二級醫院柴油發電機組容量與臺數的選擇

王曉雪

（同濟大學建筑設計研究院〈集團〉有限公司，中國 上海 200092）

二級醫院柴油發電機組容量與臺數的選擇

王曉雪

（同濟大學建筑設計研究院〈集團〉有限公司，中國 上海 200092）

柴油發電機組容量與臺數的選擇是建筑電氣設計的一個重要組成部分，牽涉到暖通、給排水等相關專業，關系到整個系統是否安全合理的運行。本文在二級醫院柴油發電機組容量與臺數的選擇的計算上作了理論分析，并結合工程實例進行計算與比較，供工程設計人員借鑒和參考。

應急電源；事故停電；穩定負荷；尖峰負荷；允許壓降；主用功率

1 簡介

1.1 應急電源的概念

應急電源[1]是用作應急供電系統組成部分的電源，且與電網在電氣上獨立的各式電源。在一級負荷中，當中斷供電將造成人員傷亡或重大設備損壞或發電中毒、爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，應視為一級負荷中特別重要的負荷。一級負荷中特別重要的負荷的供電除由雙重電源供電外，尚需增加應急電源。由于在實際中很難得到兩個真正獨立的電源，電網的各種故障都可能引起全部電源進線同時失去電源，造成停電事故。對特別重要負荷要由與電網不并列的、獨立的應急電源供電。工程設計中，對于其他專業提出的特別重要負荷，應仔細研究，凡能采取非電氣保安措施者，應盡可能減少特別重要負荷的負荷量。

1.2 應急電源的分類[2]

應急電源應根據其容量、供電時間等因素選擇相應的形式，并可采用獨立于正常電源的柴油發電機組、供電網絡中獨立于正常電源的專用的饋電線路、蓄電池、干電池等。本文將針對二級醫院柴油發電機組容量與臺數的選擇進行論證。

1.3 應急電源應根據允許中斷供電的時間選擇，并應符合下列規定：

按照JGJ312-2013《醫療建筑電氣設計規范》[3]第4.4.6條、4.4.7條：

1.3.1 要求中斷供電時間小于或等于0.5s的一級負荷中特別重要的負荷，應設不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式。TN-S系統中的不間斷電源裝置（UPS）輸出端為三相時，應加裝三相隔離變壓器并做重復接地。

1.3.2 應急電源為柴油發電機組時，不間斷電源裝置（UPS）應急供電時間不應小于15min。

1.4 柴油發電機組的選擇應符合下列規定：

按照JGJ312-2013《醫療建筑電氣設計規范》第4.4.5條：

1.4.1 對于柴油發電機組的供油時間，三級醫院應大于24h，二級醫院宜大于12h，二級以下醫院宜大于3h。

1.4.2 柴油發電機組應配有電壓自動調整裝置、快速自啟動裝置及電源自動切換裝置，當正常供電電源中斷供電時，應能自動啟動，并應在15s內向規定的用電負載供電；當正常供電電源恢復供電后，應延時切換并停機。

1.5 柴油發電機的自動化應符合下列規定：

按照JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》[4]第6.1.10條：

1.5.1 機組與電力系統電源不應并網運行，并應設置可靠連鎖。

1.5.2 選擇自啟動機組應符合下列要求：

1）當市電中斷供電時，單臺機組應能自動啟動，并應在30s內向負荷供電；

2）當市電恢復供電后，應自切換并延時停機；

3）當連續三次自啟動失敗，應發出報警信號；

4）應自動控制負荷的投入和切除；

5）應自動控制附屬設備及自動轉換冷卻方式和通風方式。

1.5.3 機組并列運行時，宜采用手動準同期。當兩臺自啟動機組需并車時，應采用自動同期，并應在機組間同期后再向負荷供電。

1.6 儲油設施的設置應符合下列規定：

按照JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》第6.1.11條：

1.6.1 機房內應設置儲油間，其總儲存量不應超過8h的燃油量，并應采取相應的防火措施。

2 醫療建筑事故停電的損失或危害

在一級負荷中，當中斷供電將造成人員傷亡或重大設備損壞或發電中毒、爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，應視為一級負荷中特別重要的負荷。

按照JGJ312-2013《醫療建筑電氣設計規范》表4.2.1可知二級醫院的急診搶救室、血液病房的凈化室、產房、燒傷病房、重癥監護室、早產兒室、血液透析室、手術室、術前準備室、術后復蘇室、麻醉室、心血管造影檢查室等場所中涉及患者生命安全的設備及其照明用電；大型生化儀器、重癥呼吸道感染區的通風系統等負荷等級定義為一級負荷中特別重要負荷。其中，涉及患者生命安全的設備：如無影燈、呼吸機、心電監護儀。

事故一旦發生能夠及時處理，防止事故擴大，保證工作人員的搶救和撤離，而必須保證的用電負荷，亦為特別重要負荷。事故停電所帶來的損失或危害難以估量。因此，在工程設計時，應急電源系統的設計成為工程設計的關鍵環節之一。

3 柴油發電機組容量的計算表達式

3.1 機組容量與臺數應根據應急負荷大小和投入順序以及單臺電動機最大啟動容量等因素綜合確定。當應急負荷較大時，可采用多機并列運行，機組臺數宜為2～4臺。當受并列條件限制，可實施分區供電。當用電負荷諧波較大時，應考慮其對發電機的影響。

3.2 在方案或初步設計階段，按下述方法估算并選擇其中容量最大者[2]：

3.2.1 按建筑面積估算。建筑面在10000m2以上的大型建筑按15～20W/m2，建筑面在10000m2及以下的中小型建筑按10～15W/m2.

3.2.2 按配電變壓器容量估算。占配電變壓器容量的10%～20%。

3.2.3 按電動機起動容量估算。當允許發電機端電壓瞬時壓降為20%時，發電機組直接起動異步電動機的能力為每1KW電動機功率，需要5KW柴油發電機組功率。若電動機降壓起動或軟起動，由于起動電流減小，柴油發電機容量也按相應比例減小。按電動機功率估算后，然后進行歸整，即按柴油發電機組的標定系列估算容量。

3.3 在施工圖階段可根據一級負荷、消防負荷以及某些重要的二級負荷容量，按下述方法計算并選擇其中容量最大者：

3.3.1 按穩定負荷計算發電機容量

式中SG1——按穩定負荷計算的發電機視在功率，KVA；

P∑——發電機總負荷計算功率，kW；

η∑——所帶負荷的綜合效率，一般取η∑=0.82～0.88；

cosφ——發電機額定功率因數，一般取cosφ=0.8。

3.3.2 按尖峰負荷計算發電機容量

式中SG2——按尖峰負荷計算的發電機視在功率，KVA；

PG2——按尖峰負荷計算的發電機有功功率，kW；

Kj——因尖峰負荷造成電壓、頻率降低而導致電動機功率下降的系數，一般取Kj=0.9～0.95；

KG——發電機允許短時過載系數，一般取KG=1.4～1.6；

Sm——SstM或Sst△，最大的單臺電動機或成組電動機的起動容量，KVA；

Pm——Sm的有功功率，kW；

Qm——Sm的無功功率，kvar；

3.3.3 按發電機母線允許壓降計算發電機容量

式中SG3——按母線允許壓降計算的發電機視在功率，KVA；

△U——發電機母線允許電壓降，一般取△U=0.2；

Sst△——導致發電機最大電壓降的電動機的最大起動容量，KVA。

3.4 柴油發電機的主用功率

3.4.1 柴油發電機的額定功率[2]系指外界大氣壓力為101.325kPa（760mmHg）、大氣溫度為20℃、相對濕度為50%的情況下，保證能連續運行12h的功率（包括超負荷110%運行1h）。如連續運行時間超過12h，則應按90%額定功率使用。如氣壓、氣溫、濕度與上述規定不同，應對柴油發電機的額定功率進行修改。

柴油發電機的額定功率，又稱主用功率、連續功率或長行功率。 柴油發電機在我們國內是用主用功率即連續功率來標稱的，發電機組能夠在24小時之內連續使用的功率我們稱之為連續功率，而在某一時段內，標準是每12個小時之內有1個小時可在連續功率的基礎上超載10%，此時的機組功率就是我們平時所說的最大功率，即備用功率，也就是說，如果您購買的是主用500kW的機組，那么您12個小時之內有1個小時可以運行到550kW，如果您購買的是備用500kW的機組，假如您不超載平時都開在500kW，其實該機組一直都開在超載狀態(因為該機組實際額定功率只有450kW)，這對機組是非常不利的，將會縮短機組的壽命和造成故障率增高。

3.5 柴油發電機的綜合效率

3.5.1 柴油發電機的綜合效率是指發電機組通過內燃機將柴油燃燒所產生的熱能轉化為動能，再通過電球（康明斯、斯坦福等）將動能轉化為電能的過程中能源的轉化效率。

內燃機發電機一般是30～80%滿載運行，是指運行在額定功率下。發電機的額定功率的定義就是指能長時間運行的功率。因此，可以長期滿載運行。不過也要注意使用條件，比如說，環境溫度過高的話，發電機長期額定運行可能導致溫升過高。必要時應增加溫度監視和報警裝置。

3.6 全壓起動大容量籠型電動機時，母線電壓不應低于額定電壓的75%（無電梯負荷時）或80%（有電梯負荷時）。電動機全壓起動允許容量取決于發電機的容量和勵磁方式；宜選用高速柴油發電機組和無刷型自動勵磁裝置。

3.7 多臺機組時，應選擇型號、規格和特性相同的機組和配套設備。

4 計算實例

某工程為二級醫院，根據規范及甲方要求，2路市電斷電后，需由柴油發電機組供電的用電負荷統計如下表1：

表1 平時柴油發電機組供電負荷

表2 消防時柴油發電機組供電負荷

已知：上述負荷中最大電動機為55KW/臺，啟動電流倍數為7，電動機的功率因數為0.8，電動機效率為0.92，啟動時的功率因數為0.5，直接但不同時啟動。

4.1 確定計算數據

根據GB50052-2009《供配電系統設計規范》第3.0.5.1條：允許中斷供電時間為15s以上的供電，可選用快速自啟動的發電機組。已知條件中的潔凈手術區用電、普通手術區用電要求自恢復供電時間為0.5s，則應設不間斷電源裝置（UPS），且宜為在線式，15min，過渡轉換期內由不間斷電源裝置供電。應急照明的自恢復供電時間為5s，則應設應急電源裝置（EPS），30min，過渡轉換期內由應急電源裝置供電。在柴油發電機穩定運行后潔凈手術區用電、普通手術區用電、應急照明轉切換至柴油發電機供電，表格中的其余負荷可直接由市電切換至柴油發電機供電。

工程應用中一般不考慮平時用電與消防時用電同時使用的情況，柴油發電機容量按兩者的最大值選取。故本工程案例實際計算有功功率為375kW。

4.1.1 若發電機功率因數0.8，綜合效率為0.82，按穩定負荷計算，發電機的容量為：

4.1.2 當采用柴油發電機作為應急電源，最大一臺電動機啟動前，發電機已經帶有負載400KVA，功率因為為0.8，不考慮因尖峰負荷造成的設備功率下降，發電機的短時過載系數為1.5，按短時過負載能力校驗，發電機的容量為：

根據《鋼鐵企業電力設計手冊》（上冊）[5]第7.9.2.2條：大容量負荷起動或自起動時應符合發電機過負荷能力。發電機組起動后，大容量電動機投入之前，有些負荷已經投運，要綜合考慮大容量電動機負荷起動時發電機的過負荷情況。

根據《工業與民用配電設計手冊》（第三版）P270表6-16：

因不考慮因尖峰負荷造成的設備功率下降，則

Kj=1，KG=1.5，Sm=400+492.33=892.33KVA，代入以下式子，可得

4.1.3 當采用柴油發電機作為應急電源，已知電機為無刷勵磁，它的瞬變電抗=0.2，當要求最大電動機啟動時，滿足發電機母線上的電壓不低于80%的額定電壓，則發電機的容量為：

由4.1.2可知，Sst△=SstM=492.33，則

4.1.4 按上述三種方法計算并選擇其中容量最大者，為SG2=594.89KVA（PG2=475.91kW）。

按穩定負荷計算的發電機視在功率就如同變壓器的計算視在功率，只能滿足在額定負載及以下長期運行時適用，如用電單位在現有安裝容量下，需用系數較計算用系數大，并長期運行，則按計算負荷大小所選用的發電機就不適用。一臺發電機，功率增大一級所付出的代價是第一次投資成本提高，而其優點是：便于用電單位將新增一、二級負荷設備接入，避免因選用發電機組容量不夠而需更新設備。

選擇發電機容量時，應多方面考慮用電單位將來有可能接入的用電，尤其是供電條件差的地區。

綜合上述分析，針對本二級醫院工程案例，對于柴油發電機組的供油時間，二級醫院宜大于12h，可按柴油發電機的100%額定功率選擇，故建議選用1臺康明斯C690 D5型柴油發電機，其主用功率為500kW,4KV/50HZ,1500rpm。

4.2 總結

綜合上述三種方法的計算分析及比較，可最終求得柴油發電機組容量及臺數的設計依據。

以本二級醫院工程為例，柴油發電機房設計時，在變配電所貼臨處設置一座發電機房，擬設 1臺 500kW(主用功率),4KV/50HZ, 1500rpm發電機組。發電機組采用自起動方式，發電機起動后在15秒內供電。發電機組設有短路、過負荷、接地、故障及過、欠電壓保護。發電機房設日用油箱間，總儲存量不應超過8小時的燃油量。建筑物主體外設置供油時間大于12小時的地下儲油罐。

5 結束語

柴油發電機組容量與臺數的選擇是建筑電氣設計的一個重要組成部分，牽涉到暖通、給排水等相關專業，關系到整個系統是否安全合理的運行。事故停電所帶來的損失或危害難以估量。因此，在工程設計時，應急電源系統的設計成為工程設計的關鍵環節之一。

柴油發電機組容量與臺數應根據應急負荷大小和投入順序以及單臺電動機最大啟動容量等因素綜合確定。筆者建議電氣設計人員在設計過程中能結合柴油發電機組產品性能指標，仔細計算和校驗，保證安全供電，減少損失，維護建筑電氣生產安全。

［1］中國機械工業聯合會.GB50052-2009供配電系統設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2010.

［2］任元會,卞鎧生,等.工業與民用配電設計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

［3］中國建筑設計研究院等.JGJ312-2013醫療建筑電氣設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2013.

［4］中國建筑東北設計研究院等.JGJ16-2008民用建筑電氣設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

［5］陳延鏢,陸乃城,王敏杰,等.鋼鐵企業電力設計手冊（上冊）[M].北京:冶金工業出版社,2012.

［責任編輯：朱麗娜］

Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set in the level 2 medical building engineering

WANG Xiao-xue
(Tongji Architectural Design(Group)Co.,LTD,Shanghai 200092,China)

Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set plays an important role in building electrical design,which involves heating,water supply,drainage and other related profession.It is related to the whole system operation whether is safe and reasonable.Selection of capacity and unit count of self-contained emergency diesel generating set in the level 2 medical building engineering is analyzed,calculated and compared with examples in this article,for engineering design reference.

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王曉雪（1985.05—），女，漢族，浙江蒼南人，本科，工學學士，同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，中級工程師，研究方向為建筑電氣。