柴油发电机组选择标准和优化方案

摘要：对于现代超高层建就而言，应急备用电源无疑是消防设备、计算机中框、安保系统稳定运行的可靠保证，而柴油发电机在此则是饰演着其中一个不可或缺的重要角色。康明斯公司在本文中针对高层建筑的供电特点，论述了高层建筑中柴油发电机组的设置原则，容量选择方法以及机房设计等有关问题。

一、项目概况

      深圳平安国际金融中心《以下简称平安IFCl位于深圳市福田中心区，益田路与福华三路交界处，是一座超高层综合型现代化办公大楼，楼离588米，地上116层，地下5层，总建筑面积约46万m²，其中商业相楼9层，10层及以上为办公塔楼，从竖向上分为8个区域，另外还设有两个空中大厅。作为深圳市中心重要的商业地标，它将云集全球热门商业公司及国内知名企业。项目定位之高度，以及业主对于商业价值的意念，都决定了其对配电系统的安全性、可靠性、灵活性和经济性的要求都是非常高的，而对于现代超高层建筑而言，应急备用电源无疑是消防设备、计算机中枢、安保系统等核心负荷稳定运行的可靠**，而柴油发电机则是在其中饰演着重要角色。

二、柴发的选择标准及供电范围

根据供配电系统设计规范（GB50052-1995），高层民用建筑设计防火规范（GB50045-1995）（2005年版）及民用建筑电气设计规范（UGJ16-2008）中对电力负荷等级的规定，“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。”“一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。”

1、一级负荷范围

      以下为本项目的一级负荷（其中包含特别重要负荷）：

（1）本项目中的消防用电一级负荷：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，漏电火灾报警系统，自动灭火系统，电动防火卷帘（门、阀），应急照明，避难层照明等。

（2）本项目中的非消肪用电一级负荷：安防系统，重要弱电机房，大厦调度中心，物业管理系统，通讯设施，航空障碍灯，地下室潜污泵，生活水泵，擦窗机，部分区域的公共照明，部分客梯，部分新风系统等设备用电。

（3）本项目中的重要商户**用电，金融机构、交易所电子设备，商业、办公的必保负荷，如珠宝展示区安保照明，贵宾房照明，多功能厅设备，业务电脑，后备空调发电机组等。

2、应急电源规范

本项目为地标性的超高层建筑，除了必须保证消防设备的可靠供电，还需要充分考虑对大覆的众多特别重要负荷的运行保证，如安保系统用电，智能化系统设备，部分超高速电梯用电等。因此，除采用双电源回路市电供电外，单独设置作为应急的第三电源，对于**大厦的安全、稳定运营是很有必要的。

规范中指出，可以作为应急电源的有：

（1）供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路；

（2）独立于正常电源的发电机组；

（3）蓄电池。

对于上述（1）中的独立专用馈电线路，一般须由当地供电局根据项目情况审批并由业主全额投资，而在正常电源出现故障时，需要手动切换至该独立电源，操作上的技术要求较高，因为目前供电部门一般不允许用户在高压侧使用自动投切。

对于上述（3）中的蓄电池，目前较为普遍的是采用带蓄电池的应急电源设备（EPS）。这种方式适合于允许中断供电时间为毫秒级的供电对象。但其缺点很明显：投资大，运行维护成本高，尤其是蓄电池需要定时检查和更换，因此不适合用于大功率设备（10kW以上）。

故此，应用独立于正常电源的柴油发电机组，是目前超高层建筑解决应急电源的较常用方案。其优点比较明显：可以在较短时间内自启动并且自动投入到供电母线，运行稳定可靠，供电时间可满足现时大多数的市电停电时长，投资相对合理，维护管理方便。

柴油发电机组外形正视图

三、柴油发电机选型考虑因素

考虑到本项目是塔楼屋面高达538米，一级负荷比重很大而且比较分散，应急柴油发电机的服务范围将贯穿于地下室至塔楼屋面。若从供电距离、电压降、线路损耗这几个方面考虑，应该是在塔楼的若干设备层分散设置柴油发电机组，这样可以使应急电源更接近于各个负荷中心。然而超高层写字楼本身的特点，决定了对设备的垂直运输有很大程度的限制。若柴油发电机房于地下室集中设置，一则可避免占用商业价值极高的地上面积，二则便于消防及运营管理，而且形成相对独立的“污染区域”，也利于通风、排烟、减振、供油等系统设计。

根据过往超高层建筑的设计经验，以及参照国内众多知名的项目案例。在方案阶段，本项目应急柴油发电机拟按照变压器的总安装容量之20%考虑，即56400×20%=11280kVA，选用六台连续容量为2000KVA的低压柴油发电机组。在这里需要说明的是，部分未来租户区的备用电源，基于其商业方面的各项不定因素，不在本次设计范图内，仅在地下二层预留两至三个备用发电机位置，并在电气竖井中预留电缆走向通道。

根据业主的商业顾问提供的开发建议书“应为业主与租客基本的发电机提供24小时贮油”。单台2000kVA的柴油发电机组带100%负荷时的耗油量约为420Lh（实际运行不会大于此值），则六台发电机组连续24小时额定工作时的耗油总量应为6×24×420/1000=605立方。若按照085的油量充满系数计算，则需要的储油罐总容积为605/085=71立方。结合本项目的具体情况，室外油罐的布置方案将由建筑专业与消防顾问确定。

四、平安IFC项目柴发发电机组方案设计

1、发电机组设计的考虑要点

与市电供电回路不同，应急柴油机供电回路由于其只作为市电故障时的临时**方式，使用的机会和频率相对于常规市电电源而言是非常低的，因此其线路损耗不是首要考虑的重点；相反，若纯粹为补救这些微小的线路损耗而增大线路截面，实际上是与经济、环保设计背道而驰。

对于柴油发电机组的设计，除了安全性、可靠性、初期投资、后期维护等这些基本要素外，更是结合项目本身的特点作针对性的分析。经初步计算，供电半径小于150米的低压配电线路，根据计算电流配合选择电缆截面，则其干线末端电压降不会大于2%，不仅符合国家规范规定值，更是满足LEED认证体系ASHRAE标准当中关于对电压降的要求（8.4.1.1条文规定“支流导线粗细应适用于设计荷载2%的较大电压下降”）。

      本项目自地下二层至塔楼屋顶垂直距离接近600米，如此超长的供电距离，如何有效的解决长距离线路电压损失（电压降）问题，成为本设计的重要关注点。

2、干线电压降分析

经初步计算，若从地下二层发电机房以低压干线电缆直供电至塔楼中间层（干线段长度约为330米），在电缆截面不作加大的前提下，干线的电压降达到了44%，至塔楼屋顶（干线段长度约为650米》则达到了89%；若对应计算电流将电缆截面加大一级，则上述的电压降值分别为38%和76%；即使电缆截面再加大至两级，上述的电压降值也分别达到32%和64%。由此可见，如果只是单纯通过加大电缴截面来降低电阻值，从而试图减低线路电压损失，对于如此长度的电缆，是很难有效实现的。

      而当采用10kV交联聚乙烯绝缘电力电缆作为干线时，我们发现上述的两个电压降值仅为02%和04%。很明显，采用高压传输时，线路电压损失得到了很好的抑制。

      对此，柴油发电机组的形式可以从以下几个方案的作可行性分析。

3、发电机组形式的选择方案

（1）方案一

集中设置于地下二层主变电所附近，采用380V低压线路短、长程直供。优点是系统简单，初期投资低，安装、环保、供油、维护管理等各方面都相对方便。然而对与本项目而言，长距离的低压传输，电压降显然无法满足要求。

（2）方案二

发电机组分散设置于地下二层和塔楼的几个设备层，采用380V低压线路短程直供。优点是由于发电机组尽量分别靠近各区负荷中心，供电距离较小，可有效的降低线路电压降；但其缺点也很明显，塔楼设备层能够提供的运输、安装、维护、供油、消防等各方面条件都有很多限制。

（3）方案三

400V低压柴油发电机通过升、降压传输的方式，也就是低压柴油发电机组设置于地下二层，出口400V电压经过发电机组设于就近的专用变压器升压至10kV，采用10kV高压电缆分别传输到塔楼上的若干设备层，经过专用变压器降压至400W，向各负荷区供电。其优点是由于干线电流采用高压传输，容易满足线路电压降的要求，发电机组集中在地下室设置，便于消防控制、运输、安装、供油及管理。缺点就是需要增加高压变压设备、线路，对塔楼设备房的面积要求会更高。

（4）方案四

10kV高压柴油发电机组设置于地下二层，出口端直接通过10kV高压电境分别传输到塔楼上的若干设备层，再由专用变压器降压至400V，向各负荷区供电。其优点和方案三相似，缺点是高压发电机组本身成本就比相同容量低压发电机组高很多（一般为30%～50%），而且高压发电机组的保护比较复杂，国内可选择的厂商相对少很多，在国内民用建筑的应用案例也极少，使用、维护的成熟度不离。

4、项目方案对比和优选结果

从以上几个方案的分析可以看出，不同的供电距离直接决定着柴油发电机组的形式，所以，下述两种形式的组合，可以构成本项目柴油发电机的设计方案：

（1）对于低压配电供电半径不大于150米的部分，直接采用低压输出发电机组的方式，可以满足电压降要求，同时亦可节省一部分高压投

资。

（2）对于低压配电供电半径不大于150米的部分，我们以同一进口品牌2000kVA的柴油机为例去作投资比较，对比优缺点如表1所列。

方案一为一台10kV的高压发电机组+一台2000kVA的10/04kV降压变压器；方案二则为一台400V的低压发电机组+一台2000kVA的04/10kV升压变压器+两台10kV高压开关柜+一台2000kVA的10/04kV降压变压器。从设备投资而言，前者比后者高出约25%（因对于水平段、垂直段，两者均为相同长度的10kV高压电缆，故不作对比）。后者的投资相对更低，据了解，目前国内应用于民用建筑的10kV柴油发电机案例很少，加上能够提供该电压等级产品技术的柴油机厂家也相对较少，而且，离压柴油机的日常维护对于操作人员的技术能力要求更高，其优缺点不言而喻。本项目将低压柴油发电机组集中设置在地下二层，通过专用升压变压器升压至10kV，并采用10kV高压电缆分别传输到39F（5#变配电所），68F（7#变配电所），97F（9#变配电所），然后通过上述各个变配电所的专用降压变压器降压至400V，以低压形式向就近的应急负荷配电。

表1   应急（备用）柴油发电机方案比较

总结：

综合上述的技术、经济指标分析，超高层商业办公综合体不同于政府功能性建筑，也不是纯粹的城市形象工程。其应急电源系统的设计，除了要以安全性、可靠性为基本要求，同时还应该结合建筑本身的定位和特点，考虑其运行的灵活性，以及业主投资、运营的经济性。当然，在项目的施工图设计阶段，需要对各种应急、备用负荷进行具体、详尽的统计和计算，才能较终确定柴油发电机的容量。