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发表于 2014-5-17 18:58:28
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? 关于超高层发电机组
超高层建筑) ,但这里要说明一下,本文所提的250 m的高度的概念并非如GB 50045 (2005年版)《高层民用建筑设计防火规范》所规定的250 m 的界限含义。
1 超超高层建筑的特点及对供电安全可靠性的要求
        通常超超高层建筑具有以下特点:
        (1) 建筑高度高,面积大。
        (2) 建筑功能多样,齐全,通常汇集高级酒店、办公、高档商场、餐饮、观光及其他功能于一体的超大型现代化多功能建筑。
        (3) 机电设施多而复杂,技术要求高。
        (4) 用电负荷大,对电源的可靠性、安全性要求很高。
        (5) 对建筑消防、安全有特殊的要求。
        由于超超高层建筑中电能作为建筑内满足各种功能需求,保障建筑正常、安全运营的最重要的能源,因而对其用量、质量及可靠性、安全性有着特殊的要求。
        通常超超高层建筑的正常电源由两路或多路35 kV、20 kV、10 kV独立电源供电,偶而也会有建筑面积巨大的超超高层建筑采用110 kV电源供电,但其主变电站往往不直接设置在建筑物内部。一般供电电压等级越高,所供的电源数量越少,但不会少于两路。所供电源除提供正常的用电外,还有备用电源(有满足于一、二级负荷用电的备用电源或能满足于一、二级负荷及主要三级负荷的备用电源) 。有时由于建筑功能的多样化,一幢超超高层建筑中有可能存在两家或以上运营管理单位,会导致根据不同运营管理单位的管辖范围而分别提供各自的供电电源。
        由于超超高层建筑对消防、安全、运营等的特殊要求,因此,对电源的负荷等级要求相对于一般高层建筑要高得多。按国家现行规范规定,该类建筑的供电负荷等级应为一级;此外,对于建筑内的消防,安全用电负荷,计算机通信网络设施,保障建筑正常、安全运营的重要设备,重要场所中不允许中断供电的负荷, 乃至租用办公(特别是金融业办公)所需的重要设备应作为一级负荷中的特别重要负荷。在超高层建筑中对于一级负荷中的特别重要负荷,除由不少于两个电源供电外,还应增设自备应急发电机组,在正常外供电源故障时作应急供电。同样可作为自备应急电源的不间断电源U S装置、应急电源EPS装置由于受到供电时间、容量等的限制, 尚不能取代应急发电机组的用途。
        当然,建筑内对停电时间有严格要求或不允许间断电源的设备及重要场所应急照明通常会分别采用UPS及EPS装置供电,而且是与应急发电机组配合使用的,停电初期先使用UPS、EPS装置,待应急发电机组进入正常运行后,再投入发电机组电源。
2 发电机组设置原则
        超超高层建筑中通常将发电机组设置在地下一、二层或首层,设置在首层的发电机组从机组设置的自身合理性来说是较好的, 运输、通排风、排烟、燃油的输送等往往比较方便,但首层一般是建筑中最重要的楼层, 面积非常珍贵,发电机组难以占用。设置在地下层的发电机组除要考虑机组的运输、通排风、排烟、冷却、噪声等因素外,对于超超高层建筑而言还需特别考虑机组的电压等级和电源接入方式。
        通常对于高度不超过150 m的超高层建筑,发电机组的电压等级主要是以0. 4 kV为主, 虽然受发电容量等因素影响,也可能会采用高压10 ( 6) kV,但由于此时0. 4 kV发电电源与负荷使用的0. 4 kV正常电源切换相对较简单, 且无需再配置高压保护装置及降压变压器,电源的可靠性要相对高些。
        即使面对供电距离偏长会造成供电压降增大这一相对不合理的情况,通过适当加大配电线路截面,还是能从技术上、经济上满足要求。但是,这种情况对于超超高层建筑来说就不同了,随着发电机组供电距离的进一步加大,带来的压降也会进一步增大。就一般0. 4 kV电源的供电半径而言一般不宜大于250 m。
        应当指出, 这里所指的250 m 是指配电干线、支线叠加后的线路长度,而不是电源至用电点的直线半径距离。由于受建筑通道的影响,通常情况下实际线路敷设的距离与供电半径会有15% ～30%的增加,因此假设对于一幢建筑楼层高度超过250 m的超高层建筑,即使不计入支线的距离, 其最远配电干线已近300 m, 超出了0. 4 kV合理供电范围。
        即使这时可设想通过大幅增大配电线路截面来降低电压降,甚至通过调高发电机组出口端的电压值来抵消压降的损失,然而此时这些设想会存在不少问题,大幅增大配电线路截面会造成投资成本的增加,设施占用空间增大;提高发电机组出口端的电压值对于满负荷运行的远端负荷尚可行,但对于近端负荷或只有少量负荷运行时就会造成负荷端输入电压值的升高,继而影响设备的正常运行。
        这里可以举个例子:假定在某建筑物250 m高处的应急用电负荷总计额定电流为800 A, 按0. 4 kV正常配电线缆截面配置,干线实际长度290 m,考虑为三相平衡负载,按计算公式(1 )对线路电压降进行计算:
 
        从上述计算值可以看出, 当负荷正常运行时,供电线路所产生的电压降已远超过规定值。如果对超超高层建筑的发电机组电源全部采用高压10 (6) kV,对于建筑上层的负荷来说是相对合理的,但对于下层负荷,由于也要通过配置高压保护装置及降压变压器,这样就造成了下层负荷运行的欠合理性。当然,最好的方法是能够结合建筑的功能、楼层实际将应急供电范围划分为若干个不同区域,如可以将130 m以下设为低区, 130～250 m 设为中区, 250 m以上设为高区。对于低区的应急电源基本以0. 4 kV发电机组电源为主;中区电源可根据用电负荷容量及高度来综合决定是否采用0. 4 kV或10( 6) kV发电机组;对于高区负荷则统一采用10 (6) kV发电机组。这样做对自备应急发电机组设置的合理性相对较好,但此时建筑内需配置两种不同电压等级的发电机组,从机组的一致性、管理的便利性上看略显不足。
        表1主要列出了超超高层建筑中采用不同电压等级发电机组的对比表。可以看出,对于高度超过250 m的超高层建筑,采用方案b,即对建筑高低区采用不同电压等级的发电机组实行分别供电,其合理性及经济性相对较好,因此该方案在许多建筑高度超过250 m 的超高层建筑中被采用。
        另外还有一个问题需要提一下,就是是否可将低压发电机组设置在建筑物上层,以减少其供电距离并接近其供电负荷中心? 由于我国的现行规范尚未明确许可其能设置在建筑物上层且会涉及到燃油的输送、消防、安全、震动、噪声以及设备运送等一系列问题要统筹考虑解决, 因此,确实需要在上层设置时尚需经过多方面严格的技术认证,且经消防部门同意。但在香港及国外确实存在着发电机组设置在建筑物上层的做法,而且这样做也能够有效地简化自备应急电源系统的形式。
3 自备应急发电机组电源的接入形式
        目前在超高层建筑中普遍采用的自备应急发电机组主要是0. 4 kV或10 (6) kV电压等级,至于高压中是采用10 kV还是6 kV,主要是依据建筑中正常电源的电压情况而定,通常应采用与正常电源电压等级一致的机组。0. 4 kV电压的发电机组电源接入形式较为简单:直接将机组电源与正常电源自动切换后构成应急电源系统(如图1所示)。
        10 ( 6) kV电压的发电机组电源可有以下几种接入方案。
        方案一:为发电机组电源设置一台专用降压变压器(如图2所示) ,发电机组发出的10 (6) kV电源经降压变压器降压成0. 4 kV电压后,再与正常电源自动切换后构成应急电源。该方案由于需要专门设置降压变压器及相应的保护装置,因而造价会有一定的增加,降压变压器等需占用一定的机房面积。另外,由于专门设置的降压变压器在正常情况下可能会处在长期不使用(不通电)的状态,而长期不用的变压器一旦需要应急使用时其故障的可能性会增大,因此应急电源的可靠性会有所降低。
        方案二:根据应急负荷容量,将应急负荷集中归到同一台降压变压器,发电机组发出的电源与另一路正常电源在10 ( 6) kV侧自动切换后构成应急电源,且合用同一台降压变压器(如图3所示) ,这样做既可避免为发电机专门配置一台平时空置的降压变压器, 节约投资与机房面积,亦可避免因发电机电源变压器长期不用而出现故障的可能性。
        方案三:当发电机组容量足够大时,亦可将10 (6 ) kV 发电机电源直接接入区域变电站的10 (6) kV母线段(如图4所示) ,正常电源故障时通过与正常电源联络切换而投入运行。
        但该接法接入时应注意,当发电机组容量不足以满足母线段上所有用电负荷的需求时(通常情况下是如此) ,在发电机电源自动切换投入前应能有效地自动切除一般用电负荷容量,否则会使发电机组超载,导致应急电源故障。
        该方案的优点在于发电机电源的利用率和灵活性较好,只要能够在发电机电源投入前能有效地自动切除超过发电机组容量的用电负荷,应急电源可接入系统中的任何一台变压器;其缺点是一旦正常电源故障时要在短时间内有效地自动切除超过发电机组容量的用电负荷,是个相对繁复的步骤,易产生误操作的可能,造成故障扩大化,而且又难以体现应急电源的专用性,从而降低应急电源的可靠性。
        对上述10 ( 6) kV电压的发电机组电源3 种接入方案,从电源的可靠性、有效性、经济性、可实施性等综合因素考虑,笔者认为方案更具合理性、可靠性。
        另外还有一点需要注意,对于自备应急发电机组应急供电的时间要求,根据我国现行规范的规定,应急电源应在15～30 s内完成向应急负荷供电,并尽可能做到能在最短的时间内完成应急发电机组起动并供电。但有一点是必须严格执行的,即发电机组从启动到投入供电时间不允许超过30 s。因此,在选择应急发电机组时对自启动时间应有一定的要求,特别对于采用高压发电机组多台并机的情况。通常应急发电机供电时间要包括机组的自启动时间(一般为7 ～15 s) ,多台机组并机时间(一般二台机组并机时间需4～6 s) ,高低压断路器或自动转换开关自动切换时间(一般为0. 5～2 s) ,应综合考虑这些因素。另外,发电机组在自启动完成后尚不能立刻施以100%额定容量的加载,通常机组在自启动完成后只能提供不超过其额定容量60%的负载,而要实现输出100%的额定容量电源至少还需经过5 s以上的时间,这一点设计时也应充分考虑。
4 结 语
        自备应急发电机组电源作为现代建筑设施的一部分,是超高层建筑中至关重要的安全保障基础。超高层建筑特别是高度超过250 m的超高层建筑,由于供电容量、距离等原因,造成楼内自备应急发电机组的设置与一般高层建筑有所不同,因此设计者应根据超高层建筑的特殊情况,统筹考虑好诸多特定因素,及时调整设计思路,使其能更合理地满足超高层建筑的特殊要求。
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