应急柴油发电机组容量的计算经典.docx
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应急柴油发电机组容量的计算经典
应急柴油发电机组容量的计算
内容提要：
本文系统地介绍了应急柴油发电机组容量计算的原则、公式及有关表格，其中公式4～11、14是作者本人推导的。
关键词:
一个建筑物、一个防火分区、火灾情况、非火灾情况、消防需要、P-Q运行极限图、稳定负荷、尖锋负荷、母线允许电压下降
应急柴油发电机组是民用建筑中重要的应急电源设备，对保证人身和财产的安全起着至关重要的作用。
1、应急柴油发电机组的供电范围
按照IEC和国家标准的有关规定，应急柴油发电机组主要是为一级负荷中特别重要负荷及消防负荷供电。
除此之外，为充分发挥柴油发电机组的作用，还可以向一些比较重要的商用负荷供电，这部分商用负荷多数为一些收费较高的营业场所。
多数情况下首先根据火灾情况确定应急柴油发电机组容量，然后再根据发电机的容量确定对商用负荷的供电范围。
2、应急柴油发电机组负荷计算中的几个原则问题
根据应急柴油发电机组的供电范围，在进行应急柴油发电机组的负荷计算时，首先应明确以下几个原则：
2.1应按火灾和非火灾两种情况分别计算
根据应急柴油发电机组的供电范围，在进行负荷计算时，应按火灾和非火灾两种情况分别计算。
2.2应急柴油发电机组火灾情况下的负荷计算
在进行火灾情况下应急柴油发电机组负荷计算时，应根据《建筑设计防火规范》的规定，对建筑群和住宅小区按一个建筑发生火灾计算，对一个建筑按一个防火分区发生火灾计算。
此时消防负荷包括：
应急柴油发电机组供电范围内全部消防电梯、全部应急照明，加上发生火灾时，根据防火分区所使用的消防负荷，如消火栓泵、喷淋泵、防排烟风机等。
大多数工程是与地下室、塔楼相对应的首层防火分区发生火灾时消防负荷最大。
此时投入使用的防排烟风机有地下室、首层、二层对应防火分区的防排烟风机。
对于超高层建筑，当高区采用接力方式供水时，有可能在高区发生火灾投入使用的消防负荷最大。
对于复杂工程，发生火灾时投入使用的消火栓泵、喷淋泵、防排烟风机的容量应由相关专业提出。
此外，还应考虑到最不利的情况，即停电事故在先，火灾发生在后，即火灾发生在应急柴油发电机组供电的过程中，所以在计算应急柴油发电机组容量时，还应考虑在其供电范围内位于其他防火分区的一级负荷中特别重要负荷。
还应考虑在其他防火分区内的由柴油发电机组供电的某些商用负荷，在接到切除的指令后，可能需要作些后续工作才能切除。
2.3应急柴油发电机组非火灾情况下的负荷计算
应急柴油发电机组在进行非火灾情况下负荷计算时，除考虑由发电机供电的一级负荷中特别重要负荷外，还应考虑消防电梯，平时与火灾兼用的应急照明、平时与火灾兼用的通风机、新风机组等消防负荷。
此外还需要根据工程实际情况考虑一些并非特别重要负荷或消防负荷的比较重要的商用负荷。
除特别重要工程外，多数是根据发电机容量确定对这部分负荷的供电范围，以免供电范围过大超过了发电机的负荷能力。
2.4应急柴油发电机组负荷计算的需要系数和同时系数
2.4.1需要系数
消防负荷中的电动机类负荷，除消防电梯外，同一用电设备组的设备在火灾时投入运行的台数，一般情况下不会超过3台，可认为需要系数为1。
对于超高层建筑在高区消火栓系统、喷洒系统采用接力方式供水时，水泵用电设备组投入运行的台数可能超过3台，消防电梯同时使用的台数也可能超过3台，此时的需要系数也要比同类用电设备在正常负荷计算时所取的需要系数的酌情加以放大。
2.4.2同时系数
由于发生火灾时，用电设备组较少，主要是水泵、电梯、风机、照明，而且基本上是在最大负荷下工作，可以认为同时系数为1。
2.5消防负荷投入或起动顺序
如果是在应急柴油发电机组供电过程中发生火灾，由于消防电梯、应急照明已经处于使用状态，需要投入或起动的消防负荷是防排烟风机、消防泵（包括喷淋泵、消火栓泵）。
如果是在火灾过程中发生停电事故，市电失去电源后一些次要负荷被切掉，电动机回路接触器释放。
经延时起动应急柴油发电机组，当发电机全压后，合上主开关，即向断路器仍在合闸位置的某些非电动机回路供电，例如平时与火灾兼用的应急照明，此时待投入或起动的消防负荷有：
火灾时接通的应急照明，消防电梯、防排烟风机、消防水泵等。
在确定这些消防负荷投入或起动顺序时，可以有两种原则，最先起动大电动机原则或顺应消防需要的原则。
2.5.1最先起动大容量电动机原则
这种原则的出发点是尽量减少柴油发机组的容量。
由于防排烟风机、消防电梯的电动机单台容量不会太大，所以最先起动大容量电动机就是最先起动消防泵。
这种起动顺序节省投资，适用于非火灾情况下电动机的起动及疏散路径短、无机械防排烟的多层建筑火灾情况下电动机的起动。
2.5.2顺应消防需要的原则
这种原则的主要出发点是确保火灾捕救和人员疏散。
发生火灾后在救火过程中，处理一切问题的出发点应该是尽量减少人员和财产损失。
虽然最先起动或投入与最后起动或投入的时间绝对值相差并不很大，但对处于千钧一发时刻进行灭火的战斗消防队员和处于熊熊烈火中的人员来讲，则是非常宝贵的。
从一些火灾案例中可以了解到，有的人就是倒在安全出口跟前，如果再有几秒钟的时间，可能就顺利逃生了。
从捕救火灾和疏散人员的角度讲，需要最先投入和起动的消防负荷是应急照明、消防电梯、防火卷帘，这可以为疏散人员和捕救火灾创造了有利条件。
由于有消防水箱，在消火栓泵、喷淋泵起动前，可以保证一段时间消防用水，所消火栓泵、喷淋泵与防排烟相比可以后起动。
由于发生火灾的防火分区内烟需要一段时积累才能使人窒息造成死亡。
所以从顺应消防需要的角度，消防负荷投入和起动顺序为：
火灾应急照明、消防电梯、防火卷帘——防排烟——消火栓泵、喷淋泵。
按照这个顺序，能够确保捕救火灾和疏散人员，最大限度地减少损失。
按照这个顺序尖锋负荷出现在起动最后一台（组）电动机即消防泵时，但这样应急柴油发电机容量要大，投资增加。
这种原则适用于大中型公共建筑和高层建筑。
3、应急柴油发电机组容量的估算
在方案和初设阶段，可对应急柴油发电机组容量进行估算。
3.1按配电变压器容量估算
可按配电变压器容量的10～20%估算柴油发电机组的容量。
3.2按建筑面积估算
对于10000m2以上的大型建筑，按15～20w/m2估算；对于小于10000m2的中小型建筑可按10～15w/m2估算。
3.3按起动单台或成组电动机容量估算
按起动单台或成组电动机容量估算时，可按下式进行：
PN.G≥k·PM
（1）
式中PN.G——应急柴油发电机组的额定有功功率kw；
k——最大一台（组）电动机的起动电流倍数；
PM——最大一台（组）电动机的额定功率kw。
k值见表1。
发电机功率与被起动电动机功率的最小倍数k表1
起动方式
压全起动
Y—△起动
自耦变压器起动
0.65UN
0.8UN
母线允许
电压降
20%
5.5
1.9
2.4
3.6
10%
7.8
2.6
3.3
5.0
注：
表中：
UN—电动机额定电压。
3.4按整流器类负荷的容量估算
当柴油发电机组有较大容量的整流器、UPS装置、充电机等整流器类负荷时，应注意发电机组容量与整流器类负荷容量的匹配，使发电机组允许的谐波含量大于整流器类负荷所产生的谐波含量。
由于现在的整流器类负荷设备本身已开始采用吸收或限制高次谐波的措施，对电源的要求越来越低，所以工程上应注意有关的产品说明。
4、施工图阶段发电机容量的计算
施工图设计阶段应对发电机容量进行计算。
4.1发电机的P-Q运行极限图
柴油发电机组的有功和有功功率，分别由柴油发电机组的调速器和励磁系统的电压调节器调节，受发电机P-Q运行极限图的限制。
图1为发电机P-Q运行极限图。
图中
为发电机额定电压UN.G，IN.G为发电机额定电流，
N为发电机额定功率因数角。
表示IN.G在发电机同步电抗Xd上的电压降，则
表示发电机空载电势。
其长度正比于发电机组转子额定电流，也就是代表转子电流标么值。
由于电压为额定值，所以
也代表电流和视在功率的标么值。
ACcos
代表有功功率标么值。
ACsina
代表无功功率标么值。
当冷却介质温度一定时，发电机定子和转子绕组的容许电流为一定，即图中的
和
长度一定。
当发电机在两园弧交点运行时，定子和转子电流同时达到允许值。
当cop
降低时，由于受转子允许电流的限制，发电机只能在CB园弧线上运行；当cop
升高时，由于受定子允许电流的限制，发电机只能在CD园弧线上运行；在D点后cop
继续升高，由于受原动机额定出力的限制，发电机只能在DE线上运行。
在额定运行条件下C、D两点重合，即发电机定子电流、转子电流同时达到允许值，柴油机达到额定出力，发电机发出额定功率。
从发电机P-Q运行极限图可知：
当发电机功率因数在额定功率因数以上时，发电机主要受柴油机额定功率的限制，所以主要计算有功功率；当发电机功率因数在额定功率因素以下时，发电机主要受转子允许电流的限制，所以主要计算视在功率。
由于在起动单台或成组大电动机时，发电机功率因数肯定低于额定功率因数，所以在按起动电动机计算应急柴油发电机容量时，不仅要计算有功功率，更重要的是要计算视在功率。
图1发电机P-Q运行极限图
4.2按稳定负荷计算
应急柴油发电机组容量可按下式计算：
PN.G1≥k1Pca/k2
（2）
SN.G1≥k1Pca/（k2.cos
G）
式中PN.G1——柴油发电机组有功功率kw；
SN.G1——柴油发电机组视在功率kVA；
cos
G——柴油发电机组功率因数，0.8；
k1——可靠系数，一般取1.1；
k2——并联运行的负荷不均匀系数，两台为0.9，单台取1。
Pca——按火灾与非火灾情况计算的发电机最大计算负荷kw。
4.3按起动单台或成组电动机尖锋负荷计算
4.3.1起动单台或成组电动机时发电机容量的计算
在起动单台或成组电动机时，应急柴油发电机组容量可按下式计算：
√P2max+Q2max
（3）
SN.G2≥
k3
式中SN.G2——发电机视在功率kVA；
k3——发电机允许短时过载系数，取1.5；
Pmax——单台或成组电动机起动时，发电机尖锋有功负荷kw；
Qmax——单台或成组电动机起动时，发电机尖锋无功负荷kw；
4.3.2Pmax的计算
应急柴油发电机组在起动单台或成组电动机对其尖锋有功负荷可按下式计算：
Pmax=Po+Ps.M=Po+k4PM（4）
如果尖锋负荷出现在起动最后一台（组）电动机时，上式可变为：
Pmax=Pca-PM+k4PM=Pca+（k4-1）PM（5）
式中Pca——火灾情况下发电机组的计算负荷kw；
Po——电动机（组）起动前发电机正常的有功负荷kw；
PM——单台或成组电动机的额定有功功率kw；
PS.M——单台或成组电动机起动时的有功功率kw；
k4——单台或成组电动机起动时有功功率的计算系数。
4.3.3Qmax的计算
应急柴油发电机组在起动单台或成组电动机时，其尖锋无功负荷可按下式计算：
Qmax=Qo+QS.M=Qo+PS.M·tg
S.M=Qo+k5PM（6）
如果尖锋负荷出现在起动前后一台（组）电动机时，上式可变为：
Qmax=Qca＿QM+PS.M·tg
S.M（7）
=Qca＿PM·tg
M+PS.M·tg
S.M
=Qca+（k5＿tg
M）PM
=Qca+（k5＿0.75）PM
式中Qca——发电机计算无功负荷kVAR；
Qo——单台或成组电动机起动前发电机已带的无功负荷kVAR；
QM——单台或成组电动机起动的无功功率。
tg
M、tg
S.M——单台或成组电动机的正常或起动时的功率因数角正切；
k5——单台或成组电动机起动时无功功率的计算系数。
4.3.4Po、Qo的计算
起动单台或成组电动机时，发电机已带Po、Qo的计算需分别按以下两种情况计算：
4.3.4.1在应急柴油发电机组供电过程中，发生火灾Po、Qo的计算
在应急柴油发电机组供电过程中发生火灾，此时应急柴油发电机组由非火灾状态转入火灾状态。
在发生火灾前，发电机已带有全部消防电梯、全部应急照明、供电范围内一级负荷中特别重要负荷，以及部分重要商用负荷。
接到火灾指令后，切除位于发生火灾防火分区内的一级负荷特别重要负荷可能需要做些后续工作才能切除；同时切除位于发生火灾防火分区外的重要商用负荷，这也可能需要做些后续工作才能切除。
如果先起动消防泵，Po应包括：
全部消除电梯、全部应急照明、位于发生火灾防火分区外的一级负荷中特别重要负荷，以及可能做些后续工作才能切除的位于发生火灾防火分区内的特别重要负荷与发生火灾防火分区外的重要商用负荷。
如果后起动消防泵，Po中还应包括防排烟风机。
根据计算Po的范围相应计算Qo。
4.3.4.2在救火过程中发生停电事故时Po、Qo的计算
如果发生火灾，在救火过程中又发生停电事故，经延时应急柴油发电机组起动，切掉发生火灾防火分区外的非重要负荷，电动机回路接触器释放；发电机全压后合上主开关，即向开关仍在合闸位置的应急照明及位于发生火灾防火分区外的一级负荷特别重要负荷供电，然后按顺序起动电动机。
如果先起动消防泵，Po应包括：
全部消防电梯，全部应急照明，位于发生火灾防火分区外的一级负荷中特别重要负荷。
如果后起动消防泵，Po中还应包括防排烟风机，根据Po范围计算Qo。
如果进一步将上述两种情况对比，应该是4.2.4.1的情况，更为不利，区别在于位于发生火灾防火分区内的一级负荷中特别重要负荷和位于发生火灾防火分区外的重要商用负荷，可能做些后续工作才能切除；如果没有这样的负荷或虽有这样的负荷但不需要做后续工作即可切除，此时两种情况下Po、Qo的计算就一致了。
4.3.5k4单台或成组电动机起动时有功功率计算系数的计算
单台或成组电动机起动时有功功率计算系数k4可按下式计算
k4=
ku2（1-△u）2·kst·cos
S.M（8）
cos
M
式中ku——电动机起动方式的电压系数，直接起动为1，星一三角起动为
，自耦变压器起动取抽头电压百分比；
△u——单台或成组电动机起动时，允许电压下降的标准值有电梯时取0.2，无电梯时取0.25；
kst——电动机全压起动时起动电流倍数；
cos
M——单台或成组电动机额定功率因数；
cos
S.M——单台或成组电动机起动时的功率因数；
cos
M一般为0.8，cos
S.M为0.4，kst为6~8，可查有关设计手册。
可从表中查k4。
电动机起动时有功功率计算系数k4表2
△u
起动方式
0.1
0.15
0.2
0.25
直接起动
0.41kst
0.36kst
0.32kst
0.28kst
星—三角起动
0.14kst
0.12kst
0.11kst
0.09kst
自耦变压器起动
50%
0.10kst
0.09kst
0.08kst
0.07kst
65%
0.17kst
0.15kst
0.13kst
0.12kst
80%
0.26kst
0.23kst
0.20kst
0.18kst
4.3.6k5单台或成组电动机起动时无功功率计算系数的计算
单台或成组电动机起动时，无功功率计算系数可按下式计算：
k5=k4·tg
S.M=2.3k4（9）
可从表3查k5。
电动机起动时无功功率计算系数表3
△u
起动方式
0.1
0.15
0.2
0.25
直接起动
1.01kst
0.90kst
0.80kst
0.70kst
星—三角起动
0.34kst
0.30kst
0.27kst
0.23kst
自耦变压器起动
50%
0.25kst
0.23kst
0.20kst
0.18kst
65%
0.43kst
0.38kst
0.37kst
0.29kst
80%
0.66kst
0.58kst
0.51kst
0.45kst
4.4按起动单台或成组电动机时母线允许电压下降计算
起动单台或成组电动机时，应按允许的母线电压下降计算应急柴油发电机组容量。
4.4.1单台或成组电动机起动时尖锋视在功率SS.M的计算
单台或成组电动机起动时，其尖锋视在功率SS.M可按下式计算：
SS.M=
PM·ku2（1-△u）2·kst
cos
M
=k6·PM（10）
式中k6——单台或成组电动机起动时尖锋视在功率的计算系数。
4.4.2k6单台或成组电动机起动时尖锋视在功率计算系数的计算
单台或成组电动机起动时，尖锋视在功率计算系数可按下式计算：
k6=
ku2（1-△u）2·kst
cos
M
=2.5k4（11）
可从表4查k6。
电动机起动时尖锋视在功率计算系数k6表4
△u
起动方式
0.1
0.15
0.2
0.25
直接起动
1.01kst
0.90kst
0.80kst
0.70kst
星—三角起动
0.34kst
0.36kst
0.27kst
0.23kst
自耦变压器起动
50%
0.25kst
0.23kst
0.20kst
0.18kst
65%
0.43kst
0.38kst
0.37kst
0.29kst
80%
0.66kst
0.58kst
0.51kst
0.45kst
4.4.3发电机视在功率的计算
（12）
X′d·SS.M
SN.G3≥
1-△u
△u
式中△u——发电机母线电压下降允许标准值，一般有电梯取0.2，无电梯取0.25。
X′d——发电机暂整电抗，可由厂家样本查得，一般取0.2~0.25。
SS.M——单台或成组电动机起动时尖锋视在功率kVA。
4.5发电机容量的确定
在SNG1、SNG2、SNG3中选取最大值确定发电机额定容量PN.G、SN.G。
5.施工图设计阶段柴油发电机容量的计算
作为原动机柴油机在计算容量时，主要有以下几个方面内容：
按稳定负荷计算，按尖锋负荷计算，按允许转速下降计算。
按照发电机功率与柴油机功率的配合关系，发电机能如满足稳定负荷的需要，柴油发电机就自然能满足稳定负荷的需要了，没有必要另行计算。
由于柴油机短时超负荷能力比发电机低，有必要按尖锋负荷计算。
另外，柴油机突加负荷时，转速下降，发电机频率下降。
由于计算麻烦一般也不进行这两方面的计算。
5.1柴油机容量的计算
柴油机容量可按下式计算：
/[k2-（1-k3）]（13）
+Np
Ne=
PN.G
k1
式中Ne——柴油机的输出功率ps；
Np——柴油机冷却风扇消耗的功率ps；
PN.G——同步发电机输出的额定功率kw；
——发电机效率，可取0.9~0.95；
k1——单位变换系数（ps/kw），取0.736；
k2——环境条件修正系数，见表6，表7；
k3——进、排气阻力修正系数。
一般柴油发电机号设置在首层或地下一层靠外墙处，进排气阻力不大时，k3可取1。
环境条件修正系数k3（相对湿度
=50%）表6
海拔高度（m）
大气压力（kPa）
环境空气温度（℃）
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
101.35
—
—
—
—
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.89
200
98.66
—
—
—
0.99
0.97
0.95
0.93
0.92
0.89
0.86
400
96.66
—
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90
0.89
0.87
0.84
600
94.39
1.00
0.97
0.95
0.94
0.92
0.90
0.88
0.86
0.84
0.82
800
92.13
0.97
0.94
0.93
0.91
0.89
0.87
0.85
0.84
0.82
0.79
1000
89.86
0.94
0.92
0.90
0.89
0.87
0.85
0.83
0.81
0.79
0.77
1500
84.53
0.87
0.85
0.83
0.82
0.80
0.79
0.77
0.75
0.73
0.71
2000
79.46
0.8
0.79
0.77
0.76
0.74
0.72
0.71
0.70
0.68
0.65
2500
74.66
0.75
0.74
0.72
0.71
0.69
0.67
0.65
0.64
0.62
0.60
3000
70.13
0.69
0.68
0.66
0.65
0.63
0.62
0.61
0.59
0.57
0.55
3500
65.73
0.64
0.63
0.61
0.60
0.58
0.57
0.55
0.54
0.52
0.50
4000
61.59
0.59
0.58
0.56
0.55
0.53
0.52
0.50
0.49
0.47
0.46
环境条件修正系数k3（相对湿度
=100%）表7
海拔高度（m）
大气压力（kpa）
环境空气温度（℃）
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
101.35
—
—
—
—
0.99
0.96
0.94
0.91
0.88
0.84
200
98.66
—
—
1.00
0.98
0.96
0.93
0.91
0.88
0.85
0.82
400
96.66
—
0.99
0.97
0.95
0.93
0.90
0.88
0.85
0.82
0.79
600
94.39
0.99
0.97
0.95
0.93
0.91
0.88
0.86
0.85
0.80
0.77
800
92.13
0.96
0.94
0.92
0.90
0.88
0.85
0.83
0.80
0.77
0.74
1000
89.86
0.93
0.91
0.89
0.87
0.85
0.83
0.81
0.78
0.75
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