基于柴油发电机的备用发电系统设计研究

基于柴油发电机的备用发电系统设计研究

吴晟航

(瓦锡兰玉柴发动机有限公司519175)

摘要：柴油发电机组作为备用电源,在国防、工业、农业、商业等各行各业得到广泛应用,而柴油发电机自动控制系统在近年来也起到了越来越重要的作用。阐述柴油发电机组系统设计方法；发电机组一些常见术语和定义；提供了设计时选用柴油发电机组容量的计算方法、快速估算通风面积、燃油消耗和消噪计处理方案。

关键词：柴油发电机；容量；计算方法；负载；系统设计

0引言

柴油发电机是广泛用于数据中心的应急备用电源。作为数据中心用柴油发电机组，应该达到通信用柴油发电机组GB2820-1997中G3级或G4级规定的要求，同时达到《通信用柴油发电机组的进网质量认证检测实施细则》规定的24项性能指标要求。

1柴油发电机组系统设计的主要因素

机组的选择应考虑的因素主要有机械与电气性能、机组的使用形式、发电机组容量与变化范围、自动化功能等。机组的使用形式：柴油发电机组可用于常用和备用的运行状况，不同运行状况对柴油发电机组的要求就有所区别。柴油发电机容量的选择：根据不同用途选择负荷容量和负荷的变化范围，确定柴油发电机组的单机容量及多机并联运行的容量。发电机与励磁方式的选择：自激式同步交流发电机和永磁激励式同步交流发电机。柴油发电机的自动化功能的选择：遥控、遥信和遥测性能。机组的使用环境条件：机房冷却、通风系统的设置。

2柴油发电机组的系统设计

2.1柴油发电机组常用功率和备用功率的区别

2.1.1备用功率（图1）

市电断电时提供备用电源，市电供电可靠，80%负载运行，每年运行时间200h，某些制造厂商用于高峰期功率补偿几乎无过载能力。故在设计时，过载能力需考虑，更多的设备成本，较高的运行成本及加大的维护工作量。

2.1.2常用功率（图2）

主要用于无市电供电场合，或市电不可靠但供电要求可靠性高的场所。可连续使用，70%负载运行，每12h允许1h10%过载，每年运行时间负载>100%不允许超过500h。

2.2柴油发电机组容量计算方法

柴油发电机组与UPS组成的电源系统，对供电安全要求较高的数据中心正在被广泛采用，该系统不但要求柴油发电机组自动化程度高，更要求交流同步发电机必须适应UPS这一非线性负载的特性，使其在无市电的情况下保证UPS对负载可靠供电；柴油发电机组的容量大小，除要满足UPS计算负荷需要外，还必须进行电动机启动时的电压降校验，即启动任一电动机时，其端子容许电压降应在规定范围之内。

2.2.1按照UPS容量配置柴油发电机组

一般柴油机生产厂家要求，与UPS配套柴油发电机组的容量一般为UPS容量的2～2.5倍。而UPS设计工作中负荷一般在50%～80%额定容量，这种情况下，发电机组发出的功率可能为额定容量的30%左右。这样不但造成发电机组的容量不能充分利用，增加了设备的投资，而且使发电机组更容易产生故障，降低了发电机组的工作可靠性。综合各种因素，发电机组实际负载60%以上额定负载的情况下工作，对柴油机最为有利。关于在实际工程设计中UPS与柴油发电机的功率配比问题在本章节中不再进行讨论，具体详见其他专篇。

2.2.2.按照常规综合负荷容量配置

柴油发电机组现代综合建筑中，柴油发电机不仅作为UPS的备用电源，而且要求作为建筑内特别重要负荷及消防负荷的备用电源。在这种情况下，发电机容量不能只考虑UPS的容量，必须兼顾其它特别重要负荷及消防负荷的容量，在特别重要负荷（包括UPS）及消防负荷中，按照最大者确定柴油发电机的容量。

(1)利用设备容量计算发电机容量：

P=k•Kx•Pe/h式中：p—自备发电机组的功率(kW）；k—可靠系数，一般取1.1。Kx—需要系数(一般取0.85-0.95）；Pe—总负荷容量(kW）；h—发电机并联运行不均匀系数一般取0.9，单台取1。

(2)利用最大的单台电动机或成组电动机起动的需要，计算发电机容量：

P=(Pe-Pm)/he+Pm•K•C•cosPhi(kW),式中：

Pm—起动容量最大的电动机或成组电动机的容量(kW)；

Pe－总负荷容量(kW)；he－总负荷的计算效率，一般取0.85；

cosPhi－电动机的起动功率因数，一般取0.4；

K－电动机的起动倍数；

C－全压起动C=1；

Y－△起动C=0.67；

自耦变压器起动50％抽头C=0.25；65％抽头C=0.42；80％抽头C=0.64。

(3)按起动电动机时母线容许电压降计算发电机容量：

发电机母线上已接负荷的影响，发电机母线上的启动负荷应该等于已接负荷与电动机启动容量之和。

P=Pn•K•C•Xd″(1/△E-1)(kW),式中：

Pn－造成母线压降最大的电动机或成组起动电动机组的容量(kW);

K—电动机的起动电流倍数；

Xd″—发电机的暂态电抗，一般取0.25；

△E—母线允许的瞬时电压降，对于民用建筑，有电梯时取0.20，无电梯时取0.25。电动机启动容量达最大值是瞬间的，因此，可以不考虑两台及以上电动机的同时启动而对发电机造成冲击的问题。

图30.4kv带ATS柴油发电机组应急发电配电系统图

(4)多机并联运行的容量（图3）

当容量不超过800kW时，可选用单台机；当容量在800kW以上时，宜选择两台及以上。从发电机可靠性考虑也可以选用两台机组并联进行供电，应急用的发电机组台数一般不宜超过3台。由于目前国内的0.4kV低压配电柜没有6300A以上的实验报告，并联运行的多台发电机的总容量不要超过3200kW(0.4kV)。如需要更大容量的柴油发电机组，建议采用10kV发电机组。当选用多台机组时，机组应优先选用型号、容量等物理参数相同，调压、调速特性相近的成套设备，便于机组并联运行；运行所用燃油性质应一致，以便进行维修保养及共用备件。当应急用发电机组有两台时，自起动装置应使两台机组能互为备用，即市电电源故障停电经过延时确认以后，发出自起动指令，如果第一台机组连续三次自起动失败，应发出报警信号并自动起动第二台柴油发电机。一般采用24V蓄电池组作为起动电源。

(5)发电机组温升、绝缘等级和额定带载能力发电机组额定功率随发电机温升和绝缘等级不同，其额定带载能力也将变化。温升定义为绕组温度高于环境温度极值。

a.绝缘等级和额定带载能力：H：155℃备用；F：105℃备用；B：80℃备用。H：155℃=允许温升130℃＋环境温度40℃=170℃

b.最大绕组温度：F：105℃=在环境温度40℃基础上，允许温升105℃；B：80℃=在环境温度40℃基础上，允许温升80℃；较高环境温度下，发电机额定功率衰减；传统绝缘等级为H。

3发电机与励磁方式的选择

自激式同步交流发电机是从发电机的电枢绕组给自动电压调节器（AVR）同时提供功率源及信号源；而永磁激励式（PMG）同步交流发电机，自动电压调节器（AVR）功率源是从副励磁机电枢绕组取得；由发电机电枢绕组控制其电流，通过励磁机电枢绕组、旋转整流器、磁场绕组，使发电机输出电压保持稳定。自激式同步交流发电机AVR的功率输出受电枢绕组电势波形的影响，而负载性质特别是非线性负载对电枢红色组电势波形的影响比较明显；永磁激励式同步交流发电机AVR的功率源取自永磁激励的电枢绕组，与发电机电枢绕组的电势波形畸变无关。所以如果主要为数据机房UPS供电的柴油发电机组的励磁方式应优先选用永磁激励式同步交流发电机。

图7典型的AVR控制箱及元件布局

4柴油发电机的自动化功能的选择

4.1机组应能自动维持自动准备运行状态

机组应能自动维持冷却水的温度在15℃～50℃范围内；机油的温度在15℃～30℃范围内。机组启动前应能进行预润滑。

4.2机组的自动启动和自动加载

4.2.1机组接到自控或遥控的启动指令，应能自动启动。启动成功率应大于90%。一个启动循环包括三次启动，两次启动之间的间歇时间T应符合0s。

4.2.2机组启动成功后，应能自动加载，首次，加载量应能达到50%额定加载。

4.2.3机组自动启动第三次失败时，如有备用机组，程序控制系统应能自动将启动指令传递备用机组。

4.3机组的自动卸载停机机

组接到自控或遥控的停机指令，应能自动卸载停机，其停机方式应有正常停机和紧急停机两种。正常停机步骤：切断主电路后空载运行5min，切断燃油油路。紧急停机步骤：立即切断主电路，切断燃油路和进气气路。

4.4机组的自动调压和调频

机组应能自动调整输出电压和频率。

4.5机组的自动保护机组应有机油压力低、冷却水温度高、过电压、超速、短路、缺相等项保护。

4.6机组的自动补给机组的自动补给共分三类：

第一类自动补给装置用于1级自动化机组，燃油、机油、冷却水的自动补给应能满足机组在无人值守的条件下连续（或累计）运行4h。

第二类自动补给装置用于2级自动化机组，燃油、机油、冷却水的自动补给应能满足机组在无人值守的条件下连续（或累计）运行240h。

第三类自动补给装置用于3级自动化机组，燃油、机油、冷却水的自动补给应能满足机组在无人值守的条件下连续（或累计）运行1000h。

4.7机组工作和不工作时均应能保持启动蓄电池处于满容量状态

4.8每台机组的平均故障间隔期

一级自动化机组的平均故障间期应大于500h。

二级自动化机组的平均故障间期应大于800h。

三级自动化机组的平均故障间期应大于1000h。

4.9机组的其它技术要求

4.9.1自动化机组应既能自控和遥控，又能就地手动操作；图8为设计主控面板时常用的通信点（以瓦锡兰w20发电机组为例）。包括启动许可、速度开关、启动失败、减载、当车、远控、外部当车、分合闸、加减速等信号，箭头方向为信号输出方向。

图8发电机与主控面板之间的通信

对于更多的发电机组实时信息如机油温度压力等，可以通过总线（buscommunication）的方式输送到用户的主控面板，通常是modbus协议。典型设计方案是以intouch等软件件开发Windows上位机操作界面，以SMC为数据通信接口将数据采集进后台数据库以形成趋势图（trend）供日后对发电机的工作状态分析。

4.9.2对于欠电压、低速（或低频）、机油温度过高等方面的保护装置可按需要选设；

4.9.3机组应具有自动计时功能。

5机组的使用环境条件

5.1机房冷却、通风系统（图9）

机房冷却、通风系统直接影响发电机组额定功率输出和长期安全可靠运行。正确的空气流通路线为空气从机组尾部经过发动机，再经过散热器，然后由一个可拆卸排气管排到室外。

图9机房冷却通风

5.1.1发电机组冷却系统

散热水箱式冷却系统设计考虑因素：最高冷却温度、预期运行温度、功率衰减、冷却液膨胀体积、最低冷却液温度（保证正常启动和带载）、监视/安全停机、发动机制造商数据正确、散热水箱/冷却风扇数据正确、运行参数、对环境散、热机体加热器及冷却液流速等。a.机组散热量计算发动机燃油消耗：使用额定功率kW,转换为BTU/min＝(kW)×(57)BTU/min假定柴油产生140,000Btu/Gal热量,转换效率为35%。燃油消耗快速估算方法:燃油消耗＝kW×.07（U.S.gal）＝kW×0.0185(l)通常发动机散热通过液体-空气热交换冷却系统，大约为燃油消耗产生的热量25%。液体-空气热交换(散热水箱)为最普通散热器。

b.其它散热量快速计算法如图10所示：

图10其它散热快速计算法

5.1.2通风系统空气计算：提供发动机燃烧空气，带走机房热量,提供发电机冷却空气，冷却发动机(通过散热水箱)。空气流过系统时，产生较大的温升。发电机组冷却系统的设计要求实际测算（制造厂商的数据仅供参考），不佳的设计难于使发电机组在高温环境下进行满负载运行（图11），进风口百叶窗位置比排风口高，并且进风口与排风口都靠近了左侧。

Q=mcp

图11不良设计使发电机组难以在高温下满负荷运行

式中：

Q－排放热量,

m－流体质量,

cp－在恒定的温度T和压力下允许机房的温度变化。

简单计算：空气需求量(cfm)=(58)(散热量)/(温升)快速估算：有效排风口通风面积约等于散热水箱面积。有效进风口面积约等于1.5倍的散热水箱面积。排风回流循环系统在低温环境下，冷空气进入机房前，允许排风回流，使机组迅速升温。一般设计为常闭(防止外面冷空气流过机组)，由发电机组交流（AC）输出或直流（DC）供给电源。通风系统小结足够的进、排风面积，避免进、排风短路，理顺空气流向，直进直出设计。

5.2机房噪音

发电机组的电缆必须软联接，主要噪声源:为进气系统、废气涡轮增压器、燃烧噪声、排气噪声、冷却风扇和次震动等。

5.2.2室外噪音

排气管：柴油发电机排气噪声高达100dB，机组自带消声器可降低部分噪声，但不能达到排放值的标准，在不增加油机背压的情况下，需将排烟管末端插入砖体排风道内，利用排风道内的吸声板块达到消声目的。

通风散热进、出风道：在进、出风道内安装吸声尖劈，保证通风散热要求的同时防止室内噪声通过风道外泄；在进风通道内加装消声吸声片；如无风井，可采用进风消声器代替。

参考文献:

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[3]陈朝珍,潘卫国.大型工业厂房10kV应急柴油发电机组的设计与并网控制[J].现代建筑电气.2013(06)