柴油发电机组容量计算公式的对比分析

逯 霞, 胡世秋

(1.中国航空规划设计研究总院有限公司,北京 100120;2.辽宁北方华锦五洲化工工程设计有限公司,辽宁 盘锦 124100)

0 引 言

柴油发电机组作为建筑电气的主要备用电源之一,由于其能量供给的独立性,可以作为市电的备用电源,不受市电故障的影响,只要具有柴油供应即可可靠地输出电能。但是关于其容量的计算,在不同的参考资料中给出的计算公式不尽相同。本文结合工程实际,对比分析了柴油发电机组容量计算公式。

1 柴油发电机组选择的原则

工程中柴油发电机组所接负荷不相同,本文对柴油发电机组通常所接的风机、水泵、照明等进行介绍,对于特殊的设备,如电梯、自动扶梯、吊车等需要根据负荷特点及相关规范进行计算。

柴油发电机组选择的一般原则如下。

(1)柴油发电机组的容量应根据所接负荷性质、负荷大小、投切顺序、电动机最大起动容量、允许电压降等因素综合考虑。

(2)柴油发电机组的长期允许容量应能满足机组安全停机最低限度连续运行的负荷需要。

(3)用成组起动或自起动时的最大功率校验发电机的短时过载能力。

(4)事故保安负荷中的短时不连续运行负荷在计算柴油发电机组的容量时不予考虑。仅在校验机组过载能力时需要计入。

(5)机组容量要满足电动机自起动时母线最低电压不得低于额定电压的20%(一般情况下);在特殊情况下根据负荷要求确定。

本文只针对柴油发电机组的容量计算进行讨论,柴油发电机组的形式、容量修正系数等其他的技术参数不在讨论范围。

在施工图设计阶段需要准确地计算出柴油发电机组容量,如果柴油发电机组容量选择较小,可能会对备用电源系统的可靠供电带来隐患;柴油发电机组容量选择过大,直接造成建筑面积及设备的浪费,增加成本。准确的容量计算才能选出合适的柴油发电机组容量。

2 柴油发电机组容量计算公式

文献[1-5]中分别给出了柴油发电机组容量的计算公式(相关公式及符号说明见参考文献)。仔细分析各个计算公式,计算的原理大相径庭,基本上可以分为:按稳定负荷计算柴油发电机组容量;按最大的单台电动机起动计算柴油发电机组容量;按起动电动机时,发电机母线允许电压降计算柴油发电机组容量。

文献[4-5]的计算公式原理一样,需要先选择柴油发电机组,再根据相关参数校验电压降。其他公式均是在规定电压降(如20%)的情况下计算柴油发电机组容量。由于各个文献中给定的系数不同,符号定义各异,计算结果差异较大。本文以工程实际案例为例,对上述计算公式和计算结果进行分析。

3 柴油发电机组容量计算及分析

某工程(海拔高度不大于1 000 m)拟设置1台柴油发电机组作为消防用电设备的备用电源,负荷情况如下:消防泵90 kW 2台,一用一备,自喷泵55 kW 2台,一用一备,消防风机120 kW,其他消防负荷合计10 kW。总负荷275 kW,所接负荷的综合效率为0.8,电动机额定功率因数为0.8,起动功率因数为0.4,直接起动时起动电流倍数为7,星三角起动时起动电流倍数为2.3,考虑消防用电负荷率取1。消防状态市电失电,电动机回路失电,柴油发电机组自起动达到电源输出要求,双电源转换开关备用自动投入,电动机回路再次接收起动信号。故存在消防泵、自喷泵同时起动的可能。

3.1 按照文献[1]计算

文献[1]中的系数取值,存在下列问题:

(1)Pm定义为最大的单台电动机容量,应该为最大的单台电动机或成组电动机容量。在计算时应该考虑成组最大同时起动的问题,不能单一考虑最大的单台电动机容量。

(2)SG3的单位定义为kVA,量纲不正确,应该为kW。

(3)Pn定义为电动机总容量,应为同时起动的电动机容量。

① 按稳定负荷计算柴油发电机组容量。

(1)

其中α为负荷率,取1.0。

② 按最大的单台电动机起动计算柴油发电机组容量。最大的电动机组90 kW+55 kW采用直接起动时,柴油发电机组容量为

699 kVA

(2)

最大的电动机组90 kW+55 kW采用星三角起动时,柴油发电机组容量

359 kVA

按照此式计算时,电动机的起动容量乘以起动功率因数,故计算结果偏小。

③ 按起动电动机时,柴油发电机组母线允许电压降计算柴油发电机组容量。

按照公式符号说明,Pn为电动机总容量,本例中电动机总容量应取265 kW,则计算的柴油发电机组容量为

(3)

Pn为同时起动的电动机容量,本例为145 kW,SG3=1 015 kW。

按照消火栓泵、自喷泵采用星三角起动计算的柴油发电机组容量为338 kW。

3.2 按照文献[2]计算

考虑文献[2]的计算公式与考文献[1]的计算公式出入较小,但由于系数的取值不一,故计算结果存在少许的差异。

(1)按稳定负荷计算柴油发电机组容量。公式中未计入负荷率,负荷率越小计算所得的发电机容量偏差越大。设计在选择时应根据负荷类型及使用情况计入负荷率。

(4)

(2)按尖峰负荷计算柴油发电机组容量

1 621 kVA

(5)

按照消火栓泵、自喷泵采用星三角起动计算的发电机容量为605 kVA。

由于公式中未明确最大单台电动机或成组电动机起动容量Sm计算式,如果采用起动有功功率除以起动功率因素计算,则计算结果偏大。

(3)按柴油发电机组母线允许电压降计算柴油发电机组容量。文献[2]的计算公式与考文献[1]比较可知,发电机的瞬态电抗X′d取为0.2;SstΔ为导致发电机最大电压降的电动机的最大起动容量,也证明了GB 51348—2019的相关公式中Pn的解释不正确。

0.8×1015/0.4=2 030 kVA

(6)

按照消火栓泵、自喷泵采用星三角起动计算的发电机容量为677 kVA。

此公式和文献[1]的公式比较,文献[1]中计算的是有功功率,本式计算的是视在功率,由于电动机起动功率因素很低,为0.4,从而计算结果相差较大。文献[1]的公式更加合理,电动机在起动时功率因素很低,但此时的有功功率不能够达到电动机额定功率。

3.3 按照文献[3]计算

(1)按全部负荷正常工作时计算柴油发电机组容量为

PG1=

402 kVA

(7)

式(7)存在的问题:

① 符号表示和国家标准不一致,P表示视在功率,应该为S;

② 需用系数Kd应该理解负荷率;

③ 事故照明负荷计算时未计入相应的Ker。

(2)大容量负荷起动或自起动时应符合柴油发电机组的过负荷能力:

PG2=

1 533 kVA

(8)

按照消火栓泵、自喷泵采用星三角起动计算的柴油发电机组容量为608 kVA。

(3)按大容量负荷起动时允许电压降计算柴油发电机组容量为

(9)

按照消火栓泵、自喷泵采用星三角起动计算的柴油发电机组容量为376 kVA。

(4)按原动机有过负荷能力的发电机计算容量为

(10)

按照消火栓泵、自喷泵采用星三角起动计算的柴油发电机组容量为361 kVA。

3.4 按照文献[4]计算

文献[4]的柴油发电机组容量的计算公式引自文献[5]。文献[5]在2018年3月改为《电力工程设计手册火力发电厂电气一次设计》出版,柴油发电机组的计算公式已经修改,故不推荐使用。

3.5 计算结果比较分析

消火栓泵、自喷泵电动机同时起动计算的发电机容量如表1所示,考虑最不利情况下消火栓泵、自喷泵同时起动;消火栓泵、自喷泵电动机同时星三角起动计算的发电机容量如表2所示。考虑最不利情况下消火栓泵、自喷泵同时起动,起动方式由表1的直接起动改为星三角起动[6]。

表1 消火栓泵、自喷泵电动机同时起动计算的发电机容量

表2 消火栓泵、自喷泵电动机同时星三角起动计算的发电机容量

4 问题讨论及总结

(1)第3.1节、第3.2节、第3.3节的结果相差不大原因是α取1,负荷率越小,计算结果偏差越大。第3.2节的SG1未计入负荷率,公式不合理,建议设计采用时根据负荷情况计入负荷率。

设计人员在选择按稳态负荷计算柴油发电机组容量时均应计入负荷率。

(2)按电动机起动计算柴油发电机组容量时,应为最大单台或最大成组起动的电动机起动有功功率,非视在功率,计算柴油发电机组的有功功率。第3.2节的计算结果较为保守,原因是求电动机起动容量时计入的起动功率因素0.4,计算柴油发电机组的视在功率。

(3)从计算结果可见,本例中的消防泵和自喷泵采用直接起动不合理。

(4)文献[4-5]的计算公式在建筑电气设计中不推荐使用。

(5)计算涉及基础原理,建议相关编制单位应统一标准,减少工程误差。

5 结 语

本文结合工程实际,对比分析了柴油发电机组容量计算公式,可为电气设计人员提供参考。