超高层建筑柴油发电机组电压选择分析

2015-03-22钱梓楠廖述龙同济大学建筑设计研究院集团有限公司上海200092

现代建筑电气 2015年10期

关键词：发电机组柴油发电机

钱梓楠, 罗武, 廖述龙[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

超高层建筑柴油发电机组电压选择分析

钱梓楠, 罗武, 廖述龙
[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

通过电压质量分析计算,以及不同电压等级柴油发电机在超高层建筑中的技术经济比较,总结了超高层建筑中柴油发电机选择的设计对策，以供类似超高层建筑电气设计时参考。

超高层建筑；柴油发电机；电压选择；应急电源

0 引言

随着国内超高层建筑的增多,柴油发电机作为超高层建筑的应急电源系统被大量应用。对于不同高度、不同体量的超高层建筑,如何选择合适的柴油发电机组,选择的依据是什么，带来的影响如何,本文就这些问题展开讨论。

1 超高层建筑应急电源应用特点

1.1 超高层建筑应急电源的依据

根据国家现行相关规范的规定,只在以下条件下,须为高层(含超高层)建筑设置柴油发电机电源:

(1) JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》第3.2.8条第1款规定:一级负荷应由两个电源供电,当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏。

(2) JGJ 16—2008第3.3.1条第4款规定,当符合下列条件之一时,用电单位宜设置自备电源:① 一级负荷中含有特别重要负荷;② 设置自备电源较从电力系统取得第二电源经济合理或第二电源不能满足一级负荷要求。

这两条规范的含义:① 建筑中有大量一级负荷时,需两个电源供电;② 当无法取得两个电源,或获得第二电源不经济不合理时,需设置自备电源,作为满足一级负荷供电要求的第二电源。即若超高层建筑已经取得两个电源,按规范条款是无需设置自备电源的。

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》第3.0.1条第2款规定：在一级负荷中,当中断供电将造成人员伤亡或重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷,以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷,应视为一级负荷中的特别重要负荷。

超高层建筑中,安防系统、重要弱电机房、通信机房、航空障碍灯、部分高速电梯等,以及超高层建筑项目中的消防设备,如消防水泵、消防风机、消防电梯、火灾自动报警系统、电动防火卷帘(门、阀)以及应急照明等,这些负荷作为超高层建筑中为保障人员安全、大楼设备正常运行的负荷,停电时应急电源必须保障供电。

1.2 应急电源选用柴油发电机的原因

对于超限高层建筑,即使在市电电源能够完全满足规范要求的前提下,仍需设置备用电源作为第三电源。规范中指出,可以作为应急电源的有:方案一,供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路;方案二,独立于正常电源的发电机组;方案三,蓄电池。

超高层建筑作为地标性的建筑,一般获得双重电源没有大问题,但如果需要获得专用的市电应急电源馈电回路,一方面是外线的投资昂贵,另一方面是在某些极端情况下市电电网发生大规模停电事故时专用应急外线电源也未必能得到保证,因此方案一一般不考虑。方案三,蓄电池组供电时间有限,且应急负荷众多,要保障大容量的应急负荷长时间供电,蓄电池组的造价、占地及污染问题几乎不可解决,因此也不作为超高层建筑应急电源的选择,但作为部分应急照明、计算机系统的应急电源,还是比较常用的。

最终选择柴油发电机作为备用电源,主要原因有以下几点:

(1) 工程实践证明,柴油发电机作为应急电源对于民用建筑内的各类用电负荷和大楼管理方而言,仍然是最可靠的,且技术经济上也合理。

(2) 使用方以及酒店管理公司的要求。

(3) 现有的国内外超高层建筑(包括在建的)的实有案例几乎全部采用柴油发电机作为大楼内部分负荷的备用电源。也就是说,规范条文修订略显滞后。

目前,柴油发电机已作为绝大多数超限高层建筑的备用电源在使用,但哪些种类的用电负荷需要纳入柴发保障的系统中在实际操作中无规范可依,一般均以业主方的要求执行,且多以相对成熟的星级酒店的要求为参照。

1.3 应急电源需要保障的负荷

在已经设置柴油发电机组的项目中,一般消防部门审图要求项目中的消防负荷用柴油发电机保障,消防负荷有消防水泵、消防风机、消防电梯、火灾疏散电梯、火灾自动报警系统、自动灭火系统、电动防火卷帘 (门、阀)和应急照明等。本项目中其他非消防的重要负荷有安防系统重要弱电机房、大厦楼宇自控系统、通信机房、航空障碍灯、地下室潜污泵、部分区域的公共照明和部分高速客梯等设备用电。地标性超高层建筑,除了必须保证消防设备的可靠供电,还需要充分考虑对大厦的众多特别重要负荷的运行保证,上述非消防的重要负荷除得到双电源回路市电供电外,设置柴油发电机作为应急的第三电源,对于保障大厦安全、稳定运营和人员安全很有必要。

2 通过电压质量分析10 kV发电机组使用的必要性

作为可靠的应急电源,电压质量是其中一个重要指标。JGJ 16—2008第3.4.5条规定,正常运行情况下,用电设备端子处电压偏差允许值(以额定电压的百分数表示)宜符合下列要求:

(1) 一般电动机为±5.0%。

(2) 电梯电动机为±7.0%。

(3) 照明:室内场所为±5.0%;对于远离变电所的小面积一般工作场所,难以满足上述要求时,可为+5.0%、-10%;应急照明、景观照明、道路照明和警卫照明为+5.0%、-10%。

(4) 其他用电设备,当无特殊规定时为±5.0%。

一般情况下,柴油发电机供电时为保障动力照明设备的正常运行,电压偏差需要控制在±5.0%以内。对于大部分民用建筑不难实现,但对于超限高层,其规模体量大,供电距离长,是否能实现必须要复核计算。

超高层建筑中,通常将发电机组设置在-1F或1F,如发电机组设置在1F从自身合理性来说是较好的,设备运输、进排风、排烟、燃油的输送等比较方便,但1F一般是建筑中最重要的楼层,商业价值高,一般甲方不会允许柴发设置在1F。设置在地下室的发电机组除要考虑机组的设备运输、进排风、排烟、冷却、噪声等因素外,距离核心筒的距离也需要斟酌,尤其是低压柴油发电机,若距离过远,电压降很可能超过规范要求。

通常对于高度不超过200 m的超高层建筑,发电机组的电压等级基本上是以0.4 kV为主,主要有以下几个原因:

(1) 0.4 kV发电电源与负荷使用的0.4 kV正常电源切换相对较简单,且不需要再配置高压保护装置及降压变压器,电源的可靠性要相对高些。

(2) 0.4 kV发电机组造价要明显低于同等容量的10 kV发电机组。

(3) 如果面对供电距离偏长会造成供电压降增大这一相对不合理的情况,一般通过适当加大配电线路截面,还是能从技术上、经济上满足要求。

但是,这种情况对于250 m以上的超限高层建筑来说就不同了,随着发电机组供电距离的进一步加大,带来的压降也会进一步增大。0.4 kV电源的供电半径一般不宜大于250 m。需要注意的是,这里所指的250 m是指配电干线、支线叠加后的线路长度,而不是电源至用电点的直线半径距离。由于受建筑通道的影响,通常情况下实际线路敷设的距离会比供电距离更长,因此假设对于一幢建筑楼层高度超过250 m的超高层建筑,即使不计入支线的距离,考虑到柴油发电机组未必贴邻核心筒,以及管井并不上下对正可能存在转换等因素,其干线最远配电距离会达到300 m甚至更远,这就超出了0.4 kV合理供电范围。假如通过大幅增大配电线路截面来降低电压降,甚至通过调高发电机组出口端的电压值来抵消压降的损失,理论上似乎可行,但实际上会存在不少问题,大幅增加配电线路截面会造成投资成本的增加,线路截面增加导致设施占用竖井空间增大;提高发电机组出口端的电压值对于满负荷运行的远端负荷尚可行,但对于近端负荷或只有少量负荷运行时可能就会造成负荷端输入电压值的升高,继而影响设备的正常运行，如图1所示。下面针对0.4 kV柴油发电机的合理配电距离进行了计算,看看配电距离控制在多少范围内,能满足规范将电压降控制在5.0%以内。

根据参考文献[2],线路的电压损失计算公式为

图1 柴油发电机供电线路电压损失示意图

式中:Un——系统标称电压,kV;I——负荷电流,A;R′、X′——三相线路单位长度的电阻和电抗,Ω/km;

L——线路长度,km。

对应可以参考文献[2]表9-76、表9-84。

假定某建筑物200 m高处的应急用电负荷总计额定电流为800 A,按0.4 kV正常配电线缆截面配置,干线实际长度300 m(需要加上柴油发电机房至核心筒以及核心筒至机房的距离),考虑为三相平衡负载,按上述计算公式对线路电压降进行计算:如采用1 000 A母线进线配电,功率因数为0.8,满负荷使用,则Δu%=0.028×800×0.3=6.72%,已经不满足±5.0%的规范限值了。

在满足供配电系统末端电压质量±5.0%的要求情况下,做了一些计算,各种低压配电线路的电压损失如表1、表2所示(考虑到大部分消防负载功率因数为0.8,选取负载的功率因数为0.8进行估算)[2]。

由于表1、表2仅考虑了应急发电机输电线路上的电压损失,实际上发电机内阻还会有一部分电压损失。综合考虑各项因素,实际上0.4 kV发电机可以供电的距离没有表1、表2的远。在一定范围内,可以考虑加大低压配电线路截面,或合理设置机房位置尽量减少配电距离等措施,但基本上可以看到超过250 m的超高层建筑,要满足规范的电压降限值,技术上已经比较勉强。这就要考虑10 kV柴油发电机,并进行一定的经济技术比较。

表1 1 kV 交联聚乙烯电力电缆的最大传输距离

表2 密集型母线的最大传输距离

注 :① 终端负荷用电流矩IL(A·km) 计算。

② 电缆采用铜芯电缆的环境温度均为35 ℃。

3 超高层建筑应急发电机电压等级选择

超限高层建筑中柴油发电机组电压等级的选择,在国家电气设计规范中尚属空白,设计无据可依。通过搜集大量的工程案例并咨询多位业内专家,可以得到一些可供参考的结论:

(1) 柴油发电机配电干线距离在250 m以下时,建议选择低压0.4 kV柴油发电机。

(2) 柴油发电机配电干线距离在250～400 m时,选择低压0.4 kV还是高压10 kV柴油发电机,要经过技术经济比较确定。

(3) 柴油发电机配电干线距离在400 m以上时,一般选择10 kV柴油发电机组,或采用低区0.4 kV发电机高区10 kV发电机。

超高层建筑使用不同电压等级发电机组的方案比较如表3所示。通过表3,可定性比较柴油发电机配电干线距离超过250 m的超高层建筑使用不同电压等级发电机组的优缺点。

除此之外,还可以进行经济性的比较,如表4所示。

采用10 kV发电机,须采用降压变压器,而降压变压器是冷备用还是与常规市电变压器兼用,如果采用冷备用是否需要提供市电励磁电源;以及10 kV发电机接入主接线形式等,这都和造价密切相关,上述表格仅仅是个定性的粗略比较,具体的造价及经济技术合理性需要明确主接线系统之后做详细分析,但基本上可以得出这个结论,即对于柴油发电机配电干线距离超过250 m的超限高层,采用低区低压0.4 kV高区高压10 kV柴油发电机或全部10 kV方案比较合理。

4 结语

超高层建筑一般都体量巨大,功能复杂。柴油发电机房既要满足进排风和排烟条件,又要尽量靠近负荷中心,以保证应急用电缆或母线传输距离最短,其位置就比较有讲究。从大量的工程实践经验中,总结出以下几个注意点:

表3 超高层建筑使用不同电压等级发电机组的方案比较

表4 超高层建筑使用不同电压等级发电机组的经济性比较

(1) 柴油发电机房一般设置在1F或能满足进排风条件的-1F。如果低压发电机需要与变电所低压柜有联络切换的关系,需要尽量靠近变电,可以减少低压母线的传输距离。

(2) 考虑到超高层建筑柴油发电机房需要有大量应急配电电缆或母线送至核心筒强电竖井,并经由竖井送至各设备层变电所,因此柴油发电机房设置位置宜相对靠近塔楼核心筒。

(3) 柴油发电机房除了要满足设备运输和机房净高条件之外,其进排风以及排烟的条件往往更加难以满足,尤其是超高层建筑柴油发电机容量一般比较大,进排风的风井比较大,进排风井对建筑立面影响较大,在井道尺寸有限的情况下有时会采用机械进风的方案,设置专用进风风机,提高井道风速,满足通风量。

(4) 有时会碰到可以设置柴油发电机房的位置,附近地面建筑完全开不出大面积的风井和百叶,这时可采用远置式散热器散热水箱方案。该方案将发电机组与散热水箱分开放置,通过热交换器让内循环水的热量传递到外循环水散热,使机组同样达到降温要求的系统,即发电机组远置式散热系统。其工作原理是:柴油发电机组工作时产生的热水从柴油发电机组的出水管流到热交换器,热交换器管内的冷水冷却柴油发电机组的循环热水,柴油发电机组的循环热水被冷却后重新回到柴油发电机组,并对柴油发电机组进行冷却。热交换器在冷却柴油发电机组的循环热水后,冷却管内的冷水水温升高,被水泵送到水箱进行冷却,冷却后送到热交换器的冷却管。理论上可以将散热器置于任何满足散热条件的区域,中间用冷却水管连通。但考虑到柴油发电机本身作为一个应急电源,其可靠性要求很高,增加了这些水泵自身也在消耗发电机供电资源,且附加的水泵和冷却水管及散热器等也增加了出现故障的可能性。因此,如果条件允许,还是优先选择传统冷却方式的柴油发电机组。

如果将柴油发电机设于裙房屋顶,从电气设计角度来讲,更加靠近负荷中心是有利的,在国外也有先例,但其消防安全隐患和运行时的振动问题比较突出,尤其是消防方面必须提前征询当地消防部门意见。关于柴发机房的设置,GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第5.4.13条规定,布置在民用建筑内的柴油发电机房应符合下列规定:

① 宜布置在1F或-1F、2F。

② 不应布置在人员密集场所的上一层、下一层或贴邻。

③ 应采用耐火极限低于2 h的防火墙和1.5 h的不燃性楼板与其他部分分隔,门应采用甲级防火门。

④ 机房内设置储油间时,其总存储量不应大于1 m3,储油间应采用耐火极限不低于3 h的防火隔墙与发电机分隔,确需在防火隔墙上开门时,应设置甲级防火门。

因此,一旦考虑柴发设于裙房屋顶时,其下一层不能有人员密集场所,这在超高层建筑裙房比较难实现,裙房一般会是大型高档商业用房,这也是消防部门反对在裙房屋顶设置柴油发电机房的主要原因之一。当然也不排除会有超高层建筑的裙房满足上述规范的限值条件,但是否可以设置柴油发电机要以当地消防部门的审核意见为准。

[1] 住房和城乡建设部质量安全监管司,中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施[M].北京：中国计划出版社,2009.

[2] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社,2005.

[3] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

[4] GB 50016—2014 建筑设计防火规范[S].

Voltage Choice and Analysis of Diesel Generator for Super High-rise Building

QIAN Zinan, LUO Wu, LIAO Shulong

[Tongji Architectural Design(Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China]

Based on the analysis of the voltage quality and the technical and economical comparison of the different voltage grade diesel generators in the super high-rise buildings,this paper summarized the design strategy of the choice of the diesel generator in the high-rise building.It could provide references for electric design of similar super high-rise building.

super high-rise building; diesel generator; voltage choice; emergercy source