周 翔
(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院,成都 610017)
柴油發(fā)電機(jī)組作為重要的應(yīng)急(備用)電源類型在各類項(xiàng)目中被廣泛采用。因其具有設(shè)置數(shù)量多、設(shè)計(jì)容量大、帶負(fù)載類型復(fù)雜等特點(diǎn),在醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)中,不僅需要對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行正確合理的選型,還要結(jié)合醫(yī)療建筑的特點(diǎn),注重柴油發(fā)電機(jī)組與環(huán)境的協(xié)調(diào),為醫(yī)療設(shè)備和機(jī)組本身全生命周期使用和運(yùn)維提供可持續(xù)的條件。本文對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組在醫(yī)療建筑中設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討,為柴油發(fā)電機(jī)組的正確選用提供借鑒。
柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源和備用電源在相關(guān)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定如下。
JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定:為保證一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電或用電負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷,但從市電取得第二電源困難或技術(shù)經(jīng)濟(jì)不合理時(shí)宜設(shè)自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。
GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.3條規(guī)定:一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷除應(yīng)由雙重電源供電外,尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源,并嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。而獨(dú)立于正常電源的發(fā)電機(jī)組可作為應(yīng)急電源。
JGJ 312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.4.1條規(guī)定:三級(jí)醫(yī)院應(yīng)設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組;二級(jí)醫(yī)院宜設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。第3.0.3條規(guī)定:備用電源供電維持時(shí)間應(yīng)符合當(dāng)要求恢復(fù)供電時(shí)間小于或等于0.5s時(shí),自備備用電源供電維持時(shí)間不應(yīng)小于3h。其他備用電源供電維持時(shí)間不宜小于24h。
不同醫(yī)療場(chǎng)所的用電設(shè)備在工作電源中斷或供電電壓驟降10%及以上且持續(xù)時(shí)間超過(guò)3s時(shí),備用電源要按照規(guī)定的切換時(shí)間投入。醫(yī)療建筑中對(duì)醫(yī)療場(chǎng)所進(jìn)行了劃分,不同醫(yī)療場(chǎng)所中斷供電要求自動(dòng)恢復(fù)供電的時(shí)間和電源解決方案如下。
(1) t≤0.5s:采用不間斷電源裝置(UPS)與柴油發(fā)電機(jī)電源組合供電。
(2) 0.5s≤t≤15s:采用15s內(nèi)快速啟動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)組供電。
(3) t>15s:采用柴油發(fā)電機(jī)組或市政電源供電。
按照J(rèn)GJ 312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,醫(yī)院是否設(shè)置應(yīng)急電源柴油發(fā)電機(jī)組是以醫(yī)院的等級(jí)為條件,且不同的條文中又提到備用電源供電持續(xù)時(shí)間的問(wèn)題。醫(yī)療建筑中有大量一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷、一級(jí)負(fù)荷和二級(jí)負(fù)荷,針對(duì)醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源還是備用電源的問(wèn)題,筆者認(rèn)為,應(yīng)按照GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷供電的柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源,為一、二級(jí)負(fù)荷供電的柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。
對(duì)于新建的、有一定規(guī)模的醫(yī)院,一般柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)置不止一臺(tái),此時(shí)可將一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷接入應(yīng)急電源柴油發(fā)電機(jī)組,將一、二級(jí)負(fù)荷和醫(yī)院根據(jù)使用要求明確要保障的負(fù)荷接入備用電源柴油發(fā)電機(jī)組,這樣就做到了應(yīng)急電源供電系統(tǒng)和備用電源供電系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)置。對(duì)于規(guī)模較小的醫(yī)院,可能存在設(shè)置一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組合并設(shè)置應(yīng)急電源和備用電源的情況,筆者建議,在變壓器低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷和一、二級(jí)分別設(shè)置保障母線段,柴油發(fā)電機(jī)組電源與市電在不同的母線段切換后為相應(yīng)負(fù)荷等級(jí)的設(shè)備提供應(yīng)急(備用)電源。醫(yī)院常見(jiàn)10kV/0.4kV高低壓配電系統(tǒng)與應(yīng)急(備用)電源系統(tǒng)主接線見(jiàn)圖1。
柴油發(fā)電機(jī)組的功率定額是指在額定頻率,功率因數(shù)cosφ為0.8(滯后)時(shí)用kW表示的功率。
柴油發(fā)電機(jī)組的功率定額種類分為:持續(xù)功率(COP)、基本功率(PRP)、限時(shí)運(yùn)行功率(LTP)、應(yīng)急備用功率(ESP)。發(fā)電機(jī)各種功率定額見(jiàn)表1。
發(fā)電機(jī)功率定額表 表1
圖1 應(yīng)急電源系統(tǒng)接線示意圖
持續(xù)功率(COP)為柴油發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)功率,醫(yī)療建筑中的負(fù)載通常為可變負(fù)載,柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急(備用)電源保障醫(yī)院的診療和疏散時(shí)間一般為3~24h,所以柴油發(fā)電機(jī)組建議采用基本功率(PRP)作為常用功率、應(yīng)急備用功率(ESP)作為備用功率。
當(dāng)選擇了發(fā)電機(jī)組的常用功率后,發(fā)電機(jī)組是可以短時(shí)過(guò)載運(yùn)行的。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)—“柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)行12h”可以允許超過(guò)12h功率10%的情況下運(yùn)行1h,所以發(fā)電機(jī)組常用功率每12h也可以允許過(guò)載10%運(yùn)行1h。發(fā)電機(jī)組備用功率在連續(xù)工作時(shí)需下調(diào)10%的功率運(yùn)行也是根據(jù)柴油機(jī)持續(xù)功率的運(yùn)行特點(diǎn)決定的。
柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級(jí)分為G1~G4級(jí),醫(yī)療建筑中除了民用建筑中常見(jiàn)的照明、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯、空調(diào)等負(fù)載外,還有大量的UPS電源設(shè)備,含有整流電路的大型醫(yī)療設(shè)備如X光機(jī)、DR、CT、核磁共振等。這類設(shè)備對(duì)電源輸出電壓、頻率、波形有嚴(yán)格的要求,電能質(zhì)量的好壞不僅影響設(shè)備是否正常運(yùn)行,醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的圖像質(zhì)量也和電能質(zhì)量密切相關(guān)。因此醫(yī)療建筑中應(yīng)選擇性能等級(jí)為G3級(jí)及以上的柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級(jí)見(jiàn)表2。
柴油發(fā)電機(jī)組性能等級(jí) 表2
柴油發(fā)電機(jī)組詳細(xì)的性能等級(jí)及運(yùn)行限值可以查閱GB/T 2820.5-2009《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組》的相關(guān)規(guī)定。當(dāng)發(fā)電機(jī)組某個(gè)性能等級(jí)的所有限值都滿足時(shí),才能選擇該性能等級(jí)。
醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機(jī)組的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)急負(fù)荷的大小和投入順序以及單臺(tái)電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)容量等因數(shù)綜合考慮。
(1)作為應(yīng)急電源的柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)統(tǒng)計(jì)醫(yī)療建筑中一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的計(jì)算負(fù)荷,按照穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算發(fā)電機(jī)組的容量。
(2)如果應(yīng)急電源和備用電源合并設(shè)置,應(yīng)比較消防負(fù)荷和保障負(fù)荷的大小,按照容量大的負(fù)荷進(jìn)行選擇。
(3)根據(jù)現(xiàn)行GB 50084-2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,醫(yī)療建筑中噴淋泵的功率一般較大,給排水專業(yè)根據(jù)泵的功率通常設(shè)計(jì)一用一備或兩用一備的運(yùn)行組合方式,這時(shí)柴油發(fā)電機(jī)的容量選擇應(yīng)按單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)需要進(jìn)行計(jì)算。工程設(shè)計(jì)中要限制發(fā)電機(jī)組的容量,功率較大的電動(dòng)機(jī)通常選用降壓?jiǎn)?dòng)的方式,在選擇了啟動(dòng)方式降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)倍數(shù)的同時(shí),應(yīng)注意兼顧電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比,因此應(yīng)合理選擇電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式。
(4)如果設(shè)備中有大容量的負(fù)荷啟動(dòng)時(shí),還應(yīng)按照設(shè)備允許的電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)的容量。醫(yī)療建筑中醫(yī)技科室有大量的大型醫(yī)療設(shè)備如MRI、CT、DSA、直線加速器(LA)、SPECT、PET-CT等。上述設(shè)備正常待機(jī)時(shí)功率很低,工作時(shí)才會(huì)產(chǎn)生瞬間的大電流,電源內(nèi)阻和線路阻抗直接影響電壓降,因此在接入發(fā)電機(jī)電源時(shí),應(yīng)按照設(shè)備要求的電源容量進(jìn)行發(fā)電機(jī)組容量的選擇。市電作為電源時(shí),電壓降趨于恒定;發(fā)電機(jī)組作為電源時(shí),電壓降更深,變動(dòng)更大一些。醫(yī)療建筑中發(fā)電機(jī)組容量一般大于大型醫(yī)療設(shè)備最大瞬時(shí)負(fù)荷容量的2.5倍時(shí),可以獲得合格的影像圖像質(zhì)量。
(5)柴油發(fā)電機(jī)組的容量選擇還應(yīng)注意與建筑外觀和醫(yī)院環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。容量大的機(jī)組送、排風(fēng)井道及地面風(fēng)口百葉面積較大,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合土建條件,減小對(duì)建筑立面和室外景觀的影響。
相比于普通的民用建筑,醫(yī)療建筑的負(fù)載類型多且相對(duì)復(fù)雜,有電熱水器、電加熱設(shè)備等電阻負(fù)載,也有各類風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)等電感負(fù)載,還有大量屬于電容負(fù)載的IT設(shè)備和UPS電源等。柴油發(fā)電機(jī)電源與負(fù)載類型的匹配直接影響著各類重要設(shè)備的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。
分析負(fù)載類型對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響,是調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使空載電壓為額定值,然后保持勵(lì)磁電流不變,給發(fā)電機(jī)分別帶上不同類型的負(fù)載,觀察發(fā)電機(jī)組端電壓隨著負(fù)載電流的變化情況。發(fā)電機(jī)等效電路詳見(jiàn)圖2。
根據(jù)等效電路可知:
(1)
圖2 發(fā)電機(jī)等效電路圖
圖3 電阻負(fù)載下電動(dòng)勢(shì)相量圖
圖4 電感負(fù)載下電動(dòng)勢(shì)相量圖
圖5 電容負(fù)載下電動(dòng)勢(shì)相量圖
電容負(fù)載時(shí)產(chǎn)生了較高的發(fā)電機(jī)輸出端電壓U,此時(shí)必須通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器減小勵(lì)磁電流來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)際上,電壓調(diào)節(jié)器可能沒(méi)有足夠的范圍完全調(diào)節(jié)輸出電壓,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在一個(gè)方向連續(xù)勵(lì)磁含有永久磁場(chǎng),即使電壓調(diào)節(jié)器全關(guān),轉(zhuǎn)子仍有足夠的磁場(chǎng)對(duì)電容負(fù)載充電并產(chǎn)生電壓,這就產(chǎn)生了發(fā)電機(jī)組的“自激”現(xiàn)象,可能導(dǎo)致負(fù)載設(shè)備損壞或發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)備跳閘,造成發(fā)電機(jī)組停機(jī)。
醫(yī)療建筑中電容負(fù)載的主要來(lái)源為帶有輸入濾波器的輕載UPS電源設(shè)備。醫(yī)療建筑中應(yīng)用UPS電源的場(chǎng)所如下。
(1)1類醫(yī)療場(chǎng)所:血液病房的凈化室、產(chǎn)房、燒傷病房;血液透析室;術(shù)前準(zhǔn)備室、術(shù)后復(fù)蘇室、麻醉室。
(2)2類醫(yī)療場(chǎng)所:急診搶救室;重癥監(jiān)護(hù)室、早產(chǎn)兒室;手術(shù)室;心血管造影檢查室。
(3)醫(yī)院信息中心數(shù)據(jù)機(jī)房及智能化系統(tǒng)管理機(jī)房等。
(4)筆者查閱相關(guān)論文,醫(yī)療建筑中大型醫(yī)療設(shè)備(如直線加速器(LA)、MRI、CT、DSA、DR等)也會(huì)采用UPS電源進(jìn)行電能質(zhì)量的改善和治理。
對(duì)于醫(yī)療建筑中大量的電容負(fù)載,發(fā)電機(jī)最多可以承擔(dān)其額定無(wú)功功率容量10%的負(fù)載。在負(fù)載接入發(fā)電機(jī)電源時(shí),按先投入功率因數(shù)滯后負(fù)載,再投入功率因數(shù)超前負(fù)載的順序,有助于提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。在醫(yī)院設(shè)置多臺(tái)發(fā)電機(jī)組的條件下,應(yīng)盡量將電容性負(fù)載分散接入到不同的發(fā)電機(jī)組上。當(dāng)僅有一臺(tái)發(fā)電機(jī)時(shí),應(yīng)著重關(guān)注UPS電源與發(fā)電機(jī)電源的兼容性問(wèn)題,當(dāng)廠商技術(shù)不能解決時(shí),可采取增大發(fā)電機(jī)組容量的措施。另外,UPS電源應(yīng)盡量選擇12脈沖整流器技術(shù)的設(shè)備。
隨著醫(yī)院規(guī)模越來(lái)越大,大型醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。各類變頻電機(jī)、精密空調(diào)器、不間斷UPS電源、MRI、CT、DSA等大型醫(yī)療設(shè)備,這些非線性負(fù)載在發(fā)電機(jī)容量中占有的比例越來(lái)越大,在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組容量選型時(shí)應(yīng)給予考慮。
非線性負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響主要表現(xiàn)在其產(chǎn)生的高次諧波造成的危害。由于諧波電流的產(chǎn)生,會(huì)導(dǎo)致反常的導(dǎo)體發(fā)熱,損壞發(fā)電機(jī)組的繞組,勵(lì)磁回路和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR。諧波電流會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率失真,影響對(duì)電能質(zhì)量較為敏感設(shè)備的正常運(yùn)行。為降低非線性負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響,正確選擇發(fā)電機(jī)組類型、容量和運(yùn)行方式非常重要。
(1)選擇合適的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。新型發(fā)電機(jī)組多采用無(wú)刷勵(lì)磁方式,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選擇永磁式勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)(PMG)。由于PMG系統(tǒng)提供一個(gè)與定子輸出電壓波形畸變及大小無(wú)關(guān)的恒定勵(lì)磁源,對(duì)于非線性負(fù)載產(chǎn)生的主機(jī)定子輸出電壓的波形畸變有更強(qiáng)的抗干擾性。
(2)選用同步電機(jī)自身繞組結(jié)構(gòu)對(duì)諧波電流有抑制的產(chǎn)品。目前發(fā)電機(jī)產(chǎn)品中不同定子節(jié)距設(shè)計(jì)對(duì)不同次諧波具有抑制作用。例如2/3節(jié)距定子繞組的產(chǎn)品對(duì)3次及3的倍數(shù)次諧波作用明顯。
(3)對(duì)于UPS電源負(fù)載,當(dāng)輸入端帶有濾波器,末端負(fù)載較小時(shí),應(yīng)減少濾波器的使用或?qū)⑵潢P(guān)閉。
(4)正確選用發(fā)電機(jī)組的容量。對(duì)于非線性負(fù)載容量較大且只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)時(shí),建議負(fù)載容量在機(jī)組輸出功率的60%左右為宜。當(dāng)有多臺(tái)發(fā)電機(jī)組選擇時(shí),可將非線性負(fù)載分別設(shè)計(jì)在不同的柴油發(fā)電機(jī)上,減小非線性負(fù)載對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)帶來(lái)的影響。醫(yī)療建筑中設(shè)置多臺(tái)發(fā)電機(jī)組時(shí),不能一味強(qiáng)調(diào)將大容量機(jī)組拆分成兩臺(tái)小容量機(jī)組并機(jī)使用,換來(lái)所謂“運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性”。當(dāng)所帶非線性負(fù)載容量較大時(shí),大容量機(jī)組更利于電源系統(tǒng)在諧波環(huán)境下的運(yùn)行。
(5)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率跟柴油機(jī)的輸出功率相關(guān),詳見(jiàn)式(2)。
Pjz=PG/ηmηG
(2)
式中,Pjz為柴油機(jī)的功率,kW;PG為發(fā)電機(jī)輸出的有功功率;ηm為傳動(dòng)效率,跟柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)連接傳動(dòng)方式有關(guān);ηG為發(fā)電機(jī)的效率,由制造商提供。
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力決定發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率即帶負(fù)載能力,而視在功率取決于發(fā)電機(jī)組的容量。醫(yī)療建筑中負(fù)荷的不同工作制及分時(shí)運(yùn)行的特點(diǎn),負(fù)載通常不會(huì)滿負(fù)荷運(yùn)行,因此可以嘗試在不增加柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率的情況下,匹配容量大的發(fā)電機(jī),提升發(fā)電機(jī)組帶非線性負(fù)載的能力。
突加負(fù)載的影響主要表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)到投入供電初期的階段。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率符合要求后,雖然可以向負(fù)荷供電,但是由于發(fā)電機(jī)此時(shí)還處于冷機(jī)狀態(tài),熱效率不高,此時(shí)還不能輸出額定功率,所以接入的負(fù)載不能很大。否則,會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)減速,致使第一次啟動(dòng)失敗。圖6為某柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)及供電特性曲線。
圖6 柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)及供電特性曲線
負(fù)荷的投入量過(guò)大也會(huì)造成發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率的驟降,負(fù)荷投入量和時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)及供電特性曲線確定,這些資料一般由設(shè)備制造商提供。
對(duì)于額定功率不大于250kW的柴油發(fā)電機(jī),首次加載量不小于50%額定負(fù)載。大于250kW時(shí),按照產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定執(zhí)行。
由于突加負(fù)載的影響,在有條件時(shí)適當(dāng)增大發(fā)電機(jī)組的容量,提高首次加載負(fù)載的能力。另外,在進(jìn)行低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),建議發(fā)電機(jī)每回路的負(fù)荷容量不宜過(guò)大,末端所帶的負(fù)載類型不宜過(guò)于單一。除消防負(fù)荷外,發(fā)電機(jī)電源回路與低壓配電系統(tǒng)應(yīng)急(備用)母線段之間的雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在切換時(shí)間時(shí)設(shè)置一定時(shí)限的延時(shí),確保負(fù)荷逐一、分級(jí)地切換接入柴油發(fā)電機(jī)電源系統(tǒng)。