超高層建筑柴油發(fā)電機(jī)組電壓選擇分析

錢梓楠, 羅 武, 廖述龍[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

超高層建筑柴油發(fā)電機(jī)組電壓選擇分析

錢梓楠, 羅 武, 廖述龍
[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

通過電壓質(zhì)量分析計(jì)算,以及不同電壓等級柴油發(fā)電機(jī)在超高層建筑中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,總結(jié)了超高層建筑中柴油發(fā)電機(jī)選擇的設(shè)計(jì)對策，以供類似超高層建筑電氣設(shè)計(jì)時(shí)參考。

超高層建筑； 柴油發(fā)電機(jī)； 電壓選擇； 應(yīng)急電源

0 引 言

隨著國內(nèi)超高層建筑的增多,柴油發(fā)電機(jī)作為超高層建筑的應(yīng)急電源系統(tǒng)被大量應(yīng)用。對于不同高度、不同體量的超高層建筑,如何選擇合適的柴油發(fā)電機(jī)組,選擇的依據(jù)是什么，帶來的影響如何,本文就這些問題展開討論。

1 超高層建筑應(yīng)急電源應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 超高層建筑應(yīng)急電源的依據(jù)

根據(jù)國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的規(guī)定,只在以下條件下,須為高層(含超高層)建筑設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)電源:

(1) JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.8條第1款規(guī)定:一級負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)電源供電,當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí),另一個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。

(2) JGJ 16—2008第3.3.1條第4款規(guī)定,當(dāng)符合下列條件之一時(shí),用電單位宜設(shè)置自備電源:① 一級負(fù)荷中含有特別重要負(fù)荷;② 設(shè)置自備電源較從電力系統(tǒng)取得第二電源經(jīng)濟(jì)合理或第二電源不能滿足一級負(fù)荷要求。

這兩條規(guī)范的含義:① 建筑中有大量一級負(fù)荷時(shí),需兩個(gè)電源供電;② 當(dāng)無法取得兩個(gè)電源,或獲得第二電源不經(jīng)濟(jì)不合理時(shí),需設(shè)置自備電源,作為滿足一級負(fù)荷供電要求的第二電源。即若超高層建筑已經(jīng)取得兩個(gè)電源,按規(guī)范條款是無需設(shè)置自備電源的。

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.1條第2款規(guī)定：在一級負(fù)荷中,當(dāng)中斷供電將造成人員傷亡或重大設(shè)備損壞或發(fā)生中毒、爆炸和火災(zāi)等情況的負(fù)荷,以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷,應(yīng)視為一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。

超高層建筑中,安防系統(tǒng)、重要弱電機(jī)房、通信機(jī)房、航空障礙燈、部分高速電梯等,以及超高層建筑項(xiàng)目中的消防設(shè)備,如消防水泵、消防風(fēng)機(jī)、消防電梯、火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)、電動防火卷簾(門、閥)以及應(yīng)急照明等,這些負(fù)荷作為超高層建筑中為保障人員安全、大樓設(shè)備正常運(yùn)行的負(fù)荷,停電時(shí)應(yīng)急電源必須保障供電。

1.2 應(yīng)急電源選用柴油發(fā)電機(jī)的原因

對于超限高層建筑,即使在市電電源能夠完全滿足規(guī)范要求的前提下,仍需設(shè)置備用電源作為第三電源。規(guī)范中指出,可以作為應(yīng)急電源的有:方案一,供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路;方案二,獨(dú)立于正常電源的發(fā)電機(jī)組;方案三,蓄電池。

超高層建筑作為地標(biāo)性的建筑,一般獲得雙重電源沒有大問題,但如果需要獲得專用的市電應(yīng)急電源饋電回路,一方面是外線的投資昂貴,另一方面是在某些極端情況下市電電網(wǎng)發(fā)生大規(guī)模停電事故時(shí)專用應(yīng)急外線電源也未必能得到保證,因此方案一一般不考慮。方案三,蓄電池組供電時(shí)間有限,且應(yīng)急負(fù)荷眾多,要保障大容量的應(yīng)急負(fù)荷長時(shí)間供電,蓄電池組的造價(jià)、占地及污染問題幾乎不可解決,因此也不作為超高層建筑應(yīng)急電源的選擇,但作為部分應(yīng)急照明、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)急電源,還是比較常用的。

最終選擇柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源,主要原因有以下幾點(diǎn):

(1) 工程實(shí)踐證明,柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源對于民用建筑內(nèi)的各類用電負(fù)荷和大樓管理方而言,仍然是最可靠的,且技術(shù)經(jīng)濟(jì)上也合理。

(2) 使用方以及酒店管理公司的要求。

(3) 現(xiàn)有的國內(nèi)外超高層建筑(包括在建的)的實(shí)有案例幾乎全部采用柴油發(fā)電機(jī)作為大樓內(nèi)部分負(fù)荷的備用電源。也就是說,規(guī)范條文修訂略顯滯后。

目前,柴油發(fā)電機(jī)已作為絕大多數(shù)超限高層建筑的備用電源在使用,但哪些種類的用電負(fù)荷需要納入柴發(fā)保障的系統(tǒng)中在實(shí)際操作中無規(guī)范可依,一般均以業(yè)主方的要求執(zhí)行,且多以相對成熟的星級酒店的要求為參照。

1.3 應(yīng)急電源需要保障的負(fù)荷

在已經(jīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組的項(xiàng)目中,一般消防部門審圖要求項(xiàng)目中的消防負(fù)荷用柴油發(fā)電機(jī)保障,消防負(fù)荷有消防水泵、消防風(fēng)機(jī)、消防電梯、火災(zāi)疏散電梯、火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、電動防火卷簾 (門、閥)和應(yīng)急照明等。 本項(xiàng)目中其他非消防的重要負(fù)荷有安防系統(tǒng)重要弱電機(jī)房、大廈樓宇自控系統(tǒng)、通信機(jī)房、航空障礙燈、地下室潛污泵、部分區(qū)域的公共照明和部分高速客梯等設(shè)備用電。地標(biāo)性超高層建筑,除了必須保證消防設(shè)備的可靠供電,還需要充分考慮對大廈的眾多特別重要負(fù)荷的運(yùn)行保證,上述非消防的重要負(fù)荷除得到雙電源回路市電供電外,設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急的第三電源,對于保障大廈安全、穩(wěn)定運(yùn)營和人員安全很有必要。

2 通過電壓質(zhì)量分析10 kV發(fā)電機(jī)組使用的必要性

作為可靠的應(yīng)急電源,電壓質(zhì)量是其中一個(gè)重要指標(biāo)。JGJ 16—2008第3.4.5條規(guī)定,正常運(yùn)行情況下,用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值(以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示)宜符合下列要求:

(1) 一般電動機(jī)為±5.0%。

(2) 電梯電動機(jī)為±7.0%。

(3) 照明:室內(nèi)場所為±5.0%;對于遠(yuǎn)離變電所的小面積一般工作場所,難以滿足上述要求時(shí),可為+5.0%、-10%;應(yīng)急照明、景觀照明、道路照明和警衛(wèi)照明為+5.0%、-10%。

(4) 其他用電設(shè)備,當(dāng)無特殊規(guī)定時(shí)為±5.0%。

一般情況下,柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)為保障動力照明設(shè)備的正常運(yùn)行,電壓偏差需要控制在±5.0%以內(nèi)。對于大部分民用建筑不難實(shí)現(xiàn),但對于超限高層,其規(guī)模體量大,供電距離長,是否能實(shí)現(xiàn)必須要復(fù)核計(jì)算。

超高層建筑中,通常將發(fā)電機(jī)組設(shè)置在-1F或1F,如發(fā)電機(jī)組設(shè)置在1F從自身合理性來說是較好的,設(shè)備運(yùn)輸、進(jìn)排風(fēng)、排煙、燃油的輸送等比較方便,但1F一般是建筑中最重要的樓層,商業(yè)價(jià)值高,一般甲方不會允許柴發(fā)設(shè)置在1F。設(shè)置在地下室的發(fā)電機(jī)組除要考慮機(jī)組的設(shè)備運(yùn)輸、進(jìn)排風(fēng)、排煙、冷卻、噪聲等因素外,距離核心筒的距離也需要斟酌,尤其是低壓柴油發(fā)電機(jī),若距離過遠(yuǎn),電壓降很可能超過規(guī)范要求。

通常對于高度不超過200 m的超高層建筑,發(fā)電機(jī)組的電壓等級基本上是以0.4 kV為主,主要有以下幾個(gè)原因:

(1) 0.4 kV發(fā)電電源與負(fù)荷使用的0.4 kV正常電源切換相對較簡單,且不需要再配置高壓保護(hù)裝置及降壓變壓器,電源的可靠性要相對高些。

(2) 0.4 kV發(fā)電機(jī)組造價(jià)要明顯低于同等容量的10 kV發(fā)電機(jī)組。

(3) 如果面對供電距離偏長會造成供電壓降增大這一相對不合理的情況,一般通過適當(dāng)加大配電線路截面,還是能從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上滿足要求。

但是,這種情況對于250 m以上的超限高層建筑來說就不同了,隨著發(fā)電機(jī)組供電距離的進(jìn)一步加大,帶來的壓降也會進(jìn)一步增大。0.4 kV電源的供電半徑一般不宜大于250 m。需要注意的是,這里所指的250 m是指配電干線、支線疊加后的線路長度,而不是電源至用電點(diǎn)的直線半徑距離。由于受建筑通道的影響,通常情況下實(shí)際線路敷設(shè)的距離會比供電距離更長,因此假設(shè)對于一幢建筑樓層高度超過250 m的超高層建筑,即使不計(jì)入支線的距離,考慮到柴油發(fā)電機(jī)組未必貼鄰核心筒,以及管井并不上下對正可能存在轉(zhuǎn)換等因素,其干線最遠(yuǎn)配電距離會達(dá)到300 m甚至更遠(yuǎn),這就超出了0.4 kV合理供電范圍。假如通過大幅增大配電線路截面來降低電壓降,甚至通過調(diào)高發(fā)電機(jī)組出口端的電壓值來抵消壓降的損失,理論上似乎可行,但實(shí)際上會存在不少問題,大幅增加配電線路截面會造成投資成本的增加,線路截面增加導(dǎo)致設(shè)施占用豎井空間增大;提高發(fā)電機(jī)組出口端的電壓值對于滿負(fù)荷運(yùn)行的遠(yuǎn)端負(fù)荷尚可行,但對于近端負(fù)荷或只有少量負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可能就會造成負(fù)荷端輸入電壓值的升高,繼而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，如圖1所示。下面針對0.4 kV柴油發(fā)電機(jī)的合理配電距離進(jìn)行了計(jì)算,看看配電距離控制在多少范圍內(nèi),能滿足規(guī)范將電壓降控制在5.0%以內(nèi)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2],線路的電壓損失計(jì)算公式為

圖1 柴油發(fā)電機(jī)供電線路電壓損失示意圖

式中:Un——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,kV;I——負(fù)荷電流,A;R′、X′——三相線路單位長度的電阻和電抗,Ω/km;

L——線路長度,km。

對應(yīng)可以參考文獻(xiàn)[2]表9-76、表9-84。

假定某建筑物200 m高處的應(yīng)急用電負(fù)荷總計(jì)額定電流為800 A,按0.4 kV正常配電線纜截面配置,干線實(shí)際長度300 m(需要加上柴油發(fā)電機(jī)房至核心筒以及核心筒至機(jī)房的距離),考慮為三相平衡負(fù)載,按上述計(jì)算公式對線路電壓降進(jìn)行計(jì)算:如采用1 000 A母線進(jìn)線配電,功率因數(shù)為0.8,滿負(fù)荷使用,則Δu%=0.028×800×0.3=6.72%,已經(jīng)不滿足±5.0%的規(guī)范限值了。

在滿足供配電系統(tǒng)末端電壓質(zhì)量±5.0%的要求情況下,做了一些計(jì)算,各種低壓配電線路的電壓損失如表1、表2所示(考慮到大部分消防負(fù)載功率因數(shù)為0.8,選取負(fù)載的功率因數(shù)為0.8進(jìn)行估算)[2]。

由于表1、表2僅考慮了應(yīng)急發(fā)電機(jī)輸電線路上的電壓損失,實(shí)際上發(fā)電機(jī)內(nèi)阻還會有一部分電壓損失。綜合考慮各項(xiàng)因素,實(shí)際上0.4 kV發(fā)電機(jī)可以供電的距離沒有表1、表2的遠(yuǎn)。在一定范圍內(nèi),可以考慮加大低壓配電線路截面,或合理設(shè)置機(jī)房位置盡量減少配電距離等措施,但基本上可以看到超過250 m的超高層建筑,要滿足規(guī)范的電壓降限值,技術(shù)上已經(jīng)比較勉強(qiáng)。這就要考慮10 kV柴油發(fā)電機(jī),并進(jìn)行一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。

表1 1 kV 交聯(lián)聚乙烯電力電纜的最大傳輸距離

表2 密集型母線的最大傳輸距離

注 :① 終端負(fù)荷用電流矩IL(A·km) 計(jì)算。

② 電纜采用銅芯電纜的環(huán)境溫度均為35 ℃。

3 超高層建筑應(yīng)急發(fā)電機(jī)電壓等級選擇

超限高層建筑中柴油發(fā)電機(jī)組電壓等級的選擇,在國家電氣設(shè)計(jì)規(guī)范中尚屬空白,設(shè)計(jì)無據(jù)可依。通過搜集大量的工程案例并咨詢多位業(yè)內(nèi)專家,可以得到一些可供參考的結(jié)論:

(1) 柴油發(fā)電機(jī)配電干線距離在250 m以下時(shí),建議選擇低壓0.4 kV柴油發(fā)電機(jī)。

(2) 柴油發(fā)電機(jī)配電干線距離在250～400 m時(shí),選擇低壓0.4 kV還是高壓10 kV柴油發(fā)電機(jī),要經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

(3) 柴油發(fā)電機(jī)配電干線距離在400 m以上時(shí),一般選擇10 kV柴油發(fā)電機(jī)組,或采用低區(qū)0.4 kV發(fā)電機(jī)高區(qū)10 kV發(fā)電機(jī)。

超高層建筑使用不同電壓等級發(fā)電機(jī)組的方案比較如表3所示。通過表3,可定性比較柴油發(fā)電機(jī)配電干線距離超過250 m的超高層建筑使用不同電壓等級發(fā)電機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)。

除此之外,還可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的比較,如表4所示。

采用10 kV發(fā)電機(jī),須采用降壓變壓器,而降壓變壓器是冷備用還是與常規(guī)市電變壓器兼用,如果采用冷備用是否需要提供市電勵磁電源;以及10 kV發(fā)電機(jī)接入主接線形式等,這都和造價(jià)密切相關(guān),上述表格僅僅是個(gè)定性的粗略比較,具體的造價(jià)及經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性需要明確主接線系統(tǒng)之后做詳細(xì)分析,但基本上可以得出這個(gè)結(jié)論,即對于柴油發(fā)電機(jī)配電干線距離超過250 m的超限高層,采用低區(qū)低壓0.4 kV高區(qū)高壓10 kV柴油發(fā)電機(jī)或全部10 kV方案比較合理。

4 結(jié) 語

超高層建筑一般都體量巨大,功能復(fù)雜。柴油發(fā)電機(jī)房既要滿足進(jìn)排風(fēng)和排煙條件,又要盡量靠近負(fù)荷中心,以保證應(yīng)急用電纜或母線傳輸距離最短,其位置就比較有講究。從大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中,總結(jié)出以下幾個(gè)注意點(diǎn):

表3 超高層建筑使用不同電壓等級發(fā)電機(jī)組的方案比較

表4 超高層建筑使用不同電壓等級發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性比較

(1) 柴油發(fā)電機(jī)房一般設(shè)置在1F或能滿足進(jìn)排風(fēng)條件的-1F。如果低壓發(fā)電機(jī)需要與變電所低壓柜有聯(lián)絡(luò)切換的關(guān)系,需要盡量靠近變電,可以減少低壓母線的傳輸距離。

(2) 考慮到超高層建筑柴油發(fā)電機(jī)房需要有大量應(yīng)急配電電纜或母線送至核心筒強(qiáng)電豎井,并經(jīng)由豎井送至各設(shè)備層變電所,因此柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置位置宜相對靠近塔樓核心筒。

(3) 柴油發(fā)電機(jī)房除了要滿足設(shè)備運(yùn)輸和機(jī)房凈高條件之外,其進(jìn)排風(fēng)以及排煙的條件往往更加難以滿足,尤其是超高層建筑柴油發(fā)電機(jī)容量一般比較大,進(jìn)排風(fēng)的風(fēng)井比較大,進(jìn)排風(fēng)井對建筑立面影響較大,在井道尺寸有限的情況下有時(shí)會采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)的方案,設(shè)置專用進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī),提高井道風(fēng)速,滿足通風(fēng)量。

(4) 有時(shí)會碰到可以設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房的位置,附近地面建筑完全開不出大面積的風(fēng)井和百葉,這時(shí)可采用遠(yuǎn)置式散熱器散熱水箱方案。該方案將發(fā)電機(jī)組與散熱水箱分開放置,通過熱交換器讓內(nèi)循環(huán)水的熱量傳遞到外循環(huán)水散熱,使機(jī)組同樣達(dá)到降溫要求的系統(tǒng),即發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)置式散熱系統(tǒng)。其工作原理是:柴油發(fā)電機(jī)組工作時(shí)產(chǎn)生的熱水從柴油發(fā)電機(jī)組的出水管流到熱交換器,熱交換器管內(nèi)的冷水冷卻柴油發(fā)電機(jī)組的循環(huán)熱水,柴油發(fā)電機(jī)組的循環(huán)熱水被冷卻后重新回到柴油發(fā)電機(jī)組,并對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行冷卻。熱交換器在冷卻柴油發(fā)電機(jī)組的循環(huán)熱水后,冷卻管內(nèi)的冷水水溫升高,被水泵送到水箱進(jìn)行冷卻,冷卻后送到熱交換器的冷卻管。理論上可以將散熱器置于任何滿足散熱條件的區(qū)域,中間用冷卻水管連通。但考慮到柴油發(fā)電機(jī)本身作為一個(gè)應(yīng)急電源,其可靠性要求很高,增加了這些水泵自身也在消耗發(fā)電機(jī)供電資源,且附加的水泵和冷卻水管及散熱器等也增加了出現(xiàn)故障的可能性。因此,如果條件允許,還是優(yōu)先選擇傳統(tǒng)冷卻方式的柴油發(fā)電機(jī)組。

如果將柴油發(fā)電機(jī)設(shè)于裙房屋頂,從電氣設(shè)計(jì)角度來講,更加靠近負(fù)荷中心是有利的,在國外也有先例,但其消防安全隱患和運(yùn)行時(shí)的振動問題比較突出,尤其是消防方面必須提前征詢當(dāng)?shù)叵啦块T意見。關(guān)于柴發(fā)機(jī)房的設(shè)置,GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第5.4.13條規(guī)定,布置在民用建筑內(nèi)的柴油發(fā)電機(jī)房應(yīng)符合下列規(guī)定:

① 宜布置在1F或-1F、2F。

② 不應(yīng)布置在人員密集場所的上一層、下一層或貼鄰。

③ 應(yīng)采用耐火極限低于2 h的防火墻和1.5 h的不燃性樓板與其他部分分隔,門應(yīng)采用甲級防火門。

④ 機(jī)房內(nèi)設(shè)置儲油間時(shí),其總存儲量不應(yīng)大于1 m3,儲油間應(yīng)采用耐火極限不低于3 h的防火隔墻與發(fā)電機(jī)分隔,確需在防火隔墻上開門時(shí),應(yīng)設(shè)置甲級防火門。

因此,一旦考慮柴發(fā)設(shè)于裙房屋頂時(shí),其下一層不能有人員密集場所,這在超高層建筑裙房比較難實(shí)現(xiàn),裙房一般會是大型高檔商業(yè)用房,這也是消防部門反對在裙房屋頂設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房的主要原因之一。當(dāng)然也不排除會有超高層建筑的裙房滿足上述規(guī)范的限值條件,但是否可以設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)要以當(dāng)?shù)叵啦块T的審核意見為準(zhǔn)。

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部質(zhì)量安全監(jiān)管司,中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施[M].北京：中國計(jì)劃出版社,2009.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京：中國電力出版社,2005.

[3] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50016—2014 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)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

錢梓楠(1981—),男,高級工程師,從事電氣設(shè)計(jì)工作。

TU 852

B

1674-8417(2015)10-0011-06

2015-09-23

羅 武(1979—),男,高級工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。

廖述龍(1981—),男,高級工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。