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柴油发电机的机房设计 |
摘要：企业安全运行与电源系统有很大的关系，为了保证电源系统的安全、可靠、稳定，需要按照现行规范对供配电系统做认真规划和设计，其中主要难题是后备柴油发电机的设计要点。高层建筑造价昂贵，特别是首层通常用于对外营业，属黄金地带，因此，机房一般都设在地下室。由于地下室出入不宜、自然通风条件不良，给机房设计带来一系列不利因素，本文就高层建筑中在地下室安装柴油发电机组的设置原则、机组选择、机房设计等问题提出一些粗浅的认识。
一、设置原则
在高层建筑供电设计中，首先必须明确什么情况下应设置柴油发电机组，我们先从高层建筑的负荷等级谈起。
1、高层建筑中的消防水泵、防排烟设施、消防电梯、应急照明等消防用电，按照《高层民用建筑设计防火规范》（GB5004595）9.1.1条规定，一类高层建筑应按一级负荷要求供电，二类高层建筑应按二级负荷要求供电。
2、按《民用建筑电气设计规范》（JBJ/T1692）3.1条规定，高层建筑中许多部位的负荷为一级负荷，如，一、二级旅馆的宴会厅、娱乐厅、高级客房、厨房，重要办公建筑的客梯电力、主要办公室、会议室照明，大型百货商店的营业厅照明；一级负荷中还含有特别重要负荷，如，重要的交通枢纽、通讯枢纽以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等为一级负荷。还有一些部位的负荷为二级负荷，如，百货商店的自动扶梯、客梯电力，部、省级办公建筑的主要办公室、会议室照明等。一级负荷应由两个电源供电；二级负荷当条件允许时也宜由两个回路供电，特别是属于消防用电的二级负荷，应按二级负荷的两个回路要求供电。由此可见，高层建筑对供电的可靠性要求较高，考虑设置柴油发电机组的原则如下。
3、对电网能够提供二个独立电源的高层建筑，按规范已经满足了一、二级负荷的要求，原则上可不设柴油发电机组。但是，对于特别重要的高层建筑（如，超高层建筑），其内部含有特别重要负荷，应考虑其一电源系统检修或故障时，另一电源系统又发生故障的严重情况，此时，一般应设柴油发电机组作为应急电源。
4、对于当地电网只能提供一路电源；或取得第二电源有困难或不经济合理的高层建筑，应设柴油发电机组提供第二电源。此时，柴油发电机组是作为备用电源使用，不仅仅是应急用。
5、按照我国旅游饭店星级标准，四星级及五星级宾馆应设自备发电系统。以上是设置柴油发电机组的基本原则。值得一提的是，在国内外一些高层建筑中，即使市网供电相当可靠，可以满足规范要求，但也都设置了自备应急发电机组，以便当市网万一中断供电，一方面能保证停电期间消防用电的需要，同时也能使大厦的基本秩序得以维持。
二、柴发型式选择
柴油发电机组由柴油机、发电机、启动电机弹性联轴节及支撑底座组成。套发电机组放置在重型钢架机座上， 全焊接结构， 可精确地校正和支撑引擎/交流发电机， 底座架上有吊机孔作运输及安装之用。在发电机组与公共底盘之间，根据发电机组的动、静载荷选配适合的减震器， 大大减少机组工作的振动对周围的传递。该减震器高频波动率较小， 对瞬态冲击响应及瞬时过载工况等引起的自振能迅速消失； 该减震器采用碗形上盖， 三相刚度相等， 有防剪切性能。具有调压精度高、动态性能好电压波形畸变小、效率高、结构紧凑、维修方便、工作可靠、使用寿命长和经济性能好等特点。
1、启动方式
柴油发电机在启动时，必须依靠外力驱动曲轴旋转，当达到一定转速时，气缸内的空气被压缩到一定的压力和温度时，喷进气缸的燃油开始燃烧，柴油发电机才开始正常地运转起来。
当采用自动信号控制启动电动机或控制压缩空气阀，并对润滑系统和冷却系统采取措施后，便可实现机组自启动。在高层建筑中宜采用电启动方式，避免采用压缩空气启动方式。一类高层建筑中一定要选择带自启动装置的柴油发电机组，一旦市网供电中断，必须在15S内供电（《高建规范》要求30ｓ）。二类高层建筑中有条件时，也宜采用带自启动装置的机组，有困难时也可采用手动启动装置。
2、转速
柴油发电机组按转速分高、中、低三类。高速转速≥1000转/分钟；中速转速在300～1000转/分钟；低速转速≤300转/分钟。在高层建筑中应选用转速1000～1500转/分钟的高速机组。此种机组具有体积小、重量轻、运行可靠等优点。
3、冷却方式
柴油发电机在运行中由于柴油的燃烧产生高温，为保证柴油发电机受热机件及增压器外壳等部分不受高温的影响，并保证各工作面的润滑，要在受热部分进行冷却。柴油发电机冷却不良、机件温度过高时，将会引起一些故障。柴油发电机机件也不能过度冷却，机件温度太低也会造成不良后果。
由此可见，冷却系统的功用是从各受热机件传走部分热量，使机件保持正常的工作温度。柴油发电机的冷却方式有水冷和风冷两种。水冷方式即用水冷却气缸，风冷方式即用风冷却气缸。水冷机组中一种为封闭式自循环水冷却机组，它是由散热水箱、水泵、柴油发电机机体的水冷腔，再返回到散热水箱，而散热水箱是利用机组上的风扇进行冷却的，另一种为开式循环冷却机组。在高层建筑中，一般情况下应选择闭式水循环冷却的整体机组，此种机组所占面积和空间较小。
4、励磁系统
励磁系统是发电机的主要组成部分。励磁系统调节的主要任务是维持电压处于一定水平、增加输送功率和输送距离、提高系统的动态稳定性等。励磁装置有很多种，高层建筑中一般选择无刷自动励磁装置。采用此种励磁方式的发电机组特点是：当与自动电压调整装置配套使用时，其稳态电压调整率可保证在±2.5％以内，这种类型机组能适应各种运行方式，易于实现机组自动化或对发电机组的遥控。
5、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。
6、台数
由于柴油发电机组是第二电源或第三电源，就不必为它再设“备用”，也就是说一个工程可以只设一台。如果容量过大，可以设两台，这两台可并联运行，并考虑可互为备用。柴油发电机组的单台容量不宜大于1000KW。
三、机房设计
现代单机型柴发大部分采用隔音降噪机房，其柴油发电机房的平面和立面设计如图1、图2所示。
1、柴油发电机房的选址
考虑到柴油发电机组的进风、排风、排烟等情况，如果有条件时机房最好设在首层。但是，高层建筑造价昂贵，特别是首层通常用于对外营业，属黄金地带，因此，机房一般都设在地下室。由于地下室出入不宜、自然通风条件不良，给机房设计带来一系列不利因素，设计中要注意处理好。机房选址时应注意以下几点：
① 不应设在四周无外墙的房间，为热风管道和排烟管道导出室外创造条件；
② 尽量避开建筑物的主入口、正立面等部位，以免排烟、排风对其造成影响；
③ 注意噪音对环境的影响；
④ 宜靠近建筑物的变电所，这样便于接线，减少电能损耗，也便于运行管理。
2、通风
柴油发电机房的通风问题是机房设计中要特别注意解决的问题，特别是机房位于地下室时更要处理好，否则会直接影响柴油发电机发电机组的运行。机组的排风一般应设热风管道，不宜让柴油发电机散热器把热量散在机房内，再由排风机抽出。机房内要有足够的新风补充。柴油发电机在运行时，机房的换气量应等于或大于柴油发电机燃烧所需新风量与维持机房室温所需新风量之和。维持室温所需新风量由下式计算：
C=0.078PT
式中，C———需要的新风量（m³/S）；
P———柴油发电机额定功率（KW）；
T———机房温升（℃）。
维持柴油发电机燃烧所需新风量可向机组厂家索取，若无资料时，可按每千瓦功率需要0.1m³/分钟计算（柴油发电机功率按发电机主发电功率千瓦数的1.1倍配备）。柴油发电机房的通风一般采取排风设置热风管道，进风为自然进风的方式。热风管道与柴油发电机散热器连在一起，其连接处用软接头，热风管道应平直，如果要转弯，转弯半径尽量大而且内部要平滑，出风口尽量靠近且正对散热器。进风口与出风口宜分别布置在机组的两端，以免形成气流短路，影响散热效果。机房的出风口、进风口的面积应满足下式要求：
S1≥1.5ｓ
S2≥1.8ｓ
式中，S———柴油发电机散热面积；
S1———出风口面积；
S2———进风口面积。
在寒冷地区应注意进风口、排风口平时对机房温度的影响，以免机房温度过低影响机组的启动。风口与室外的连接处可设风门，平时处于关闭状态，机组运行时能自动开启。
3、排烟排烟系统的作用
主要为了将气缸里的废气排放到室外。排烟系统应尽量减少背压，因为，废气阻力的增加将会导致柴油发电机出力的下降及温升的增加。排烟管敷设方式常用的有二种：
① 水平架空敷设
优点是转弯少、阻力小，缺点是增加室内散热量，使机房温度升高；
② 地沟内敷设
优点是室内散热量小，缺点是排烟管转弯多，阻力相对较大。
在地下室常用的是水平架空敷设。排烟管应单独引出，尽量减少弯头。排烟温度在350～550℃，为防止烫伤和减少辐射热，排烟管道宜进行保温处理。排烟噪声在机组总噪声中属最强烈的一种，应设消音器以减少噪音。
4、基础
基础主要用于支撑柴油发电机组及底座的全部重量，底座位于基础上，机组安装在底座上，底座上一般都采取减震措施。在高层建筑中一般采用高速柴油发电机组，当机组安装在楼板上即不在最底层时，都不采用重混凝土基础，以免基础过重而增加楼板荷重。当机组位于建筑物底层时，应按机组要求设置混凝土基础。底角螺丝可预埋，也可以等机组到达后再用电钻打孔安装。
5、机房接地
柴油发电机房一般应用三种接地：
① 工作接地：发电机中性点接地；
② 保护接地：电气设备正常不带电的金属外壳接地；
③ 防静电接地：燃油系统的设备及管道接地。各种接地可与高层建筑的其它接地共用接地装置，即采用联合接地方式。
6、供油系统设计
（1）为满足柴油发电机组运行的用油要求， 根据GB 50174 - 2014、GB 50016 - 2014等规范要求， 本示例工程在柴油发电机房内每台机组均单独设有日用油箱间， 日用油箱间内储存有1m2的日用燃油。结合日用油箱间， 还在地下一层设置油泵供油系统， 在室外设置储油罐， 通过油泵系统自动供油， 满足柴油发电机组运行时间不小于72 h 的用油要求。
（2）各个日用油箱上均设有液位控制仪， 当日用油箱内的油处于低液位时， 油泵启动， 将埋在室外储油罐内的柴油输入日用油箱内； 反之，当日用油箱内的油处于高液位的时候， 供油泵自动关闭。当油位超过设置液位范围时，报警器自动报警。当油位超过超高液位、柴油发电机发生故障或火灾自动报警系统报警时，排油电磁阀启动，将油排至室外储油罐。日用油箱的油直接供柴油发电机使用，柴油发电机的回油，回到日用油箱继续使用，日用油箱底部的排油管和溢油管接入溢油桶，溢油桶安装液位显示，当液位处于高位时，经手摇泵输入日用油箱继续使用。
（3）燃油的储量
机房内需设置3～8h的日用油箱，其容积可按下式计算：
V=G•γ•A•T
式中，V—日用油箱容积（m³）；
G—柴油发电机燃油消耗量（kg／h）由样本查出；
γ—燃油重度（kg／m³），轻柴油为810～860kg／m³；
A—油箱充满系数，一般取0.90；
T—供油时间，一般取3～8h。
当机房设在高层建筑内时，日用油箱应设专用房间，用防火墙与柴油发电机隔开。
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图1 发电机房平面设计图 |
图2 发电机房立面布置图 |
总结：
上述内容主要适用0.4KV低压柴油发电机组，但是与高压发电机组安装设计是完全不匹配的。因为高压柴油发电机组除了机房环境要求和空间面积更加严格外，其配电系统也是完全不同的，主要是由高压进线柜、出线柜、PT柜和接地电阻柜等组成，用电负荷等级均相对较高。因此，对其主、备用电源的供电可靠性要求相当严格，与之配套的柴油发电机房设计请与供应商咨询。
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