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1、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IFC) 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
2、。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(GB50052- 1995),高层民用建筑设计防火规范(GB50045- 1995)(2005 年版)及民用建筑电气设计规范(JGJ16- 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
3、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
4、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
5、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 (EPS)。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 (10kW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
6、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
7、变压器的总安装容量之 20% 考虑,即 56400 20%=11280kVA ,选用六台连续容量为2000kVA 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 2000kVA 的柴油机组带 100% 负荷时的耗油量约为 420L/h (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 624 420/1000=60.5 立方。若按照0.8
8、5 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 IFC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
9、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 LEED 认证体系 ASHRAE 标准当中关于对电压降的要求(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
10、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 10kV 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
11、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
12、至 10kV ,采用 10kV 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, 10kV (6kV ) 高压柴油发电机组设置于地下二层,出口端直接通过 10kV 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
13、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 2000kVA 的柴油机为例去作投资比较:方案一为一台 10kV 的高压机组 + 一台2000kVA 的 10/0.4kV 降压变压器;方
14、案二则为一台 400V 的低压机组 + 一台 2000kVA 的 0.4/10kV 升压变压器 + 两台10kV 高压开关柜 + 一台 2000kVA 的10/0.4kV 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 10kV 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 10kV 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 10kV ,并采用 10kV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。