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机房设计与设备安装 |
最新柴油发电机房设计规范与GB布置图集 |
摘要：本文中的发电机房及设备设计规范适用于额定电压为230／400V，单机容量定为2000kW及以下发电机组。主要依照国家标准《往复式内燃机驱动的交流发电机组》GB／T 2820、《自动化柴油发电机组分级要求》GB／T 4712以及《交流工频移动电站额定功率、电压及转速(功率自0.75～2000kW)》GB 12699所规定的发电机组功率和电压而定。
目前我国柴油发电机市场主要分两大类：一是功率100～2000kW进口发电机组。二是国产发电机组，大多功率在400kW以下。目前国产柴油发电机组种类很多，按组装形式可分拖车式、移动式(或称滑动式)、固定式三种。冷却方式有风冷式(又称封闭自循环水冷却方式)和水冷式。启动方式有电启动和压缩空气启动，还有带增压器的增压发电机组和不带增压器的发电机组等。本节中所有条文的规定是以国家标准《往复式内燃机驱动的交流发电机组》GB／T 2820中固定式、应急型柴油发电机组的有关技术数据为依据而制定。对于采用进口发电机组时，也应遵照执行。
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一、一般规定
1、设置规定
① 发电机组靠近负荷中心，为节省有色金属和电能消耗，确保电压质量；
② 发电机组的设置应遵照有关规范对防火的要求，并防止噪声、振动等对周围环境的影响；
③ 从保证发电机组有良好工作环境(如排烟、通风等)考虑，最好将发电机组布置在建筑物首层，但大型民用建筑的首层，往往是黄金层，难以占用。根据调查，目前国内高层建筑的柴油发电机组已有不少设在地下层，运行效果良好。发电机组设在地下层最关键的一定要处理好通风、排烟、消声和减振等问题。
2、确保的供电范围
① 消防设施用电：消防水泵、消防电梯、防烟排烟设施、火灾自动报警、自动灭火装置、应急照明和电动的防火门、窗、卷帘门等；
② 保安设施、通信、航空障碍灯、电钟等设备用电；
③ 航空港、星级饭店、商业、金融大厦中的中央控制室及计算机管理系统；
④ 大、中型电子计算机室等用电；
⑤ 医院手术室、重症监护室等用电；
⑥ 具有重要意义场所的部分电力和照明用电。
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地下室机房降噪布置图 |
二、发电机组的选择
1、功率计算考虑因素
确定发电机组容量时，除考虑应急负荷总容量之外，应着重考虑启动电动机容量。因单台电动机最大启动容量对确定发电机组容量有直接关系。决定发电机组能启动电动机容量大小的因素又很多，它与发电机的技术性能、柴油机的调速性能、电动机的极对数和启动时发电机所带负荷大小和功率因数的高低、发电机的励磁和调压方式以及用电负荷对电压指标的要求等因素有关。因此，设计确定发电机组容量，应具体分析区别对待。
为了便于设计参考，三相低压柴油发电机组在空载时，能全电压直接启动的空载四极笼型三相异步电动机最大容量可参见表1。
表1 机组空载能直接启动空载笼型电动机最大容量
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序号
|
柴油发电机功率(kW)
|
异步电动机额定功率(kW)
|
|
1
|
40
|
0.7
|
|
2
|
50、64、75
|
30
|
|
3
|
90、120
|
55
|
|
4
|
150、200、250
|
75
|
|
5
|
400以上
|
125
|
但应注意，表1所列数值，没有考虑电动机直接启动对发电机组母线电压降加以限制，是以全电压直接启动电动机时，电动开关和失压保护不应跳闸为条件。
2、功率计算公式
根据国内外一些高层建筑用电指标统计，应急发电机容量约占供电变压器总容量的10％～20％。国外建筑物配电变压器容量一般选择得较富裕，因此后一个指标偏差较大。
根据我国现实情况，建筑物规模大时取下限，规模小时取上限。
发电机组的容量可分别按下列公式计算：
① 按稳定负荷计算发电机容量；
式中P∑——总负荷(kW)；
Pk——每个或每组负荷容量(kW)；
ηk—一每个或每组负荷的效率；
η∑——总负荷的计算效率，一般取0.82～0.88；
α——负荷率；
cosφ——发电机额定功率因数，可取0.8。
② 按最大的单台电动机或成组电动机启动的需要，计算发电机容量：
式中Pm——启动容量最大的电动机或成组电动机的容量(kW)
cosφm——电动机的启动功率因数，一般取0.4；
K——电动机的启动倍数；
C——按电动机启动方式确定的系数；
全压启动：C＝1.0
Y-△启动C＝0.67
自耦变压器启动：
50％抽头C＝0.25
65％抽头C＝0.42
80％抽头C＝0.64
P∑、η∑、cosφ意义同公式(1)。
③ 按启动电动机时母线容许电压降计算发电机容量：
式中Pn——电动机总容量(kW)；
X"d——发电机的暂态电抗，一般取0.25；
△E——应急负荷中心母线允许的瞬时电压降。一般△E取0.25～0.3(有电梯时取0.2UH)；
K、C——意义同公式(2)。
公式(3)适用于柴油发电机与应急负荷中心距离很近的情况。
如果外界气压、温度、湿度等条件不同时，则应按照表2～表5中所列之校正系数进行校正。即，实际功率＝额定功率×C。
表2 相对湿度60%非增压柴油机功率修正系数C
|
海拔 (m)
|
大气压
(kPa)
|
大气温度(℃)
|
|||||||||
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0
|
5
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
35
|
40
|
45
|
||
|
0
|
101.3
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.98
|
0.96
|
0.93
|
0.90
|
|
200
|
98.9
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.98
|
0.95
|
0.93
|
0.90
|
0.87
|
|
400
|
96.7
|
1
|
1
|
1
|
0.99
|
0.97
|
0.95
|
0.93
|
0.90
|
0.88
|
0.85
|
|
600
|
94.4
|
1
|
1
|
0.98
|
0.96
|
0.94
|
0.92
|
0.90
|
0.88
|
0.85
|
0.82
|
|
800
|
92.1
|
0.99
|
0.97
|
0.95
|
0.93
|
0.91
|
0.89
|
0.87
|
0.85
|
0.82
|
0.80
|
|
1000
|
89.9
|
0.96
|
0,94
|
0.92
|
0.90
|
0.89
|
0.87
|
0.85
|
0.82
|
0.80
|
0.77
|
|
1500
|
84.5
|
0.89
|
0.87
|
0.86
|
0.84
|
0.82
|
0.80
|
0.78
|
0.76
|
0.74
|
0.71
|
|
2000
|
79.5
|
0.82
|
0.81
|
0.79
|
0.78
|
0.76
|
0.74
|
0.72
|
0.70
|
0.68
|
0.65
|
|
2500
|
74.6
|
0.76
|
0.75
|
0.73
|
0.72
|
0.70
|
0.68
|
0.66
|
0.64
|
0.62
|
0.60
|
|
3000
|
70.1
|
0.70
|
0.69
|
0.67
|
0.66
|
0.64
|
0.63
|
0.61
|
0.59
|
0.57
|
0.54
|
|
3500
|
65.8
|
0.65
|
0.63
|
0.62
|
0.61
|
0.59
|
0.58
|
0.56
|
0.54
|
0.52
|
0.49
|
|
4000
|
61.5
|
0.59
|
0.58
|
0.57
|
0.55
|
0.54
|
0.52
|
0.51
|
0.49
|
0.47
|
0.44
|
表3 相对湿度100%非增压柴油机功率修正系数C
|
海拔 (m)
|
大气压
(kPa)
|
大气温度(℃)
|
|||||||||
|
0
|
5
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
35
|
40
|
45
|
||
|
○
|
101.3
|
1
|
1
|
]
|
1
|
1
|
0.99
|
0.96
|
0.93
|
0.90
|
0.86
|
|
200
|
98.9
|
|
1
|
1
|
]
|
0.98
|
0.96
|
0.93
|
0.90
|
0.87
|
0.83
|
|
400
|
96.7
|
1
|
1
|
1
|
0.98
|
0.96
|
0.93
|
0.91
|
0.88
|
0.84
|
0.81
|
|
600
|
94.4
|
l
|
0.99
|
0.97
|
0.95
|
0.93
|
0.9]
|
0.88
|
0.85
|
0.82
|
0.78
|
|
800
|
92.1
|
0.98
|
0.96
|
0.94
|
0.92
|
0.90
|
0.88
|
0.85
|
0.82
|
0.79
|
0.75
|
|
1000
|
89.9
|
0.96
|
0.94
|
0.92
|
0.90
|
0.87
|
0.85
|
0.83
|
0.80
|
0.76
|
0.73
|
|
1500
|
84.5
|
0.89
|
0.87
|
0.85
|
0.83
|
0.81
|
0.79
|
0.76
|
0.73
|
0.70
|
0.66
|
|
2000
|
79.4
|
0.82
|
0.80
|
0.79
|
0.77
|
0.75
|
0.73
|
0.70
|
0.67
|
0.64
|
0.61
|
|
2500
|
74.6
|
0.76
|
0.74
|
0.72
|
0.71
|
0.69
|
0.67
|
0.64
|
0.62
|
0.59
|
0.55
|
|
3000
|
70.1
|
0.70
|
0.68
|
0.67
|
0.65
|
0.63
|
0.61
|
0.59
|
0.56
|
0.53
|
0.50
|
|
3500
|
65.8
|
0.64
|
0.63
|
0.61
|
0.60
|
0.58
|
0.56
|
0.54
|
0.51
|
0.48
|
0.45
|
|
4000
|
61.5
|
0.59
|
0.58
|
0.57
|
0.55
|
0.54
|
0.52
|
0.51
|
0.49
|
0.47
|
0.44
|
表4 相对湿度60%增压柴油机功率修正系数C
|
海拔 (m)
|
大气压
(kPa)
|
大气温度(℃)
|
|||||||||
|
0
|
5
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
35
|
40
|
45
|
||
|
0
|
101.3
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.96
|
0.92
|
0.87
|
0.83
|
|
200
|
98.9
|
1
|
1
|
1
|
]
|
1
|
0.98
|
0.94
|
0.90
|
0.86
|
0.81
|
|
400
|
96.7
|
1
|
1
|
1
|
1
|
I
|
0.96
|
0.92
|
0.88
|
0.84
|
0.80
|
|
600
|
94.4
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.99
|
0.95
|
0.90
|
0.86
|
0.82
|
0.78
|
|
800
|
92.1
|
I
|
1
|
1
|
1
|
0.97
|
0.93
|
0.88
|
0.84
|
0.80
|
0.78
|
|
1000
|
89.9
|
1
|
1
|
1
|
0.99
|
0.95
|
0.91
|
0.87
|
0.83
|
0.79
|
0.75
|
|
1500
|
84.5
|
1
|
1
|
0.98
|
0.94
|
0.90
|
0.86
|
0.82
|
0.78
|
0.74
|
0.70
|
|
2000
|
79.5
|
1
|
0.98
|
0.93
|
0.89
|
0.85
|
0.82
|
0.78
|
0.74
|
0.70
|
0.66
|
|
2500
|
74.6
|
0.97
|
0.93
|
0.89
|
0.85
|
0.81
|
0.77
|
0.73
|
0.70
|
0.66
|
0.62
|
|
3000
|
70.1
|
0.92
|
0.88
|
0.84
|
0.80
|
0.77
|
0.73
|
0.69
|
0.66
|
0.62
|
0.59
|
|
3500
|
65.8
|
0.87
|
0.83
|
0.80
|
0.76
|
0.72
|
0.69
|
0.66
|
0.62
|
0.59
|
0.55
|
|
4000
|
61.5
|
0.82
|
0.79
|
075
|
0.72
|
0.68
|
0.65
|
0.62
|
0.58
|
0.55
|
0.51
|
表5 相对湿度100%增压柴油机功率修正系数C
|
海拔 (m)
|
大气压
(kPa)
|
大气温度(℃)
|
|||||||||
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0
|
5
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10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
35
|
40
|
45
|
||
|
0
|
101.3
|
1
|
1
|
1
|
|
1
|
0.99
|
0.95
|
0.90
|
0.85
|
0.80
|
|
200
|
98.9
|
1
|
1
|
|
1
|
1
|
0.97
|
0.93
|
0.88
|
0.83
|
0.78
|
|
400
|
96.7
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0.95
|
0.91
|
0.86
|
0.82
|
0.77
|
|
600
|
94.4
|
|
1
|
1
|
1
|
0.98
|
0.93
|
0.89
|
0.8:4
|
0.80
|
0.75
|
|
800
|
92.1
|
I
|
1
|
|
|
0.96
|
0.91
|
0.87
|
0.83
|
0.78
|
0.73
|
|
1000
|
89.9
|
1
|
1
|
1
|
0.98
|
0.94
|
0.90
|
0.85
|
0.81
|
0.76
|
0.72
|
|
1500
|
84.5
|
1
|
1
|
0.98
|
0.93
|
0.89
|
0.85
|
0.81
|
0.76
|
0.72
|
0.67
|
|
2000
|
79.4
|
|
0.97
|
0.92
|
0.88
|
0.84
|
0.80
|
0.76
|
0.72
|
0.68
|
0.63
|
|
2500
|
74.6
|
0.97
|
0.92
|
0.88
|
0.8.4
|
0.80
|
0.76
|
0.72
|
0.68
|
0.64
|
0.59
|
|
3000
|
70.1
|
0.92
|
0.88
|
0.84
|
0.80
|
0.76
|
0.72
|
0.68
|
0.64
|
0.60
|
0.56
|
|
3500
|
65.8
|
0.87
|
0.83
|
0.79
|
0.75
|
0.71
|
0.68
|
0.64
|
0.60
|
0.56
|
0.52
|
|
4000
|
61.5
|
0.82
|
0.78
|
0.75
|
0.71
|
0.67
|
0.64
|
0.60
|
0.56
|
0.52
|
0.48
|
3、母线电压不得低于80％，基于下列几方面的因素：
① 保证电动机有足够的启动转矩，因启动转矩是与电源电压的平方成正比的；
② 不致因母线电压过低而影响其他用电设备的正常工作，尤其是对电压比较敏感的设备；
③ 要保证接触器等开关接触设备的吸引线圈能可靠地工作。
当直接启动大容量的笼型电动机时，发电机母线的电压降落太大，影响应急电力设备启动或正常运行时，不应首先考虑加大发电机组的容量，而应采取其他措施来减少发电机母线的电压波动，例如采用电动机降压启动方式等。
三、机房设备布置
1、机房内主要设备有柴油发电机组、控制屏、操作台、电力及照明配电箱、启动蓄电池、燃油供给和冷却、进排风系统以及维护检修设备等。机房的布置要根据发电机组容量大小和台数而定。小容量发电机组一般机电一体，不用设控制室。发电机组容量较大，可把机房和控制室分开布置，这样有利于改善工作条件。
2、机房布置方式及各部位有关最小尺寸，是根据发电机组运行维护、辅助设备布置、进排风以及施工安装等需要，并结合目前封闭式自循环水冷却方式的应急型发电机组的外廓尺寸提出的。机房布置主要以横向布置(垂直布置)为主，这种布置发电机组中心线与机房的轴线相垂直，操作管理方便，管线短，布置紧凑。
3、发电机组热风出口位置，应避免经常有自然风顶吹的方向，并应在热风出口设百叶窗，其百叶窗净空不要太小。因散热器的吹风扇风压降一般在127Pa以下，以免影响散热效果和发电机组出力。
4、发电机组设在地下层，热风管引出室外最好平直。如要拐弯引出，其弯头不宜超过两处，拐弯应大于或等于90°，而且内部要平滑，以免阻力过大影响散热。
5、如发电机组设在地下层其热风管又无法伸出室外，不应选整体风冷发电机组，应改选分体式散热发电机组，即柴油机夹套内的冷却器由水泵送至分体式水箱冷却方式。目前国内有许多厂家也接受订货。
6、柴油发电机运行时，机房的换气量应等于或大于维持柴油机燃烧所用新风量与维持机房温度所需新风量之和。据国外有关资料介绍，维持机房温度所需新风量可按下式确定：
C＝0.078P/T(6-5)
式中C——需要新风量(m3／s)；
P——柴油机额定功率(kW)；
T——柴油发电机房的温升(℃)。
维持柴油机燃烧所需新风量可向柴油机厂家索取，当海拔高度增加时，每增加763m，空气量应增加10％。若无资料，可按每1kW制动功率需要0.1m3／min估算。
7、发电机组排烟管伸出室外的位置很重要，如调查某一高级饭店，其机房排烟管道正好设在主建筑物客房上风侧，发电机组运行时烟气正吹向客房，影响很不好。
（1）排烟管系统的作用是将气缸里的废气排放室外，排烟系统应尽量减少背压，因为废气阻力的增加将导致柴油机出力的下降及温升的增加。
（2）排烟系统的压降为管路、消声器、防雨帽等各部分压降之和，总的压降以不超过6720Pa为宜。
（3）排烟管敷设方式有两种：一是水平架空敷设，优点是转弯少、阻力小。其缺点增加室内散热量，使机房内温度升高。二是地沟敷设，优点是在地沟内散热量小，对湿热带尤为适宜。其缺点排烟管转弯多，阻力比架空敷设大。
（4）排烟管温度一般为350—550℃，为防止烫伤和减少辐射热，其排烟管宜进行保温处理，以减少排烟管的热量散到房间内增高机房温度。保温表面温度不应超过50℃，保温措施一般按热力保温方法处理。
（5）排烟噪声在柴油机总噪声中属于最强烈的一种噪声，其频谱是连续的，排烟噪声的强度最高可达110～130dB，而对机房和周围环境有较大的影响。所以应设消声器，以减少噪声。
（6）排烟管的热膨胀可由弯头或来回弯补偿，也可设补偿器、波纹管、套筒伸缩节补偿。
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消声器安装图 |
8、环境噪声标准，引自国家标准《城市区域环境噪声标准》GB 3096的规定。
9、根据调查，发电机容量较大时，其出线截面大且导线根数多，再加各种控制回路和配出线路，显得机房内管线较多。为了敷线方便及维护安全，在发电机出口、控制屏或控制室以及配电线路出口等各处之间设电缆沟并贯通一起比较适宜。
10、控制室的电气设备布置
（1）根据国内调查，应急型发电机组单机容量在500kW及以下不设控制室为多数，反映尚好。单机容量在500kW以上的及多台发电机组，考虑运行维护和管理方便，可设控制室宜于集中控制。
（2）控制室的主要设备有发电机控制屏、发电机组操作台、动力控制屏(台)、低压配电屏及照明配电箱等。其布置与低压配电室的要求相同。主要要求操作人员便于观察控制屏或台上仪表，并能通过观察窗看到发电机组运行情况。
（3）控制室的控制屏(台)一般数量不多，维护通道为0.8m是可以的，但在具体工程设计中，如条件允许，可适当放大些，配电装置的最高点距房顶不应小于0.5m。
11、发电机组的自启动
（1）应急发电机组是保证建筑物安全的重要设备，它的首要任务必须在应急情况下，能够可靠启动并投入正常运行，以满足使用要求。
（2）与市网不得并列运行，是考虑到一旦发电机组发生故障时，不要波及到市网，而扩大了故障范围。如市网有故障，因与发电机组未并网，也易于临机处理，避免发生意外事故。连锁的目的就是防止误并列。
（3）机房在寒冷地区应采暖，为保证发电机组应急时顺利启动，机房最低温度应根据产品要求，但一般不应低于5℃，最高温度不应超过35℃，相对湿度应小于75％。
（4）自启动发电机组的冷却水应能自流供给，若水源不可靠，应设储水箱或储水池。
（5）为了确保发电机组启动具有足够的能量，除发电机组具有充电能力外，在备用过程中应具有浮充电装置。
（6）启动蓄电池由发电机组随机供给，工作电压为12V或24V。发电机组启动时启动电流很大，为减少启动电压降，启动蓄电池应设置在发电机组的启动电动机附近。因发电机组不经常工作，为了补充蓄电池自放电，应设置充电装置。
（7）为保证发电机组在应急时使用，必须储备一定数量的燃料油，还应设两个以上柴油储油箱，便于新油沉淀。
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1000升日用油箱制作图 |
12、发电机组的中性点工作制
（1）三相四线制的中性点是直接接地，它的优点是降低了系统的内部过电压倍数，当一相接地时，相间电压为中性点所固定，基本不会升高。而且电力与照明可以由同一发电机母线供电。
（2）在三相四线制中，当两台或多台发电机组并列运行时，中性导体就会产生三次谐波环流，环流的大小与下列因素有关：
① 三相负载的不平衡度；
② 两机有功负载分配的不平衡度；
③ 两机无功负载分配即功率因数的差异程度。
又因中性点引出导体上的三次谐波电流，徒然使发电机发热，降低其出力，必须加以限制，限制中性导体电流可采用下列方法：
① 中性点引出导体上加装刀开关。
在每台发电机的中性点引出导体上装刀开关，以切断发电机间谐波电流的环流回路，在运行中根据谐波电流的大小和分布情况，决定断开一台发电机的中性点引出导体。但至少应保持一台发电机的中性点和中性母线接通，以保证对220V设备的供电。但这种方法的缺点是把220V的不平衡(零序)负荷完全加在少数发电机上，加大了这些发电机三相负荷的不平衡程度，而且系统单相接地短路电流也集中在这些发电机上。
② 中性点引出导体上装设电抗器。
在每台发电机的中性点引出导体上装设电抗器，在保持中性母线电位偏移不大的条件下，有效地限制了中性点引出导体的谐波电流在允许范围内。
13、柴油发电机组的自动化
（1）当发电机组作为应急电源时，应设自启动装置：当市电中断供电时，发电机组自动启动，并在30s内向负荷供电。当市电恢复正常后，能自动或手动切换电源停机，其他均为就地操作。
（2）近年来柴油发电机组自动化控制发展很快，在许多工程中已广泛应用，控制系统已从最早的继电器系统，发展至今的计算机控制系统。控制功能已比较完善，可以做到发电机组无人值守。自动化发电机组的功能，能自启动、自动调压、自动调频、自动调载、自动并车、按负荷大小自动增减发电机组、故障自动处理、辅机自动控制等。
（3）根据国家标准《自动化柴油发电机组分级要求》GB／T 4712，其自动化程度分为三级，可依具体工程选定。
（4）发电机组并车方法，包括手动准同期及自动同期并车。即在频率相同、电压相位相同时并车。并车时冲击电流小，但操作要求高，特别在负荷波动和事故情况要使待接入的发电机和运行的发电机的频率相同、电压相同、相位相一致会有一定困难，所以自启动发电机组并车应采用自动同期法。
14、柴油发电机容量大小不同，小时耗油量也有差异。若在主建筑外设储油库，其防火间距应遵照国家标准《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045和《建筑设计防火规范》GB 50016中有关规定执行。
中小容量柴油发电机组出厂时，一般配有日用燃油箱。当发电机组设在大型民用建筑地下层时，根据应急柴油发电机特殊要求，必须储备一定数量燃油供应急时使用，又考虑建筑防火要求，储油数量不宜过大。综合各种因素，最大储油量不应超过8h的需要量，并应按防火要求处理。
15、柴油发电机组的230／400V中性点直接接地系统的电气设备的金属外壳、支架等均应接地，在同一配电系统中不应采取两种不同的接地方式。
16、柴油发电机组运行时，其余热向四周扩散，为了不致引起室温过高，机房内应有良好通风装置。机房里的换气量应等于或大于柴油机燃烧所用新风量与维持机房室温所需新风量之和。
减少暖机功率，对平时利用率较低的应急发电机组，是不可忽视的。因为应急发电机组时刻都处在“戒备”状态，而暖机也时刻在运行，成年累月其运行费用甚高。据有关资料介绍，深圳某大厦采用一台320kW的低速柴油发电机组，暖机功率高达20kW。冬季日耗电量有时达200kWh以上，如在北方地区其暖机耗电量就更可观了。
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