超高層建筑中柴油發(fā)電組若干問題的思考

李炳華中建國際設(shè)計顧問有限公司

（北京 100013）

摘要本文著重分析和討論了超高層建筑中柴油發(fā)電機組的若干問題，包括動力源類型、設(shè)置柴油發(fā)電機組的目的、機組電壓等級的確定、并機容量、負荷率、ATSE的使用等，并給出了這些問題的建議性答案，供建筑電氣從業(yè)人員討論和研究。

關(guān)鍵詞柴油發(fā)電機組超高層建筑電壓功率負荷率并機 ATSE

1 引言

1.1 超高層建筑的定義

我國一直沒有“超高層建筑”的官方定義，但人們約定成俗，通常認為建筑高度超過100m的建筑物是超高層建筑，有兩個原因使人們對超高層建筑的含義達成共識：第一，吸取了美國的經(jīng)驗。大家知道，美國是摩天大樓的鼻祖，1909年在紐約建成了世界上第一棟200m以上的摩天大樓——Metropolitan Life Tower（大都會人壽保險公司大樓），開創(chuàng)了建筑史上的先河，為以后的超高層建筑提供了許多寶貴經(jīng)驗，從此，超高層建筑在世界范圍內(nèi)逐漸增多。到了1972年，在美國Pennsylvanian（賓夕法尼亞）州的Bethlehem（伯利恒市）的國際高層建筑會議上，提出了40層以上，即建筑高度在100m以上的建筑叫作超高層建筑。

第二，我國《高層民用建筑沒計防火規(guī)范》GB 50045—95及其2001年修訂版、2005修訂版都有如下或類似規(guī)定，即“建筑高度超過100m的公共建筑，應(yīng)設(shè)置避難層（間）”，“建筑高度超過100m，且標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積超過1000m²的公共建筑，宜設(shè)置屋頂直升機停機坪或供直升機救助的設(shè)施”。規(guī)范中“100m的建筑高度”暗示著這個高度是高層建筑的分水嶺，超過100m的建筑，其滅火的難度將大大增加、人員疏散更加困難。

因此，本文所說的超高層建筑系指建筑高度超過100m的建筑物。

1.2 超高層建筑的特點

顧名思義，超高層建筑的最顯著特點就是建筑高度高，通常超過100m。目前世界上投入使用的最高建筑物位于臺北的101大樓，高度達508m、101層。我們正在設(shè)計的深圳平安金融中心工程^[1]建筑高度將達646m，建成后將超過臺北101大樓。

建筑物高度的增加將伴隨著建筑面積的猛增，建筑面積可達十幾萬平方米，甚至更多。能同時容納多達數(shù)萬人入住，人員密度非常高。如果遇到突發(fā)事件，人員疏散時間長^[2]。因此，人員安全疏散在超高層建筑中顯得十分重要。

由此看來，超高層建筑中，電源可靠供電變得非常重要，為人員疏散、消防設(shè)施的運行提供保證。而在火災(zāi)時，市電往往會被火焰燒毀，應(yīng)急電源在此承擔(dān)供電的重任，柴油發(fā)電機組是最常用的應(yīng)急電源。

2 超高層建筑中應(yīng)用柴油發(fā)電機組需要深思的幾個問題

柴油發(fā)電機組在超高層建筑中早已得到廣泛的使用，許多專家、學(xué)者都有精辟的論述。本文主要對柴油發(fā)電機組在超高層建筑的應(yīng)用談?wù)剛€人觀點，供大家討論。

思考1：為什么在超高層建筑中不能設(shè)置燃氣發(fā)電機？

眾所周知，天然氣是可燃易爆氣體，其在空氣中濃度為5%～15%的范圍內(nèi)時，遇明火隨即發(fā)生爆炸，爆炸瞬間會產(chǎn)生很高的壓力和溫度，破壞力巨大。而高層建筑中的發(fā)電機組往往作為應(yīng)急電源使用，在火災(zāi)情況下，天然氣存在爆炸危險，不適合做發(fā)電機的動力源。

同理，高層建筑中不適合使用汽油、煤油動力的發(fā)電機。如表1所示，由于汽油、煤油閃點較低，揮發(fā)性較強，易形成可燃性的混合氣體，對滅火救災(zāi)造成安全隱患。而柴油很難揮發(fā)，閃點較高，安全性優(yōu)于汽油和煤油。

表1 常用燃油的閃點

注1：閃點就是可燃液體或固體能放出足量的蒸氣并在所用容器內(nèi)的液體或固體表面處與空氣組成可燃混合物的最低溫度。

2：自燃點是指在規(guī)定的條件下，可燃物質(zhì)產(chǎn)生自燃的最低溫度。

思考2：超高層建筑中設(shè)置柴油發(fā)電機的目的是什么？

在超高層建筑中，設(shè)置柴油發(fā)電機組有兩個目的，一是作為應(yīng)急電源使用，主要為消防類負荷提供第三電源；另一目的為用戶提供備用電源，滿足生產(chǎn)、經(jīng)營等活動。兩者使用目的不同，要求也不一樣，詳見表2。

表2 應(yīng)急電源與備用電源的區(qū)別

思考3：超高層建筑中，什么情況下設(shè)置高壓柴油發(fā)電機組？什么情況下設(shè)置低壓柴油發(fā)電機組？

超高層建筑中，柴油發(fā)電機組通常設(shè)置在地下室，發(fā)電機距頂層的用電設(shè)備較遠，線路電壓損失較大。假設(shè)負荷為三相平衡負荷，線路電壓損失^[3]可采用公式（1）計算。

Δu%=0.173IL（R₀cosφ+X₀sinφ）/U_e (1)

式中，Δu——線路電壓損失，%，一般情況下用電設(shè)備端子處此值為5%；

I——負荷計算電流，A；

L——線路長度，km；

R₀、X₀——線路單位長度的電阻和電抗，單位：Ω/km；

cosφ——功率因數(shù)；

U_e——額定電壓，kV。

不難看出，當(dāng)線路電纜選定后，L、I與U_e成正比，電壓越高，供電距離越長。

假設(shè)采用交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯電纜，載流量按WDZ-YJFE電纜工作在90℃、環(huán)境溫度30℃時的數(shù)據(jù)^[4]，cosφ取0.9，將數(shù)據(jù)代入公式（1），計算得表3、4、5。

表3 額定電壓為400V時的電壓降與供電距離

表4 額定電壓為6kV時的電壓降與供電距離

表5 額定電壓為10kV時的電壓降與供電距離

這是比較嚴酷情況，也可認為是近似極限情況。當(dāng)然，實際應(yīng)用中不會用載流量作為計算電流，一般計算電流遠遠小于電纜的載流量，因為考慮到保護選擇性，第一級低壓保護一般比下一級保護大2級以上，計算電流只有載流量的一半左右，因此，表3中的相應(yīng)供電距離也得以增加。另外，發(fā)電機輸出電壓比線路額定電壓要高5%，而規(guī)范考察的是用電設(shè)備端子處的電壓與額定電壓的偏差。

因此，設(shè)置在超高層建筑內(nèi)的柴油發(fā)電機，應(yīng)根據(jù)負荷大小、單臺電動機最大啟動容量、供電半徑等因素確定柴油發(fā)電機的額定輸出電壓：

（1） 當(dāng)建筑物高度低于200m時，宜采用低壓柴油發(fā)電機；

（2） 當(dāng)建筑物高度大于400m時，應(yīng)選用高壓柴油發(fā)電機；

（3） 當(dāng)建筑物高度在100m~400m時，應(yīng)進行技術(shù)分析、比較，確定柴油發(fā)電機的額定電壓。

思考4：并機運行的柴油發(fā)電機組的最大容量是多少？

上面所說的電壓降會影響到柴油發(fā)電機組電壓等級的選擇，但這個因素不是唯一的。表6列出了常用功率為1600kW的柴油發(fā)電機組在不同額定電壓下的最大輸出電流。

表6 柴油發(fā)電機組的最大輸出電流

從表中可以看出，柴油發(fā)電組輸出電壓越小，其最大輸出電流越大。當(dāng)發(fā)電組輸出電流大于3168A時，兩臺機組并機，電流將高達約6300A，已經(jīng)到達或接近目前低壓開關(guān)柜容量的極限。

因此，400V柴油發(fā)電機組并機運行的最大機組容量不得大于1600kW。如要并機運行，可采用高壓柴油發(fā)電機組。

思考5：柴油發(fā)電機組的常用功率和備用功率有何區(qū)別？

表6所示，柴油發(fā)電機組有兩個功率——常用功率和備用功率。常用功率是指柴油發(fā)電機組可以滿負荷連續(xù)運行12小時的功率，常用功率也叫連續(xù)輸出功率；備用功率系指在常用功率的基礎(chǔ)上，12小時中只能有一小時10%過載運行的功率。顯然，備用功率可以在短時間內(nèi)輸出更大的功率。

在實際使用中，常用功率可作為備用電源，而備用功率可作為應(yīng)急電源使用。

思考6：柴油發(fā)電機組的負荷率多少為宜？

上面說明了常用功率和備用功率的概念，柴油發(fā)電機組工作在這樣功率下，表明發(fā)電機的負荷率分別達到100%和110%，這種狀況會造成過高的油耗，機組工作效率降低。因此，一般情況柴油發(fā)電機組不工作在滿負荷狀態(tài)，柴油發(fā)電機組的經(jīng)濟功率約為75%的常用功率，也就是柴油發(fā)電機組的負荷率在75%時比較經(jīng)濟。

思考7：市電與發(fā)電機之間轉(zhuǎn)換用的ATSE有何要求？

近年來，關(guān)于ATSE的話題不斷被提起，吸引眾多專家研究。市電與發(fā)電機轉(zhuǎn)換采用ATSE，可以實現(xiàn)電氣、機械聯(lián)鎖，有效地防止它們之間并聯(lián)。建議此處采用PC級、4極、三位式的ATSE。當(dāng)ATSE具有自投自復(fù)功能時，自動復(fù)歸應(yīng)有適當(dāng)?shù)难訒r，延時時間可調(diào)，并與發(fā)電機停機時間相匹配。

為什么要采用PC級的ATSE？從可靠性、結(jié)構(gòu)特點、返修率統(tǒng)計等方面分析表明PC級ATSE的可靠性較高^[5]。三位式ATSE帶零位，比兩位式的有無比的優(yōu)勢。如果采用兩位式ATSE，當(dāng)正常電源發(fā)生一相斷電時，由于柴油發(fā)電機起動、穩(wěn)定送電需要一定的時間，在發(fā)電機起動過程中，ATSE不能將負荷轉(zhuǎn)換到備用電源，結(jié)果造成非故障兩相電壓升高，有可能造成設(shè)備損壞。如果采用三位式ATSE，此時將ATSE先置于零位，待發(fā)電機起動并穩(wěn)定送電后，ATSE再將負荷切換到備用電源位置。即，“先斷開——再送電”。自動復(fù)歸延時時間根據(jù)系統(tǒng)要求確定，應(yīng)確保市電可靠恢復(fù)供電并穩(wěn)定后才能復(fù)歸。并且先復(fù)歸，后停柴油發(fā)電機。

使用PC級的ATSE還要注意下列問題，PC級ATSE前的保護電器（SCPD）應(yīng)按產(chǎn)品供應(yīng)商的要求選擇、并要求產(chǎn)品供應(yīng)商提供國家權(quán)威檢測機構(gòu)的實驗報告。PC級ATSE與其之前的SCPD應(yīng)同時滿足式（2）和式（3）。

I_cw（或I_q）≥I_d （2）

（I²t）_pc≥（I²t）_SCPD （3）

式中，I_cw——PC級ATSE的短時耐受電流，單位：kA；

I_q——PC級ATSE的額定限制短路電流，單位：kA；

I_d ——ATSE所在處的預(yù)期短路電流，單位：kA；

­（I²t）_pc——PC級ATSE的熱效應(yīng)能量，單位：kA²t；

­（I²t）_SCPD——與PC級ATSE相配合的SCPD的熱效應(yīng)能量，單位：kA²t。

要求廠家提供ATSE與其配合的SCPD的規(guī)格和型號，該資料必須由國家權(quán)威機構(gòu)實驗得出。公式（2）和公式（3）必須同時滿足，第一個公式表明ATSE必須能承受一定量的短路電流；第二個公式從能量角度出發(fā)，要求ATSE在SCPD動作之前不能被損壞，同時考慮短路電流和短路電流所持續(xù)的時間。很遺憾，只有為數(shù)不多的廠家可以提供ATSE和SCPD配合的實驗數(shù)據(jù)。表7為深圳泰永公司PC級ATSE與斷路器配合的實驗數(shù)據(jù)，供讀者參考。

3 結(jié)論

綜上所述，關(guān)于超高層建筑中的柴油發(fā)電機組設(shè)計，可以得出如下結(jié)論：

a 超高層建筑中的應(yīng)急電源不能使用汽油、煤油、天然氣等作為動力源，可使用柴油發(fā)電機組。

b 柴油發(fā)電機組在超高層建筑中既可作為應(yīng)急電源使用，也可以作為備用電源使用。當(dāng)備用電源滿足應(yīng)急電源條件時，備用電源可以兼作為應(yīng)急電源。

c 當(dāng)建筑物高度低于100m時，宜采用低壓柴油發(fā)電機組；當(dāng)建筑物高度大于400m時，宜采用高壓柴油發(fā)電機組；當(dāng)建筑物高度大于900m時，宜采用10kV高壓柴油發(fā)電機組；當(dāng)建筑物高度在100m~400m時，應(yīng)進行技術(shù)分析、比較，確定柴油發(fā)電機組的額定電壓。

d低壓柴油發(fā)電機組（400V）最大單臺并機容量不得大于1600kW。如要進行并機運行，可采用高壓柴油發(fā)電機組。

e 柴油發(fā)電機組輸出功率有常用功率和備用功率，應(yīng)在圖中表明。

f 柴油發(fā)電機組的負荷率宜為75%，以實現(xiàn)經(jīng)濟運行。

g 市電與發(fā)電機轉(zhuǎn)換用的ATSE建議采用PC級、4極、三位式的ATSE，ATSE與其之前的短路保護電器應(yīng)有可靠的配合。

參考文獻

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