超高层建筑柴油发电机方案设计

超高层建筑柴油发电机方案设计［摘要］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、安保系统稳定运行的可靠保障，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。［关键词］超高层建筑；柴油发电机组；电压降；用油量1项目概况深圳平安国际金融中心（以下简称平安）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，楼高588米，地上116层，地下5层，总建筑面积约46万㎡，其中商业裙楼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保障，而柴油发电机则是在其中饰演着重要角色。2应急柴油发电机的选择依据及供电范围根据《供配电系统设计规范》（50052-1995），《高层民用建筑设计防火规范》（50045-1995）（2005年版）及《民用建筑电气设计规范》（16-2008）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。”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）本项目中的非消防用电一级负荷：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保障用电：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，后备空调机组等。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厦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，对于保障大厦的安全、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（）。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（10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最常用方案。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。3项目本身对于柴油发电机房的限制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。4柴油发电机容量的选择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56400×2011280，选用六台连续容量为2000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，不在本次设计范围内，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2000的柴油机组带100%负荷时的耗油量约为420（实际运行不会大于此值），则六台机组连续24小时额定工作时的耗油总量应为6×24×420/1000=60.5立方。若按照0.85的油量充满系数计算，则需要的储油罐总容积为60.5/0.85=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。5平安项目柴油发电机形式的选择5.1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保障方式，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，更是满足认证体系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%的最大电压下降”。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。5.2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4.4%，至塔楼屋顶（干线段长度约为650米）则达到了8.8%；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3.8%和7.6%；即使电缆截面再加大至两级，上述的电压降值也分别达到3.2%和6.4%。由此可见，如果只是单纯通过加大电缆截面来降低电阻值，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10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0.2%和0.4%。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。5.3机组形式的选择方案方案一，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。方案二，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。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电压经过机组设于就近的专用变压器升压至10，采用10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400V，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，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。方案四，10（6）高压柴油发电机组设置于地下二层，出口端直接通过10高压电缆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，缺点是高压机组本身成本就比相同容量低压机组高很多（一般为30%～50%），而且高压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、维护的成熟度不高。5.4项目方案的构成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2000的柴油机为例去作投资比较：方案一为一台10的高压机组+一台2000的10/0.4降压变压器；方案二则为一台400V的低压机组+一台2000的0.4/10升压变压器+两台10高压开关柜+一台2000的10/0.4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10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10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，高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。由附表1可以看出，柴油发电机房选址可紧密结合变配电所的位置考虑。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10，并采用10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。6结论综合上述的技术、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，才能最终确定柴油发电机的容量。