醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)選型要點(diǎn)

0引言柴油發(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。1

柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)規(guī)定1.1

柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的一般規(guī)定柴油發(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。

JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：為保證一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電或用電負(fù)荷為一級負(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。

GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.3條規(guī)定：一級負(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。1.2醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)規(guī)定JGJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.4.1條規(guī)定：三級醫(yī)院應(yīng)設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組；二級醫(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)療建筑中對醫(yī)療場所進(jìn)行了劃分，不同醫(yī)療場所中斷供電要求自動恢復(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。1.3

醫(yī)療建筑中應(yīng)急電源和備用電源的設(shè)計(jì)原則按照J(rèn)GJ312-2013《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)間的問題。醫(yī)療建筑中有大量一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷?一級負(fù)荷和二級負(fù)荷，針對醫(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題，筆者認(rèn)為，應(yīng)按照GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，為一級負(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?二級負(fù)荷供電的柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。

對于新建的?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，此時(shí)可將一級負(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。對于規(guī)模較小的醫(yī)院，可能存在設(shè)置一臺柴油發(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)將一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷和一?二級分別設(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)荷等級的設(shè)備提供應(yīng)急(備用)電源。醫(yī)院常見10kV/0.4kV高低壓配電系統(tǒng)與應(yīng)急(備用)電源系統(tǒng)主接線見圖1。

2

醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機(jī)組容量和性能等級選擇柴油發(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)各種功率定額見表1。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)過載運(yùn)行的。這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)—“柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)行12h”可以允許超過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。2.1柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級

柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級分為G1~G4級，醫(yī)療建筑中除了民用建筑中常見的照明?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)選擇性能等級為G3級及以上的柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級見表2。柴油發(fā)電機(jī)組詳細(xì)的性能等級及運(yùn)行限值可以查閱GB/T28205-2009《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的交流發(fā)電機(jī)組》的相關(guān)規(guī)定。當(dāng)發(fā)電機(jī)組某個(gè)性能等級的所有限值都滿足時(shí)，才能選擇該性能等級。

2.2柴油發(fā)電機(jī)組容量選擇

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電動機(jī)最大啟動容量等因數(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GB50084-2017《自動噴水滅火系統(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)按單臺電動機(jī)或成組電動機(jī)的啟動需要進(jìn)行計(jì)算。工程設(shè)計(jì)中要限制發(fā)電機(jī)組的容量，功率較大的電動機(jī)通常選用降壓啟動的方式，在選擇了啟動方式降低電動機(jī)啟動倍數(shù)的同時(shí)，應(yīng)注意兼顧電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比，因此應(yīng)合理選擇電動機(jī)的啟動方式。

(4)如果設(shè)備中有大容量的負(fù)荷啟動時(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，減小對建筑立面和室外景觀的影響。3

柴油發(fā)電機(jī)組與負(fù)載的匹配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。

3.1負(fù)載類型對發(fā)電機(jī)端電壓的影響

分析負(fù)載類型對發(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)等效電路詳見圖2。根據(jù)等效電路可知：

電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流I和端電壓U同相，但由于電機(jī)本身是電感性的(電抗Xc比電阻R大的多)，使內(nèi)功率因數(shù)角φ仍是滯后的，所以電樞反應(yīng)起去磁作用，端電壓U小于空載電動勢E0。電阻負(fù)載下電動勢相量圖詳見圖３。電感負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)滯后)，負(fù)載電流I滯后于電壓U90o電角度，從相量圖可以看出，端電壓U比電阻負(fù)載時(shí)下降幅度更大，在這種情況下，電樞反應(yīng)磁動勢起完全去磁作用。電感負(fù)載下電動勢相量圖詳見圖4。電容負(fù)載時(shí)(功率因數(shù)超前)，負(fù)載電流I超前于電壓U90o電角度，從相量圖可以看出，帶負(fù)載后，端電壓U比空載電動勢E0升高了，這種情況下，電樞反應(yīng)磁動勢起增磁作用。電容負(fù)載下電動勢相量圖詳見圖5。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)必須通過電壓調(diào)節(jié)器減小勵(lì)磁電流來進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)際上，電壓調(diào)節(jié)器可能沒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，即使電壓調(diào)節(jié)器全關(guān)，轉(zhuǎn)子仍有足夠的磁場對電容負(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)。

3.2醫(yī)療建筑中電容負(fù)載源及發(fā)電機(jī)組的選擇

醫(yī)療建筑中電容負(fù)載的主要來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電源的場所如下。

(1)1類醫(yī)療場所：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)也會采用UPS電源進(jìn)行電能質(zhì)量的改善和治理。

對于醫(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。

3.3非線性負(fù)載對發(fā)電機(jī)組的影響及發(fā)電機(jī)組的選擇

隨著醫(yī)院規(guī)模越來越大，大型醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛。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)磁回路和自動電壓調(diào)節(jié)器AVR。諧波電流會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率失真，影響對電能質(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關(guān)的恒定勵(lì)磁源，對于非線性負(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3次及3的倍數(shù)次諧波作用明顯。

(3)對于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。對于非線性負(fù)載容量較大且只有一臺發(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)載對單臺發(fā)電機(jī)帶來的影響。醫(yī)療建筑中設(shè)置多臺發(fā)電機(jī)組時(shí)，不能一味強(qiáng)調(diào)將大容量機(jī)組拆分成兩臺小容量機(jī)組并機(jī)使用，換來所謂“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)，詳見式(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為傳動效率。跟柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)連接傳動方式有關(guān)；ηG為發(fā)電機(jī)的效率。由制造商提供。

柴油發(fā)動機(jī)的動力決定發(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)載通常不會滿負(fù)荷運(yùn)行，因此可以嘗試在不增加柴油發(fā)動機(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。

3.4突加負(fù)載對柴油發(fā)電機(jī)組的影響

突加負(fù)載的影響主要表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)組啟動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，會導(dǎo)致柴油機(jī)減速，致使第一次啟動失敗。圖6為某柴油發(fā)電機(jī)組啟動及供電特性曲線。

負(fù)荷的投入量過大也會造成發(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