調設備用電。

一級負荷：消防控制室、火災自動報警及聯動控制裝置、火災應急照明系統、防煙及排煙設施、自動滅火系統、消防水泵、消防電梯及其排水泵、電動的防火卷簾及門窗、閥門等消防用電；走道照明；客梯用電；排污泵、生活水泵用電；副行長/首席顧問辦公區。

二級負荷：貨梯、自動扶梯、換熱泵房、擦窗機、中水泵房用電。

三級負荷：除一、二級負荷以外的其他負荷。

2.2 各級負荷供電方式

一級負荷中的特別重要負荷：采用雙重電源供電，在最末一級配電裝置處自動切換；采用柴油發電機組作為備用電源，根據設備允許中斷供電時間的要求設置UPS保證供電連續性。

一級負荷：采用雙重電源供電，在最末一級配電裝置處自動切換。對于消防負荷和部分維持大樓基本運行的一級負荷增設柴油發電機組作為應急電源，根據設備允許中斷供電時間要求設置UPS/EPS保證供電連續性。

二級負荷采用兩回路電源供電，在適當位置的配電裝置處自動切換；對大容量設備也可采用由變配電室低壓配電柜單路放射式供電。

三級負荷按約定或單路供電。

2.3 變配電室設置

本項目共設有六座變配電室，兩座總變配電室(1號和2號總變配電室)，四座分變配電室(3號、4號、5號和6號分變配電室)。

其中，除專門為制冷機房設置的6號分變配電室設置在地下二層(局部降板)外，其余變配電室均設置在地下一層。變配電室均設置電纜夾層。本項目總變壓器容量為45 000kVA。

3 柴油發電機組的設計

3.1 柴油發電機組帶載范圍

根據負荷等級及不同負荷等級的供電方式，本項目設置閉式水循環風冷式低壓柴油發電機組作為應急/備用電源。柴發機組的帶載范圍如下。

(1)停電且消防狀態：帶載本區域全部消防負荷，為消防負荷提供應急電源。負荷包括：安防控制系統、重要網絡設備、消防控制室、火災自動報警及聯動控制裝置、火災應急照明系統、防煙及排煙設施、自動滅火系統、消防水泵、消防電梯及其排水泵、電動防火卷簾、電動排煙窗等消防用電。

(2)停電而非消防狀態：為維持大樓基本運行的負荷提供備用電源。主要包括：首層安檢區用電、辦公區重要負荷、檔案室用電、交易辦公區用電、董事會會議室及行長辦公區用電、VIP電梯、廚房冷庫用電、B級數據機房及其精密空調設備、智能化機房和廚房冷庫服務的冷卻水等空調設備用電；重要客梯、排污泵、生活水泵用電。

3.2 柴油發電機房設置

柴油發電機房設置原則為：靠近其服務的變配電室，便于進風、排風、排煙。本項目在地下層設置三座柴油發電機房。表1所示為柴油發電機的設置情況。

柴油發電機房編號及機組設置 表1

3.3 柴油發電機房控制室

在發電機房控制室設應急/備用電源配電柜，將應急/備用電源分配至各區域變壓器的應急/備用母線。

3.4 室外儲油量計算

本項目柴油發電機組持續供電時間不少于24h；單臺機組的燃油消耗量為298L/h, 按照最不利條件下，2臺機組同時持續工作24h，需要的儲油量為14.3m3；考慮室內設有1 m3日用油箱，室外設置15 m3儲油罐，則儲油量共16 m3> 14.3 m3，滿足儲油量要求。

當日用油箱液位低于液位開關時，啟動柴油罐油泵，打開日用油箱進油管防爆電動閥，將油泵入日用油箱；當液位高于高液位開關時，關閉日用油箱防爆電動閥，停泵。

3.5 柴油發電機組配電系統架構圖

變壓器低壓端通過斷路器的輔助觸點信號給發電機組控制器啟動柴油發電機。當恢復供電后控制器發出發電機斷路器分閘信號，延時發出斷路器合閘信號，柴油發電機組延時停機。

通過柴發機組的并列控制器，可完成對市電斷路器轉換，實現機組遠程啟動、加載和卸載順序控制、負載需求控制、負載優先級控制、市電切換管理、系統智能監控、BMS信息提供、機組測試控制。

柴油發電機組自帶的控制屏需要預留接口與建筑設備監控系統平臺進行通訊，建筑設備監控系統可監控信號：油位、油泵啟停、運行狀態、故障、手/自動狀態、水溫、油壓、油溫、頻率、電瓶組電壓等。圖1所示為1#柴油發電機房的機組配電系統架構圖。

圖1 1#柴油發電機房機組配電系統架構圖

3.6 柴油發電機組的控制邏輯

(1)啟動邏輯

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電中任意一路市電失電，柴發進入熱備狀態，柴發機組全部自動啟動，此時柴發機組空載運行，5min內若供電回路中的兩路市電全部失電，柴發機組合閘相應回路的機組輸出開關；5min后若供電回路中的兩路市電中仍只有一路失電，則柴發機組停機。

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電，柴發進入非熱備狀態，柴發機組全部自動啟動，率先達到額定電壓、頻率的柴發機組合閘對應的機組輸出開關，后一臺達到并車條件與前一臺自動并車，并車完成后，合閘后一臺對應的機組輸出開關。

(2)柴發機組帶載運行邏輯

無論柴發機組是否處于熱備狀態，只有當且僅當柴發機組并車完成、機組輸出開關合閘后，任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電且ATS切換開關市電側合閘反饋信號消失，主控柜才能控制相應供電回路中的饋線開關合閘，饋線開關合閘后，柴發機組帶載運行。

柴發機組帶載運行時，當負荷小于單機容量80%，延時自動解列，任意一臺機組退出延時停機；當負荷大于單機容量85%，退出機組自動啟動，自動并車，之后帶載運行。

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電，且主控柜在沒有接收到消防信號的情況下，柴發機組需向重要負荷以及消防負荷中的常用設備回路供電。

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電，且主控柜在接收到消防信號的情況下，主控柜切斷重要負荷回路，柴發機組只向消防負荷回路供電。

(3)柴發機組停機邏輯

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電中任意一路返回且主控柜檢測到該供電回路中ATS市電側合閘狀態反饋信號返回，主控柜控制分閘相應供電回路中的機組饋線開關，此時：1)若其他變壓器組市電都正常供電的情況下，柴發機組空載運行5min后停機；2)若其他變壓器供電回路中的兩路市電仍處于失電狀態，柴發機組繼續運行帶載，直至所有供電回路市電正常供電，柴發機組空載運行5min后停機。

3.7 柴油發電機房用配電箱/柜設置

柴發發電機房內設置雙電源配電箱為柴發機組輔助設備提供低壓電源。雙電源回路分別引自變壓器普通母線段和應急母線段；電啟動系統、接地柜和電動百葉由機組自帶UPS供電。預留電量可根據以下數據進行估算(1 000kW機組)：1)每臺發電機組電加熱器：AC380V，15kW；2)每臺發電機組尾氣凈化系統控制器：AC380V，1kW；3)機房接地柜：AC220V，1kW；4)機房日用油箱控制柜(含回油泵電源)：AC380V，5kW；5)機房室外油罐控制柜(含供油泵電源)：AC380V，8kW；6)數字并聯主控制柜：AC220V，1kW。

3.8 接地

本工程各柴油發電機房的兩臺柴油機組并列運行，機組的中性點經接觸器接地；當中性導體存在環流時，只需將其中一臺發電機的中性點(接觸器常開觸點閉合)接地。本項目每座柴油發電機房的兩臺柴發機組共用一個接地柜，接地柜由柴發機組配套提供。

柴油發電機房的接地采用與大樓共用統一的接地裝置，要求接地電阻≤0.5Ω，實測不滿足要求時，增設人工接地極。控制室設有等電位端子箱，采用熱鍍鋅扁鋼與基礎接地裝置聯結。

4 規范條款對柴發機房設計提出的新要求

在柴油發電機組的設計中，還需注意GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)中對柴油發電機組提出的新的設計要求及相關條款的變化。

4.1 柴油發電機房設置位置

GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)中5.4.13條第2款要求：民用建筑內的柴油發電機房不應布置在人員密集場所的上一層、下一層或貼臨。此條為強條，因此在方案階段，選擇柴油發電機房位置時務必需要注意避開人員密集場所。

4.2 水專業滅火形式的調整引起的電氣相應調整

GB 50016—2014《建筑設計防火規范》(2018年版)中5.4.13條第6款要求：應設置與柴油發電機容量和建筑規模相適應的滅火設施，當建筑內其他部位設置自動噴水滅火系統時，機房內應設置自動噴水滅火系統。

根據此條款，目前給排水專業在柴油發電機房內采用普通的水噴淋系統，而不是之前設計的水噴霧系統。因此，為了防止誤噴水對柴油發電機房內設備造成不利影響，建議電氣人員在設計中可采用如下措施。

(1)無論柴油發電機組容量大小，均建議設置柴油機房控制室；柴油發電機組相關設備均放置在控制室內。

(2)對于沒有條件設置在控制室內的設備(母線、接地電阻柜等)需相應提高其防護等級。

(3)火災自動報警系統設計的調整：由于滅火形式的改變，在火災自動報警系統設計時，柴油發電機房探測器的形式也相應改變。由之前配合水噴霧系統，設置的感溫和感煙的探測器組合形式，調整為只設置感溫探測器即可。

5 結束語

柴油發電機組是保證建筑供電安全的重要設備，柴油發電機組設計還涉及到柴油發電機組容量選擇、設備運輸、消聲降噪、機房設備布置等各方面問題，由于論文篇幅有限，不再一一闡述。