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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。
