重要辦公建筑柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)探討

劉力紅，徐 華

(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100084)

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)，重要辦公建筑的供電保障要求越來(lái)越高。柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)常作為應(yīng)急或備用電源使用，柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的合理性和安全性至關(guān)重要。

本論文以亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行總部項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱(chēng)“亞投行項(xiàng)目”)為例，總結(jié)了柴油發(fā)電機(jī)組在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)和想法。希望通過(guò)本文的探討，對(duì)電氣設(shè)計(jì)師在柴發(fā)機(jī)組設(shè)計(jì)方面有所助益。

1 項(xiàng)目概況

亞投行項(xiàng)目位于中軸線西側(cè)建筑序列的最北端；總建筑面積為389 972 m2，地上面積 256 872m2，地下面積133 100m2。地上16層，地下3層；建筑高度80m。機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)位1 670輛。本項(xiàng)目為一次性建設(shè)，分三期使用。

亞投行項(xiàng)目為一類(lèi)高層辦公建筑。車(chē)庫(kù)屬于大型 Ⅰ 類(lèi)汽車(chē)庫(kù)；地下一層設(shè)置的數(shù)據(jù)機(jī)房為B級(jí)機(jī)房。項(xiàng)目耐火等級(jí)為一級(jí)；結(jié)構(gòu)類(lèi)型為鋼管混凝土框架-鋼板墻核心筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類(lèi)型為樁筏基礎(chǔ)。

2 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)荷等級(jí)

本工程為一類(lèi)高層辦公建筑、超甲級(jí)寫(xiě)字樓、大型Ⅰ類(lèi)汽車(chē)庫(kù)。根據(jù)供電方案，本工程為一級(jí)負(fù)荷用戶。具體負(fù)荷分級(jí)如下。

一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷：主要業(yè)務(wù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電子信息設(shè)備機(jī)房、重要弱電機(jī)房用電(含空調(diào)用電)；安防系統(tǒng)用電；值班照明、警衛(wèi)照明；首層安檢區(qū)用電、變配電室用電；辦公區(qū)重要負(fù)荷；檔案室用電、交易辦公區(qū)用電、董事會(huì)會(huì)議室及行長(zhǎng)辦公區(qū)用電、VIP電梯；廚房冷庫(kù)用電；地下一層B級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)房及其精密空調(diào)設(shè)備用電；為數(shù)據(jù)機(jī)房和廚房冷庫(kù)服務(wù)的冷卻水等空調(diào)設(shè)備用電。

一級(jí)負(fù)荷：消防控制室、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制裝置、火災(zāi)應(yīng)急照明系統(tǒng)、防煙及排煙設(shè)施、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、消防水泵、消防電梯及其排水泵、電動(dòng)的防火卷簾及門(mén)窗、閥門(mén)等消防用電；走道照明；客梯用電；排污泵、生活水泵用電；副行長(zhǎng)/首席顧問(wèn)辦公區(qū)。

二級(jí)負(fù)荷：貨梯、自動(dòng)扶梯、換熱泵房、擦窗機(jī)、中水泵房用電。

三級(jí)負(fù)荷：除一、二級(jí)負(fù)荷以外的其他負(fù)荷。

2.2 各級(jí)負(fù)荷供電方式

一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷：采用雙重電源供電，在最末一級(jí)配電裝置處自動(dòng)切換；采用柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，根據(jù)設(shè)備允許中斷供電時(shí)間的要求設(shè)置UPS保證供電連續(xù)性。

一級(jí)負(fù)荷：采用雙重電源供電，在最末一級(jí)配電裝置處自動(dòng)切換。對(duì)于消防負(fù)荷和部分維持大樓基本運(yùn)行的一級(jí)負(fù)荷增設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，根據(jù)設(shè)備允許中斷供電時(shí)間要求設(shè)置UPS/EPS保證供電連續(xù)性。

二級(jí)負(fù)荷采用兩回路電源供電，在適當(dāng)位置的配電裝置處自動(dòng)切換；對(duì)大容量設(shè)備也可采用由變配電室低壓配電柜單路放射式供電。

三級(jí)負(fù)荷按約定或單路供電。

2.3 變配電室設(shè)置

本項(xiàng)目共設(shè)有六座變配電室，兩座總變配電室(1號(hào)和2號(hào)總變配電室)，四座分變配電室(3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)分變配電室)。

其中，除專(zhuān)門(mén)為制冷機(jī)房設(shè)置的6號(hào)分變配電室設(shè)置在地下二層(局部降板)外，其余變配電室均設(shè)置在地下一層。變配電室均設(shè)置電纜夾層。本項(xiàng)目總變壓器容量為45 000kVA。

3 柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)

3.1 柴油發(fā)電機(jī)組帶載范圍

根據(jù)負(fù)荷等級(jí)及不同負(fù)荷等級(jí)的供電方式，本項(xiàng)目設(shè)置閉式水循環(huán)風(fēng)冷式低壓柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急/備用電源。柴發(fā)機(jī)組的帶載范圍如下。

(1)停電且消防狀態(tài)：帶載本區(qū)域全部消防負(fù)荷，為消防負(fù)荷提供應(yīng)急電源。負(fù)荷包括：安防控制系統(tǒng)、重要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、消防控制室、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制裝置、火災(zāi)應(yīng)急照明系統(tǒng)、防煙及排煙設(shè)施、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、消防水泵、消防電梯及其排水泵、電動(dòng)防火卷簾、電動(dòng)排煙窗等消防用電。

(2)停電而非消防狀態(tài)：為維持大樓基本運(yùn)行的負(fù)荷提供備用電源。主要包括：首層安檢區(qū)用電、辦公區(qū)重要負(fù)荷、檔案室用電、交易辦公區(qū)用電、董事會(huì)會(huì)議室及行長(zhǎng)辦公區(qū)用電、VIP電梯、廚房冷庫(kù)用電、B級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)房及其精密空調(diào)設(shè)備、智能化機(jī)房和廚房冷庫(kù)服務(wù)的冷卻水等空調(diào)設(shè)備用電；重要客梯、排污泵、生活水泵用電。

3.2 柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置

柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置原則為：靠近其服務(wù)的變配電室，便于進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)、排煙。本項(xiàng)目在地下層設(shè)置三座柴油發(fā)電機(jī)房。表1所示為柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)置情況。

柴油發(fā)電機(jī)房編號(hào)及機(jī)組設(shè)置 表1

3.3 柴油發(fā)電機(jī)房控制室

在發(fā)電機(jī)房控制室設(shè)應(yīng)急/備用電源配電柜，將應(yīng)急/備用電源分配至各區(qū)域變壓器的應(yīng)急/備用母線。

3.4 室外儲(chǔ)油量計(jì)算

本項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)組持續(xù)供電時(shí)間不少于24h；單臺(tái)機(jī)組的燃油消耗量為298L/h, 按照最不利條件下，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)持續(xù)工作24h，需要的儲(chǔ)油量為14.3m3；考慮室內(nèi)設(shè)有1 m3日用油箱，室外設(shè)置15 m3儲(chǔ)油罐，則儲(chǔ)油量共16 m3> 14.3 m3，滿足儲(chǔ)油量要求。

當(dāng)日用油箱液位低于液位開(kāi)關(guān)時(shí)，啟動(dòng)柴油罐油泵，打開(kāi)日用油箱進(jìn)油管防爆電動(dòng)閥，將油泵入日用油箱；當(dāng)液位高于高液位開(kāi)關(guān)時(shí)，關(guān)閉日用油箱防爆電動(dòng)閥，停泵。

3.5 柴油發(fā)電機(jī)組配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

變壓器低壓端通過(guò)斷路器的輔助觸點(diǎn)信號(hào)給發(fā)電機(jī)組控制器啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。當(dāng)恢復(fù)供電后控制器發(fā)出發(fā)電機(jī)斷路器分閘信號(hào)，延時(shí)發(fā)出斷路器合閘信號(hào)，柴油發(fā)電機(jī)組延時(shí)停機(jī)。

通過(guò)柴發(fā)機(jī)組的并列控制器，可完成對(duì)市電斷路器轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)機(jī)組遠(yuǎn)程啟動(dòng)、加載和卸載順序控制、負(fù)載需求控制、負(fù)載優(yōu)先級(jí)控制、市電切換管理、系統(tǒng)智能監(jiān)控、BMS信息提供、機(jī)組測(cè)試控制。

柴油發(fā)電機(jī)組自帶的控制屏需要預(yù)留接口與建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行通訊，建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)控信號(hào)：油位、油泵啟停、運(yùn)行狀態(tài)、故障、手/自動(dòng)狀態(tài)、水溫、油壓、油溫、頻率、電瓶組電壓等。圖1所示為1#柴油發(fā)電機(jī)房的機(jī)組配電系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 1#柴油發(fā)電機(jī)房機(jī)組配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.6 柴油發(fā)電機(jī)組的控制邏輯

(1)啟動(dòng)邏輯

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電中任意一路市電失電，柴發(fā)進(jìn)入熱備狀態(tài)，柴發(fā)機(jī)組全部自動(dòng)啟動(dòng)，此時(shí)柴發(fā)機(jī)組空載運(yùn)行，5min內(nèi)若供電回路中的兩路市電全部失電，柴發(fā)機(jī)組合閘相應(yīng)回路的機(jī)組輸出開(kāi)關(guān)；5min后若供電回路中的兩路市電中仍只有一路失電，則柴發(fā)機(jī)組停機(jī)。

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電，柴發(fā)進(jìn)入非熱備狀態(tài)，柴發(fā)機(jī)組全部自動(dòng)啟動(dòng)，率先達(dá)到額定電壓、頻率的柴發(fā)機(jī)組合閘對(duì)應(yīng)的機(jī)組輸出開(kāi)關(guān)，后一臺(tái)達(dá)到并車(chē)條件與前一臺(tái)自動(dòng)并車(chē)，并車(chē)完成后，合閘后一臺(tái)對(duì)應(yīng)的機(jī)組輸出開(kāi)關(guān)。

(2)柴發(fā)機(jī)組帶載運(yùn)行邏輯

無(wú)論柴發(fā)機(jī)組是否處于熱備狀態(tài)，只有當(dāng)且僅當(dāng)柴發(fā)機(jī)組并車(chē)完成、機(jī)組輸出開(kāi)關(guān)合閘后，任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電且ATS切換開(kāi)關(guān)市電側(cè)合閘反饋信號(hào)消失，主控柜才能控制相應(yīng)供電回路中的饋線開(kāi)關(guān)合閘，饋線開(kāi)關(guān)合閘后，柴發(fā)機(jī)組帶載運(yùn)行。

柴發(fā)機(jī)組帶載運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)荷小于單機(jī)容量80%，延時(shí)自動(dòng)解列，任意一臺(tái)機(jī)組退出延時(shí)停機(jī)；當(dāng)負(fù)荷大于單機(jī)容量85%，退出機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，自動(dòng)并車(chē)，之后帶載運(yùn)行。

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電，且主控柜在沒(méi)有接收到消防信號(hào)的情況下，柴發(fā)機(jī)組需向重要負(fù)荷以及消防負(fù)荷中的常用設(shè)備回路供電。

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電全部失電，且主控柜在接收到消防信號(hào)的情況下，主控柜切斷重要負(fù)荷回路，柴發(fā)機(jī)組只向消防負(fù)荷回路供電。

(3)柴發(fā)機(jī)組停機(jī)邏輯

任意一組變壓器供電回路中的兩路市電中任意一路返回且主控柜檢測(cè)到該供電回路中ATS市電側(cè)合閘狀態(tài)反饋信號(hào)返回，主控柜控制分閘相應(yīng)供電回路中的機(jī)組饋線開(kāi)關(guān)，此時(shí)：1)若其他變壓器組市電都正常供電的情況下，柴發(fā)機(jī)組空載運(yùn)行5min后停機(jī)；2)若其他變壓器供電回路中的兩路市電仍處于失電狀態(tài)，柴發(fā)機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行帶載，直至所有供電回路市電正常供電，柴發(fā)機(jī)組空載運(yùn)行5min后停機(jī)。

3.7 柴油發(fā)電機(jī)房用配電箱/柜設(shè)置

柴發(fā)發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置雙電源配電箱為柴發(fā)機(jī)組輔助設(shè)備提供低壓電源。雙電源回路分別引自變壓器普通母線段和應(yīng)急母線段；電啟動(dòng)系統(tǒng)、接地柜和電動(dòng)百葉由機(jī)組自帶UPS供電。預(yù)留電量可根據(jù)以下數(shù)據(jù)進(jìn)行估算(1 000kW機(jī)組)：1)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組電加熱器：AC380V，15kW；2)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組尾氣凈化系統(tǒng)控制器：AC380V，1kW；3)機(jī)房接地柜：AC220V，1kW；4)機(jī)房日用油箱控制柜(含回油泵電源)：AC380V，5kW；5)機(jī)房室外油罐控制柜(含供油泵電源)：AC380V，8kW；6)數(shù)字并聯(lián)主控制柜：AC220V，1kW。

3.8 接地

本工程各柴油發(fā)電機(jī)房的兩臺(tái)柴油機(jī)組并列運(yùn)行，機(jī)組的中性點(diǎn)經(jīng)接觸器接地；當(dāng)中性導(dǎo)體存在環(huán)流時(shí)，只需將其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)(接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合)接地。本項(xiàng)目每座柴油發(fā)電機(jī)房的兩臺(tái)柴發(fā)機(jī)組共用一個(gè)接地柜，接地柜由柴發(fā)機(jī)組配套提供。

柴油發(fā)電機(jī)房的接地采用與大樓共用統(tǒng)一的接地裝置，要求接地電阻≤0.5Ω，實(shí)測(cè)不滿足要求時(shí)，增設(shè)人工接地極?？刂剖以O(shè)有等電位端子箱，采用熱鍍鋅扁鋼與基礎(chǔ)接地裝置聯(lián)結(jié)。

4 規(guī)范條款對(duì)柴發(fā)機(jī)房設(shè)計(jì)提出的新要求

在柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，還需注意GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)中對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組提出的新的設(shè)計(jì)要求及相關(guān)條款的變化。

4.1 柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置位置

GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)中5.4.13條第2款要求：民用建筑內(nèi)的柴油發(fā)電機(jī)房不應(yīng)布置在人員密集場(chǎng)所的上一層、下一層或貼臨。此條為強(qiáng)條，因此在方案階段，選擇柴油發(fā)電機(jī)房位置時(shí)務(wù)必需要注意避開(kāi)人員密集場(chǎng)所。

4.2 水專(zhuān)業(yè)滅火形式的調(diào)整引起的電氣相應(yīng)調(diào)整

GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018年版)中5.4.13條第6款要求：應(yīng)設(shè)置與柴油發(fā)電機(jī)容量和建筑規(guī)模相適應(yīng)的滅火設(shè)施，當(dāng)建筑內(nèi)其他部位設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。

根據(jù)此條款，目前給排水專(zhuān)業(yè)在柴油發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)采用普通的水噴淋系統(tǒng)，而不是之前設(shè)計(jì)的水噴霧系統(tǒng)。因此，為了防止誤噴水對(duì)柴油發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備造成不利影響，建議電氣人員在設(shè)計(jì)中可采用如下措施。

(1)無(wú)論柴油發(fā)電機(jī)組容量大小，均建議設(shè)置柴油機(jī)房控制室；柴油發(fā)電機(jī)組相關(guān)設(shè)備均放置在控制室內(nèi)。

(2)對(duì)于沒(méi)有條件設(shè)置在控制室內(nèi)的設(shè)備(母線、接地電阻柜等)需相應(yīng)提高其防護(hù)等級(jí)。

(3)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)整：由于滅火形式的改變，在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)房探測(cè)器的形式也相應(yīng)改變。由之前配合水噴霧系統(tǒng)，設(shè)置的感溫和感煙的探測(cè)器組合形式，調(diào)整為只設(shè)置感溫探測(cè)器即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

柴油發(fā)電機(jī)組是保證建筑供電安全的重要設(shè)備，柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)還涉及到柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇、設(shè)備運(yùn)輸、消聲降噪、機(jī)房設(shè)備布置等各方面問(wèn)題，由于論文篇幅有限，不再一一闡述。