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柴油发电机组的单机额定容量计算公式 |
摘要：随着经济的发展，高层、超高层建筑以及大型公共建筑越来越多，柴油发电机组的使用也越来越普及。柴油发电机组具有起动迅速、结构紧凑、占地面积小、工程量小、维护操作简单等特点，在工程建筑中作为备用电源或应急电源的首选设备。柴油发电机组的设计涉及建筑功能要求、 建筑消防和人员疏散要求、建筑设备用电需求等多方面的要求。本文介绍了柴油发电机组的功能使用要求，结合设计实例分析了施工图中柴油发电机组的容量计算。在工程设计中除按稳定负荷计算发电机组容量外，还应复核发电机组母线允许压降和尖峰负荷对电源质量的影响，以保障柴油发电机组的供电可靠性。
一、柴发功率定义和设置要求
1、柴发选型规定
根据JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》第6.1.2条，柴油发电机组的选择应符合以下规定：
（1）机组容量与台数应根据应急负荷大小、投入顺序以及单台电动机最大起动容量等因素综合确定。当应急负荷较大时，可采用多机并列运行，机组台数宜为2～4台。
（2）在方案及初步设计阶段，柴油发电机组容量可按配电变压器总容量的10%～20%进行估算。在施工图设计阶段，可根据一级负荷、消防负荷以及某些重要二级负荷的容量，按下列方法计算的发电机组最大容量确定：
① 按稳定负荷计算发电机组容量；
② 按最大的单台电动机或成组电动机起动的需要，计算发电机组容量；
③ 按起动电动机时，发电机组母线允许电压降计算发电机组容量。
（3）当有电梯负荷时，在全电压起动最大容量笼型电动机情况下，发电机组母线电压不应低于额定电压的80%；当无电梯负荷时，其母线电压不应低于额定电压的75%。当条件允许时，电动机可用降压起动方式。
柴油发电机组是一种常用的备用电源设备，其容量的准确计算对于满足电力需求至关重要。
2、功率定义
通常柴油发电机组铭牌标称的输出功率分为备用功率（Standly Power）、常用功率（Prime Power）和连续功率（Consecution Power）。
（1）备用功率
备用功率定义为发电机组在规定的维修周期之间和规定的环境条件下能够连续运行300h，每年最多500工作小时的最大功率。备用功率定义示意图如图1所示，等同于国标和ISO标准中的限时运行功率（LTP），一般适用于通信、楼宇等负载变化较多的偶然应急工况。
（2）常用功率
常用功率定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下，每年可能运行的时数不受限制的某一可变功率序列内存在的最大功率。备用功率定义示意图如图1所示，等同于国标和ISO标准中的基本功率（PRP），一般适用于厂矿、军队等负荷变化较少的经常运行工况。
（3）连续功率
连续功率定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下，每年可能运行的时间不受限制的某一恒定功率序列内存在的最大功率。等同于国标和ISO标准中的持续功率（COP），一般适用于作为电站或与市电并网使用等负载变化极小的连续运行工况。
对于柴油发电机组的应用，在确定柴油发电机组功率定额时目前普遍按照常用功率来选择。
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图1 柴油发电机组额定功率（LTP）的定义 |
图2 柴油发电机组额定功率（PRP）的定义 |
二、常见计算方法
柴油发电机组的容量是指其可以提供的最大功率。容量的计算需要考虑到实际使用的负载需求以及设备的可靠性。以下是一些常用的柴油发电机组容量计算方法。
1、功率需求的计算方法
首先，确定需要供电的负载类型和功率需求。根据负载的类型（如电动机、空调、照明等），查找其额定功率。然后，将所有负载的额定功率相加，得到总功率需求。为确保发电机组能够满足负载需求，通常会将总功率需求的1.2倍作为柴油发电机组的容量。
2、电流需求的计算方法
首先，确定需要供电的负载类型和额定电流。根据负载的额定电流，将所有负载的额定电流相加，得到总电流需求。然后，根据电压（通常为220V或380V）计算总功率需求。最后，将总功率需求的1.2倍作为柴油发电机组的容量。
3、功率因数的计算方法
功率因数是指负载所需的有功功率与视在功率之比。根据负载的功率因数，可以通过以下公式计算柴油发电机组的容量：
容量 = 额定功率 / 功率因数
其中，额定功率为负载的额定功率。
需要注意的是，柴油发电机组的容量一般以千瓦（kW）为单位。在实际应用中，还需要考虑到负载的起动电流、功率因数的变化以及柴油发电机组的可靠性等因素。
三、容量计算公式
在施工图阶段，可根据已有的配电干线负荷、单台最大电动机容量等来计算所需的柴油发电机组的容量。一般应急电源只设单台发电机组，其容量大小按应急负荷大小和电动机容量等因素综合考虑确定。在施工图阶段可根据一级负荷、消防负荷以及某些重要的二级负荷容量，按下述方法计算并选择其中容量最大值，若有条件可使用专业的计算软件系统。
1、按稳定负荷计算容量
SG1=P∑/η∑cosφ...............（公式1）
式中：P∑——发电机组总负荷计算功率；
η∑——所带负荷的综合效率，一般取0.82～0.88；
cosφ——发电机组额定功率因数，一般取0.8。
按稳定负荷计算时，需要输入的参数为发电机总负荷计算功率，所带负荷的综合效率以及发电机额定功率因数。其中后两项软件给定了常用的默认值，用户可以随时修改。点击计算，就可以生成计算结果，如图3所示。
2、按尖峰负荷计算容量
SG2=KjSm/KG...............（公式2）
式中：Kj——尖峰负荷造成的电动机功率下降的系数，一般取0.90～0.95；
KG——发电机组允许短时过载系数，一般取1.4～1.6；
S——最大的单台电动机或成组电动机的起动容量。
按尖峰负荷计算计算时，需要输入参数主要有“最大的单台电动机或成组电动机的启动容量Sm”，或者也可以输入Sm的有功功率和无功功率。如果知道Sm直接输入就可以，后两项不用再输入。如果不知道Sm数值，可以通过给定后两项参数来计算Sm以及生成发电机的视在功率。如图4所示。
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图3 柴油发电机组容量计算软件工具（按尖峰负荷） |
图4 柴油发电机组容量计算软件工具（按稳定负荷） |
3、按发电机组母线允许压降计算容量
SG3=（1-△U）Xd'SsT△/△U...............（公式3）
式中：△U——发电机组母线允许压降，其曲线如图5所示，一般取0.2；
Xd’——发电机组瞬态电抗，一般取0.2；
SsT△——导致发电机组最大电压降的电动机的最大起动容量。
按发电机母线允许压降计算时，输入参数主要是导致发电机最大电压降的电动机的最大起动容量。其它参数软件已经给了默认值，用户可以自行修改。如图6所示。
柴油发电机组的额定功率是在外界大气压力为101.325 kPa、温度为20℃、相对湿度为50%的情况下，保证能连续运行12 h的功率（包括超负荷110%运行1 h）。如连续运行时间超过12h，则应按90%额定功率使用。如气压、气温、湿度与上述规定不同，应对柴油发电机组的额定功率进行修正。
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图5 最大峰值电流与发电机压降关系曲线图 |
图6 柴油发电机组容量计算软件工具（按母线允许压降） |
四、设计实例一
某住宅小区地上有两栋一类高层住宅建筑，地下室为汽车车库。根据当地供电部门要求，由市政提供两路10 kV电源供电，并设置柴油发电机组作为备用电源。当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏。10 kV电源发生故障时，15 s内自起动应急柴油发电机组，以保证一、二级负荷的供电要求。柴油发电机组外观一般如图7所示，实物安装布置如图8所示。
1、按稳定负荷计算容量示例
施工图负荷计算书中消防负荷为430.9 kW，非常消防负荷为273.7 kW。因此，按稳定负荷中消防负荷的功率来选择一台512 kW柴油发电机组，cosφ=0.8，由式（1）得发电机组容量为
SG1=576 kVA
2、按尖峰负荷计算容量示例
该项目最大电动机容量为90 kW，其起动容量Sm=KPm/cosφ，其中Ka=6.5，cosφ=0.7，计算得Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另K;=0.95，Kc=1.4，由式（2）得，发电机组容量为
SG2=0.95×835/1.4=567 kVA
根据计算结果，Sc₁>Sc₂，柴油发电机组容量Sci=576 kVA满足尖峰负荷对柴油发电机组的要求。
3、按母线允许压降计算容量示例
该项目最大电动机容量为90 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，计算出起动容量Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另△U=0.2，Xa=0.2，则由式（3）得，发电机组容量为
SG3=（1-0.2）×0.2×835/0.2=668 kVA
柴油发电机组容量Sc₃=668 kVA时，满足发电机组母线允许压降的要求。该项目所在地区为非高海拔地区，同时柴油发电机组未要求连续运行12 h，故无需按90%的长期运行功率来修正柴油发电机组的额定功率。
根据上述计算结果可知，SG3>SG1且SG3>SG2，故选用668 kVA柴油发电机组。
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图7 柴油发电机组外观示意图 |
图8 柴油发电机组设置实例 |
五、设计实例二
某商业综合体总建筑面积约为30万m²，建筑防火分类为I类高层建筑，采用多路10 kV进线设计，其中当一组电源发生故障时，另一组电源应不应同时受到损坏。为保证一级负荷中特别重要负荷的供电可靠性，设置应急柴油发电机组作为备用电源。
1、按稳定负荷计算容量示例
施工图负荷计算书中，消防负荷为950 kW，非消防负荷为1750 kW。因此，按稳定负荷中非消防负荷的功率来选择一台2000 kW柴油发电机组，cosφ=0.8，由式（1）得，发电机组容量为
Sa=2250 kVA
2、按尖峰负荷计算容量示例
该项目最大电动机容量为110 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，计算出起动容量Sm=6.5×110/0.7=1021 kVA。由式（2）得，发电机组容量为
Sc₂=0.95×1021/1.4=692 kVA
柴油发电机组容量Sc₂=692 kVA时，满足尖峰负荷对柴油发电机组容量的要求。
3、按母线允许压降计算容量示例
该项目最大电动机容量为110 kW，K，=6.5，cosφ=0.7，计算出起动容量Sm=6.5×110/0.7=1021kVA。由式（3）得发电机组容量为
Sc₃=（1-0.2）×0.2×1021/0.2=816 kVA
柴油发电机组容量Sc₃=816 kVA时，满足发电机组母线允许压降的要求。
该项目所在地区为非高海拔地区，同时柴油发电机组未要求连续运行12 h，故无需按90%的长期运行功率来修正柴油发电机组的额定功率。根据上述计算结果可知，Sc>Sc且Sci>Sc₃，故选用2250 kVA柴油发电机组。
六、选择的经济性分析
对于设计实例二，是选择一台2000 kW的柴油发电机组，还是选择两台1000 kW的柴油发电机组，需要对其经济性进行考虑。
1、机组价格
以康明斯发电机组为例，单台2000 kW柴油发电机组价格约为260万元；单台1000 kW柴油发电机组价格约为100万元。因此，选择单台柴油发电机组比选择两台柴油发电机组高出60万元。
2、机房面积
单台2000 kW柴油发电机组机房面积约为40 m²;两台1000kW柴油发电机组机房面积约为75 m²。两台1000 kW柴油发电机组的机房面积几乎为单台2000 kW柴发机组的机房面积的2倍。
综上所述，两种柴发机组设计方案均有利有弊，一种前期投入高，但减少了机房的面积；另一种前期投入相对少，但增加了机房的面积，可能对商业的出租面积以及车位数量有影响。柴油发电机组设计方案的选择，应根据项目的整体运营及业主的实际使用需求来决定。
总结：
随着大型公共建筑的发展，作为应急电源的柴油发电机组，更应保证其设计的可靠性和稳定性。在工程设计中，除按稳定负荷计算出发电机组容量外，还应复核发电机组母线允许压降和尖峰负荷对电源质量的影响，以保障作为应急电源的柴发机组的供电可靠性。柴油发电机组的容量还可以根据特定行业或应用的要求进行计算。例如，在建筑工地上使用的柴油发电机组，其容量需要考虑到工地设备的功率需求以及起动电流；而在医院等特殊场所使用的柴油发电机组，其容量需要满足重要设备的供电要求，确保正常运行。柴油发电机组容量的计算需要综合考虑负载的功率需求、电流需求、功率因数以及特定应用的要求。通过合理计算柴油发电机组的容量，可以确保设备能够提供足够的电力，并保证电力系统的可靠性和稳定性。
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