低壓柴油發(fā)電機應急備用供電系統(tǒng)典型方案探討

藍 娟

(中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著時代發(fā)展，生命科學、數(shù)據(jù)中心、科研建設等工程項目中，對電源的可靠性有越來越高的要求。設計者應從用戶需求、投資控制、方案合理等方向出發(fā)，確定經(jīng)濟、合理、可靠的設計方案。本文總結(jié)歸納幾種典型的設計方案，并給出兩個項目案例供大家參考。

1 柴油發(fā)電機組

柴油發(fā)電機組的功率定額是在額定頻率、功率因數(shù)cosφ為0.8下用kW標示的功率。定額功率的種類有持續(xù)功率(COP)、基本功率(PRP)、限時運行功率(LTP)、應急備用功率(ESP)。運行周期在24h內(nèi)的允許平均輸出功率(Ppp)應不大于70%的基本功率。

柴油發(fā)電機容量計算可參考《工業(yè)與民用供配電設計手冊》第四版中第2.6.3.2節(jié)計算長期連續(xù)運行所需要的功率，按不大于70%～80%的基本功率選擇柴油發(fā)電機組的額定功率。驗證柴油發(fā)電機短時過載能力，發(fā)動機短時過負荷系數(shù)可取大于1.5。校驗柴油發(fā)電機母線電壓降。

柴油發(fā)電機組運行功率低于額定功率50%時，油耗會變大，燃油不充分也會升高柴油發(fā)電機組故障，降低機組使用壽命，故不建議柴油發(fā)電機組長期低負載工作。

柴油發(fā)電機組性能等級分為G1、G2、G3、G4四級。工程上應根據(jù)具體負荷特性來確定柴油發(fā)電機組的等級。其中，G1：連接的負載只規(guī)定其基本電壓和頻率參數(shù)，適用于照明和其他簡單的電氣負載。G2：電壓特性與公用電力系統(tǒng)有相同要求，當負載發(fā)生變化時，允許暫時的電壓或頻率的偏差，適用于照明、水泵、風機等。G3: 連接的設備對發(fā)電機組的電壓、頻率和波形有嚴格要求，適用于電信負載和晶閘管控制的設備。G4：連接的設備對發(fā)電機組的電壓、頻率和波形有特別嚴格的要求，適用于數(shù)據(jù)處理和計算機系統(tǒng)。

關于柴油發(fā)電機組電壓等級的選擇應結(jié)合項目供電系統(tǒng)方案、應急電源負荷計算及配電距離等綜合考慮。對于負荷相對集中的單體項目，根據(jù)項目負荷計算需要設置柴油發(fā)電機，可采用低壓柴油發(fā)電機組做系統(tǒng)備用或應急照明電源。對于一個廠區(qū)，應急電源需求位置分散，集中設計應急電源可減少機組成本，但低壓供電距離過長又增加低壓線纜成本，若采用10kV柴油發(fā)電機組在10kV供電電源側(cè)作應急電源，可減少低壓電纜的使用量。下文會結(jié)合項目情況介紹不同電壓等級柴油發(fā)電機組選擇及設計方案。

2 典型方案

不同市政條件下，柴油發(fā)電機組作為備用電源或應急電源的設置情況可分為表1中的幾種典型情況。

柴油發(fā)電機設置情況分類 表1

(1)情況一：用戶用電負荷等級有一級負荷，但市政只有一路電源，或第二路電源不滿足一級負荷要求時，需要設置柴油發(fā)電機組作為自備電源，如圖1所示供電系統(tǒng)圖，可以保證一級負荷供電的可靠性。

圖1 一路市電+柴油發(fā)電機備用供電系統(tǒng)

該工程中若還含有少量特別重要負荷，且不強調(diào)持續(xù)運行時間的負荷，可采用UPS或EPS作為應急電源。

(2)情況二：用戶用電負荷最高等級為一級負荷中特別重要負荷，且市政電源滿足雙重電源要求，滿足一級負荷供電需求，設置柴油發(fā)電機組作為應急電源保障特別重要負荷用電。該類項目特點是用電設備中含有大量一級負荷中特別重要負荷(如甲級綜合醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、金融大廈、特種行業(yè)保障性電源)，且采用UPS、EPS電源難以滿足持續(xù)時間或投資成本過高時，采用柴油發(fā)電機組作為應急電源，供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 兩回市電+柴油發(fā)電機應急供電系統(tǒng)

一級負荷、二級負荷及三級負荷均應分配在雙重電源的供電系統(tǒng)中，由于消防用電設備最高負荷等級為一級，所以消防負荷電源也可引自雙重電源。

不同負荷對允許停電時間要求不同，為了彌補柴油機電源切換所需要的時間，可根據(jù)負荷需求采用UPS或EPS。不間斷電源設備UPS適用于允許中斷供電時間為毫秒級的負荷，逆變應急電源EPS適用于中斷供電時間為0.25s以上的負荷。

(3)情況三：用戶用電負荷最高等級為一級負荷中特別重要負荷，且市政兩回電源供電，但不獨立，設置柴油發(fā)電機組作為備用電源如圖3所示。該情況下，二級負荷引自雙路市電就可以，一級負荷需要引自市政電源及備用電源，特別重要負荷仍需再設置應急電源。應急電源的選擇有柴油機、EPS電源、UPS電源，此情況下需綜合允許斷電時間、投資等要求，合理選擇應急電源。

圖3 兩路不獨立市電+柴油發(fā)電機應急供電系統(tǒng)

圖3給出消防負荷與備用負荷分開母線供電的方案，滿足消防救援要求。且消防負荷備用電源受非消防負荷故障的影響小。柴油機啟動電氣示意圖如圖4所示。

圖4 柴油機啟動電氣示意圖

工程項目在選擇柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)方案的時候，首先應根據(jù)規(guī)范及建設方使用需求，確定負荷等級，并對各級負荷進行負荷計算，然后向甲方或供電部門溝通電源情況，最后根據(jù)負荷計算、工藝需求及建設投資費用選擇合適的方案。

柴油發(fā)電機組的選址協(xié)同項目變電站位置，宜緊鄰該項目的變配電站(即靠近負荷中心)，同時考慮柴油發(fā)電機組排煙、排氣是否可行， 可結(jié)合立面造型設置通風井等。其次柴油發(fā)電機房的位置要考慮柴油發(fā)電機運行時產(chǎn)生的噪音和振動，避免設置于需要保持安靜的場所附近。

3 某科研建筑應急電源設計案例

某科研保障大樓總建筑面積為157 420m2，其中1號科研樓為23層，建筑面積為64 231m2，建筑最高處為100m，2號科研樓為11層，建筑面積為42 033m2， 建筑最高處為49.9m，地下建筑為4層，地下建筑面積50 868m2。該建筑為一類高層建筑。其中走道照明、值班照明、警衛(wèi)照明、障礙照明用電、主要業(yè)務和計算機系統(tǒng)用電、安防系統(tǒng)用電、電子信息設備機房用電、客梯用電以及排污泵、生活水泵、部分科研設備、消防負荷用電為一級負荷。

消防負荷與非消防負荷不同時使用，負荷計算時分開計算，負荷計算如表2～3所示。

消防負荷統(tǒng)計計算表 表2

備用電源負荷統(tǒng)計計算表 表3

火災情況下切除非消防負荷，故消防電源與非消防電源不同時使用，柴油發(fā)電機組容量僅需保證兩者之間最大的需量來選擇。

一級負荷需要兩重電源，但市政能保證兩路電源供電并不能保證雙重10kV。為保證一級負荷用電，本項目采用方案3系統(tǒng)圖，消防負荷與應急母線分母線供電，保證消防情況下一鍵切換到非消防用電源。

應急發(fā)電機組的啟動信號應取自市電電源主開關的輔助觸點，不應取自電壓繼電器的接點，因為繼電器有可能誤動作。故實際項目中往往先將失壓信號發(fā)送給主進線開關，主進線開關動作后，輔助觸點聯(lián)動柴油發(fā)電機組。系統(tǒng)圖可參考圖4。

雙路市電同時供電，兩段母線中間設聯(lián)絡開關，當一路市電斷電后，聯(lián)絡開關閉合，為另一端母線供電。當兩路市電均斷開后，啟動柴油發(fā)電機，收到啟動信號延時0～10s，自動啟動柴油發(fā)電機組，柴油發(fā)電機組一般在15s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速、電壓、頻率。柴油發(fā)電機組應設有自動啟動裝置，當市電恢復3～5min后，雙電源轉(zhuǎn)換開關動作，恢復市電供電。

市電與應急電源轉(zhuǎn)換可參見圖5，以保證重要負荷的正常運行，柴油發(fā)電機組必須與原供電系統(tǒng)的同序運行。雙電源轉(zhuǎn)換開關在接到市電失壓或斷路器跳閘信號后自動轉(zhuǎn)換到柴油機供電回路，應選擇市電-發(fā)電機型ATSE雙電源轉(zhuǎn)換開關。

圖5 市電柴油機轉(zhuǎn)化配電柜示意圖

4 工業(yè)廠區(qū)應急電源設計案例

工業(yè)廠區(qū)建設項目中，為滿足廠區(qū)一級負荷以及用戶供電保障性的需求，需設置柴油發(fā)電機組供電范圍，主要包括廠區(qū)全部IT系統(tǒng)、消防設備(含消防供水設備、防排煙設備、消防自動報警系統(tǒng)、消防應急照明等)、安全防范系統(tǒng)、安全照明、危險品庫用電、停機坪照明用電，以及保障廠區(qū)生產(chǎn)基本運行所需的部分動力、照明供電等。

以某項目為例，廠區(qū)所有保障性電源負荷計算如下，用電設備安裝功率約41 711kW，計算有功功率16 79kW，詳見表4。

柴油發(fā)電機組負荷統(tǒng)計計算表 表4

為滿足廠區(qū)一級負荷以及用戶對電源保障性的需求，10kV中心配電室內(nèi)設置應急母線段及自備柴油發(fā)電機房一座，安裝兩臺常用功率為1 200kW，備用功率為1 320kW，輸出電壓為10kV的快速啟動型柴油發(fā)電機組，通過與市電Ⅱ段母線的連鎖，切換斷路器為應急母線段供電。系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖6 廠區(qū)保障電源10kV配電網(wǎng)絡圖

應急母線段平時通過一個真空斷路器由市電Ⅱ段母線供電，當市電Ⅱ段因故停電時，該斷路器自動分斷，發(fā)電機組短延時后自動逐臺啟動，自動并機工作，通過另一只真空斷路器為應急母線段供電，完成這一過程不應超過30 s。兩個真空斷路器采用智能切換模塊控制并設置電氣連鎖，當其中一個真空斷路器閉合時另一個不能合閘，避免向市電電網(wǎng)倒送電。

雙機運行方式下，兩臺機組在并聯(lián)投入供電5 ～ 20 min(可調(diào))后， 若實際負荷小于20 %(可調(diào))總額定負荷， 機組控制器能發(fā)出“減機指令”， 其中一臺(可任意設置)自動解列， 斷開并機斷路器， 經(jīng)延時運行后自動停機。當減機一臺機組供電時， 若負荷接近額定容量的75 %(可調(diào))， 機組控制器能發(fā)出“增機指令”， 另一臺機組自啟動， 經(jīng)自動同步調(diào)整后自動并機， 并機后自動均衡負荷，不平衡度應不大于10 %。

5 結(jié)束語