康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机组容量大小的选择原则和功率计算

 

摘要：柴油发电机组是企业生产中主要的备用电力来源 ，在企业用电中有着举足轻重的作用 ，柴油发电机组的选型将直接影响整个企业供电系统的可靠性。康明斯公司在本文重点探讨如何合理、准确地选择发电机组的容量。在选择柴油发电机组容量时，应根据实际工程情况确定合适的功率参数种类，根据公式准确计算并校验得出机组功率，最后按环境条件对功率进行修正。

 

一、柴发机组功率类型和选择

 

      柴油发电机系统是民用建筑广泛采用的应急电源之一。在市政断电的突发事件时，民用建筑的UPS或高压直流后备蓄电池进入放电模式，保持设备供电的连续性。与此同时，民用建筑配置的柴油发电机组迅速启动、完成并机，向整栋民用建筑提供电力保障。合理配置柴发系统决定了设备不间断供电的安全、可靠、长久。民用建筑前期设计规划过程中，应根据民用建筑外市电引入容量，配置柴油发电机组作为灾备应急供电保障。 

1、柴发机组功率种类

     柴油发电机组功率类型多种多样，在进行发电机组功率选择时，首先要了解所选择或所需要的是哪一种功率参数。通常柴油发电机组功率会在发电机组牌上面有明显标识，常见的有备用功率、常用功率和连续功率等，但这些功率参数没有统一的标准定义，而且各厂家所标注的功率及对其的定义也不尽相同。

     在相关国家规范及标准定义中，柴油发电机组功率种类主要有四种：持续功率、基本功率、限时运行功率以及应急备用功率。持续功率和基本功率的每年运行时间均不受限制，前者通常用于负荷较稳定且需持续供电的场所，后者一般用于负荷多变且需要连续供电的场所。限时运行功率和应急备用功率的每年运行时间均受限，前者不超过500 h，后者不超过200 h。限时运行功率通常用于负荷较稳定但无需长期持续供电的场所，应急备用功率则一般用于市电供电较可靠的场合，提供短时供电和消防负荷供电。

2、柴发机组功率选择的原则

      民用建筑电气设计中，柴油发电机组一般作为备用电源，为消防时的消防负荷和非消防市电停电时的重要负荷提供临时供电，平时一般不启动，发电机组功率选择太大会造成一次投资成本的浪费，而选择太小则无法满足实际使用功能的需求，且后者尤为重要。发电机组能否正常供电、消防设备能否正常运行关系着居民的人身和财产安全，因此，在设计中需要准确地选择发电机组的功率。柴油发电机组功率选择的原则主要有以下几点：

① 柴油发电机组的功率和台数应根据负荷大小、投入顺序以及单台电动机最大起动功率等因素综合确定。如果负荷较大，可以采用多机并列运行或分区供电。

② 柴油发电机组容量要满足电动机自启动时母线最低电压，不得低于额定电压的75%，当有电梯负荷时，不得低于额定电压的80%，当电压不能满足要求时，可在运行情况允许的条件下将负荷分批启动。

③ 在满足上述原则的前提下尽可能保证经济合理。

3、柴发机组的结构类型

（1）开架式柴发机组

      该型柴油发电机组的采用开放式结构，也就是无外罩状态，外观结构如图1所示。整个机组可以拆分成发电机与柴油机两部分进行安装，能够轻松地组装和调整，适用于发电机房内使用的安装场所。

① 维修简单

      开架式柴油发电机组内部布置十分简洁明了，便于故障排除及维修。和封闭式机房相比，开架式机组可以快速拆卸，维修和更换零部件也比较方便，大大减少了维护时间和费用。

② 运行稳定

      开架式柴油发电机组的各个部件分开安装，减少了热量和噪音的相互影响，使发电机组的运行更加平稳、稳定。同时，开架式柴油发电机组的发动机散热效果更加出色，能够有效降低设备间的温度，提高设备的使用寿命。

③ 灵活性强

      开架式柴油发电机组在通用性和灵活性方面要优于封闭式柴油发电机组。机组的柴油机和发电机能够单独更换，而且可以随意更换型号和配置，以满足用户的不同需求。同时，开架式柴油发电机组的日常维护保养也更加灵活、方便。

（2）静音箱式发电机组

      静音箱式发电机组属环保型产品，外观结构如图2所示。一般发电机组在运行时，噪声可达103dB（A）以上，对环境造成严重污染，通常情况下是对机房进行隔声处理，使机房外面噪声达到环保要求，但是对于一些无条件建立机房的场合，带静音箱外罩的发电机组便应运而生。静音箱式发电机组噪声等级分80dB(A)和75dB(A)两种，用户可根据实际使用要求选取。简单来说，静音箱式发电机组是在普通型柴油发电机组的基础上，增加多层屏障阻抗错配式隔声罩，高效阻抗复合式消音器，来实现柴油发电机组的降噪隔声。

 

图1  开架式柴油发电机组示意图

图2  集装箱柴油发电机组电站

 

二、柴发机组容量的计算

 

1、估算方法

      在方案设计阶段和初步设计阶段，一般按以下两种方法进行估算，并取其中较大者：

① 按总建筑面积估算，总建筑面积在10000㎡以上按15～20 W/㎡估算，总建筑面积在10 000㎡以下按10～15 W/㎡估算；

② 按变压器总安装容量估算，发电机组容量可按配电变压器总容量的10%～20%进行估算，建筑物规模大时取下限，规模小时取上限。

       在施工图设计阶段，应根据消防负荷及一、二级重要负荷的容量，按发电机组供电范围内的总设备容量（稳定负荷）计算发电机容量，同时根据最大一台或一组电动机启动的需要、启动电动机时母线允许电压降、柴油发电机房内储油量，对发电机容量进行计算校验。

2、计算方法 

      柴油发电机组容量的选择除了要考虑柴油发电机组所带负荷的大小外 ，还应考虑到大功率电动机或电动发电机组启动对发电机电网所造成的冲击等因素。

（1）根据所带负荷的大小确定发电机组容量的计算公式 ，即按稳态供电负荷计算 ，公式为 :

S = α ×PΣ(ηΣ ×COSΦ) (KVA) ......................................(1)

式中 ：PΣ ———供电总负荷；

ηΣ ———计算效率；

α ———负荷率 0. 8～1. 0；

COSΦ———发电机功率因数。

      采用上述公式计算是确定发电机组容量的基本方法 ，如所带负荷中无大功率电机 ，无启动冲击电流 ，采用该方法即可确定发电机组容量 ，如电网中还有较大功率电机 ，有启动冲击电流 ，则还需要校验母线允许电压降及发电机端瞬时电压降及电机启动本身需要。

（2）按母线允许的瞬时电压降计算 ，公式如下 ：

S = Pn ×K×C ×Xd[ (1ΔE) - 1] ......................................(2)

式中 ：Pn ———大功率电发电机组容量；

K ———电动机启动电流倍数；

C ———按启动方式确定的系数，全压启动；

C = 1，Y ———Δ 启动0. 67 ，自藕降压0. 25～0. 64；

Xd ———发电机暂态电抗 0. 25 ；

ΔE ———母线允许瞬时压降 ， 有电梯0. 2 ，无电梯 0.25～0. 3。发电机端电压瞬时压降一般不大于 20 % ，启动瞬时发电机端电压 := 1.05UH 以标幺值表示为1.05。

 Xq ———发电机端子外电路计算电抗 ,以标幺值计。

（3）另外还需校验电动机启动时 ，本身能顺利启动所需条件 ，公式为 :

S = [ ( PΣ - PM) ηΣ + PM ×K ×C ×COSΦ ] COSΦ ......................................(3)

式中 ：P ———电动机容量；

COSΦ ———电动机启动功率因数，取0.4；

K ———电动机启动电流倍数；

C ———按启动方式确定系数 ，全压启动C = 1 ， Y - Δ 启动 0. 67 ，自藕降压 0. 25～0. 64。

      通过以上公式 ，取最大者来确定发电机组容量。

（4）另外在海拔较高地区还要对发电机容量进行修正 ，每台发电机组输出功率按下式计算 :

P = { Ne[ C - (1 - C ) ] - Np} ×η ......................................(4)

式中 ：P ———发电机组的实际输出功率；

Ne ———发电机组的标定功率 ；

Np ———发电机组风扇消耗的功率 ；

η ———发电机的效率 ；

CFM———MM 大气状况率修正系数 1 ，根据大气状况按《内燃机台架性能试验方法》的可调油量法功率的修正公式计算；

C1 ———进排风阻力影响修正系数 ，地面取 1. 0。

 

三、柴发机组的布置要求 

 

      柴油发电机房的布置要求着重考虑安全性、噪音控制、通风、温湿度、照明和排水等方面，这些要求的落实将有助于确保发电机的可靠运行和延长设备的使用寿命。本文布置要求是根据康明斯发电机组参数来设定的，外形实物如图3所示。

1、机房位置的选择及大小要求

（1）柴油发电机组作为备用电源 ，尽量靠近工厂的总配电柜 ，以便接线方便 ；

（2）为防噪音、震动污染应尽量远离工作区和生活区 ，避开主要出口通道 ；

（3）应考虑运输、安装、检修方便 ；

（4）应考虑储油、运油方便 ；

（5）应考虑水、烟污染问题等。

      一般发电机组机房都建在地下室或者地面一层，如机房单建则机房应有两堵外墙 ，机房大小应根据发电机组数量及大小来确定 ，发电机组之间间距及距墙壁的距离应满足以下表中要求。

表1 　 发电机组外廓与墙壁的净距（m）

 

2、通风冷却系统

      发电机房的进排风系统典型设计如图4所示。一般排风的作法是设置热风通道 ，热风通道与散热器连在一起 ，连接处用软接头 ，热空气在发动机的一端排出 ，应将排风槽伸出建筑物外 ，以防任何热空气回流 ，因为如果这些热空气由冷却系统引入机房 ，将会导致发动机过热 ，如被引入作为燃烧用 ，还将损耗功率。

      一般出风口的面积最小应为散热器面积的 1.5 倍。如机房设在首层 ，发动机进风口位置尽可能紧靠新鲜空气的进口端 ，这样就可不必设进风槽 ，只需装设进风百叶窗或装有百叶窗的机房门即可 ，但进风面积必须满足发电机组要求 ，一般柴油发电机组运行时 ，发电机组及排烟管道等部件都向机房内散发热量 ，使机房温度升高 ，同时还会散发一些有毒气体 ，发电机组运行还需要足够的新鲜空气 ，故机房需进行通风降温。

4、供油储油系统

      柴油发电机组运行需供应大量柴油 ，必须储备一定的油量 ，对小型发电机组只需设油箱 ，对大一点的发电机组应设置储油间 ，如再大的发电机组还应在室外专设储油设施。柴油机储油量按下式计算 ：

V = G ×t ×K 1000AR ......................................(5)

式中 ：G ———发电机组每小时耗油量 ， G =geNe1000 ，geNe 分别为机组耗油率及标定功率 ;

t ———发电机组运行时间 ，(3～8 小时) ;

K———安全系数 ，一般取 1. 1～1. 2 ;

A ———容积系数 ，一般取 0. 9 ;

R ———燃油密度 ，轻柴油约为 0. 85。

      油箱安装时应注意以下几点 ，油箱 (罐) 最高油面不能比发电机组底座高出2. 5m ，否则应在中间加日用油箱 ；出油位要比油箱底高 50mm ，以免将沉淀物吸入发电机组 ；油箱底应加额外的盛油盘将溢 出的油收集 ；油箱顶必须带检视口 ，以便检修 ；送油管应为黑铁管 ，不能用镀锌管 ，以免产生化学反应 ，损害发电机组 ；回油管油路到油箱必须保持在 2. 5m 高度以下。

 

图3  KTAA19-G6A康明柴油发电机组

图4  柴油发电机组通风系统安装图

 

5、排烟消音系统

（1）排烟系统应尽可能布置的短平 ，但应满足当地规划、环保部门的规定 ，尽量少用弯头及长径型的弯头。热排烟因高速流动 ，使流线变得异常不稳定 ，若其流向急转变化 ，将使排烟系统的背压加大 ，阻碍排烟效果 ，从而导致发电机组的功率损失 ，因此应尽可能的降低背压。当条件要求增加排烟系统的长度大于 9m 时 ，则排烟管径应加大。从发动机排烟总管排出的第一段管道必须包含一段柔性软管或波纹管 ，排烟管的第二段应被支撑住 ，以容许柔性管走动时 ，不致于将承重施加于发电机的总管上。排烟管壁厚应大于 3mm。

（2）当排烟管需要穿过墙壁时 ，应当配置套管或壁外套板 ，否则墙壁将会因过度受热而出现裂缝 ， 并有可能造成火灾。排烟口应远离建筑物进气栏或门窗 ，设计成防雨型 ，在靠近发动机的长排烟管处配置疏水点或泄水收集盘。

（3）排烟管道上应设置排烟消音器 ，根据场所的不同选用不同的消音器 ，对噪音控制要求不高场所 ；管道顶端用共震或吸收式消音器 ，对控制噪音要求较高场所用住宅消音器 ，有易爆气体场所用火花制动器式消音器。其中，住宅型消声器外形如图5、图6所示。

（4）对于小型发电机组 ，当地环保部门允许时 ，烟气可直接排入大气 ，对较大发电机组 ，当地环保部门一般不允许烟气直接排入大气 ，还应设置消烟池。消烟池尺寸由发电机组大小决定 ，一般 3～20m³ 。

 

图5  住宅型消音器外形图

图6  消音器外形结构图

 

总结：

      柴油发电机组选择时应考虑的因素主要包括机械与电气性能、机组的用途、负荷的容量与变化范围、机组的使用环境条件（包括海拔高度、气候条件、噪声）、自动化功能等。而对于安装条件，柴油发电机房应设置在通风良好、水源供应充足的地方，并应远离易燃物品、易爆物品等危险物质。机房内应有明确的应急出口，并设有适当的灭火设备，以确保发电机房的安全性。总而言之，柴油发电机组的设计是一个多专业、多部门密切配合才能完成的工作，电气专业设计过程中，要了解发电机组本身特性，了解当地环保、供电等部门的一些规定，要考虑各专业之间的配合，便于施工、运行管理及维护等。

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