柴油发电站租赁及发电机组选型与系统设计

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柴油发电机组是以柴油机为动力，拖动工频交流同步发电机组成的发电设备，是一种自给式发电装置，功率通常在 3000 kW 以下。柴油发电站是以柴油发电机组为主，包含机组的运行系统及检修、维护等辅助设施在内的建筑物，一般固定安装有 1 台以上的柴油发电机组。根据柴油发电站所保障的用电负荷性质、可靠性要求、机组运行时间和用途，分为应急柴油发电站和常用柴油发电站。工程电气设计应根据电站的使用性质、用途，辨别细微差别，展开精心设计。

机组选型

发电机组市场品牌众多，选型机组的质量和性能须符合有关标准要求。目前可供使用的内燃发电机组标准有：GB/T 2820《往复式内燃机驱动的交流发电机组》系列标准、JB/T 10303-2001《工频柴油发电机组技术条件》、GB/T 12786-2006《自动化内燃机电站通用技术条件》等。在进行机组选型时，应明确机组的用途，需要经常长时间连续运行的应选用常用机组，只在市电偶尔失电或故障时才启动运行的、单次运行时间不超过 12 h 的宜选用应急机组。常用机组和备用机组的标定功率限制不同，使用概率和周期时间也不一致，不能混淆使用。

转速选择

柴油发电机组的转速主要取决于柴油机的转速。

转速高的同容量柴油发电机组，单位容积功率大、体积小、重量轻，所需站房面积小，可节省土建投资，但高速机组因为运动部件磨损大，大修周期短，维修费用相对较高。为了减少磨损，提高柴油发电机组的使用寿命，常用机组宜选用 1000 rpm 以下的中低速机组，备用机组可选用中高速机组。

常用机组一般用于海岛、远离市网的林场、油田和矿山等地区，平时需不间断运行，笔者走访的常用电站大多地处交通不便的偏僻地区。转速选择大多在 600 rpm 及以下的中低速机组，个别电站转速选择 1000 rpm 的中高速机组因频繁维修、提前到寿、机组零配件采购和厂家技术支持等因素给运行管理带来了困扰，供电可靠性得不到保障。

容量选择

同一电站的柴油发电机组宜选用同型号、同容量的机组，以方便维修和管理。柴油发电机组容量选择宜按下列步骤进行。

● 发电机容量选择

发电机连续输出容量应大于大计算负荷，需注意的是要同时满足：Se ≥ Sjs，Pe ≥ Pjs，Qe ≥ Qjs（Se、Pe、Qe 分别为柴油发电机组额定视在功率、有功功率、无功功率）。在此基础上进行发电机带负荷启动 1 台大容量的电动机时短时过负荷能力校验（发电机在热状态下，能承受 150 % 额定容量，时间为 15 s）：

式中：SQm ——成组启动或自启动时负荷的大值，kVA；

KGF ——发电机短时过负荷系数，取 1.5；

Sjs ——除 1 台大容量电动机外的其他负荷计算视在功率，kVA；

Kq —— 1 台大容量启动电动机的启动电流倍数（一般取 6~7 倍）；

PDM ——大 1 台启动电机额定有功功率，kW。

柴油发电机组受容量和励磁特性的限制，直接启动大容量电动机的能力较弱。而现代民用建筑中，应急机组通常是作为消防用电设备的备用电源，机组容量确定后需注意进行短时过负荷能力校验。因为在启动大容量电动机时，在启动电流的突然冲击下，发电机内阻抗上产生较大电压降，而励磁系统来不及快速调压，使输出端电压下降，容易造成柴油发电机组熄火。在火灾等应急状态下，消防水泵、排烟风机等灭火设备启动失败，则会贻误佳灭火时机。

柴油发电机组相对蒸汽轮机或燃气轮机容量较小，调速和调压系统比大容量机组简单，因此同步发电机的极对数多，波形畸变率大，动态特性指标较差。当带计算机、通信等整流滤波型负载或 UPS 等非线性负载时，会影响机组自身和负载的正常运行乃至使用寿命。出于安全考虑，发电机容量至少为 3 倍的启动交流整流负荷，1.8 倍的正常运行交流整流负荷。

● 柴油机容量选择

作为原动机的柴油机标定功率应与发电机输出功率匹配，一般情况下，柴油机选用连续运行 12 h 功率或持续功率作为标定功率。两者均包括超过 10 % 标定功率下连续运行 1 h 的能力，区别是持续功率是连续运行 12 h 功率的 90 %。

柴油机的小输出功率按下式计算：

式中：Pf —— 柴油机小输出功率，kW；

PH —— 发电机的输出功率，kW；

η —— 发电机效率；

K1 —— 柴油机功率修正系数，常用机组取 0.9，应急机组取 1.0

柴油发电机组实际安装地点的环境条件与标准使用条件是有差异的，应对柴油机输出功率进行修正：Px = α Pf，Px 为实际输出功率，α 为海拔高度和空气温度综合修正系数，由机组生产厂提供。

在此基础上，应对柴油机的加载能力进行校验。柴油机的加载能力不应低于额定功率的 50 %。为此，要求柴油机的实际输出功率不小于 2 倍的初始投入启动有功功率。校验公式为：

式中：—— 初始投入负荷额定功率之和，kW；

—— 启动负荷的启动电流倍数，可取 5.0；

—— 启动负荷的启动功率因数，可取 0.4。

经上述修正、校验后，通常情况下陆用固定机组柴油机与发电机功率之比不小于 1.35 :1。

系统设计

柴油发电站一般不与外电源并联运行，柴油发电机组的主断路器应与外电源供电断路器间设置机械和电气联锁，防止柴油发电机组与外电源误并联。应急机组只在外电源失电时向应急负荷供电，大部分重要负荷为提高供电可靠性，除要求两路电源供电外，还要求两路电源在负荷侧进行切换。有关电气系统和电气主接线各类电气书籍已有详细介绍，工程也有成熟做法，本文不赘述。

对输出电压 6.3 kV 以上柴油发电机组，为减轻因发电机断路器三相不同期合 / 分而产生负序电流对发电机的影响，发电机断路器的操作方式是三相联动。断路器三相联动的操作机构分为电气联动和机械联动两种，为提高三相联动的可靠性，发电机断路器宜选用机械三相联动操作机构。在校核发电机断路器开断能力时，应分别校核系统源和发电源在主弧触头分离时对称短路电流值、非对称短路电流值及非对称短路电流的直流分量值。由于发电机断路器临近发电机，短路时交流分量衰减较快，直流分量衰减较慢，其衰减时间常数 τ 可能大于60 ms，导致短路电流在几个周波内都不过零，从而使发电机回路短路电流的直流分量远其他地点短路电流的直流分量。因此，选择中压 6.3 kV 级以上发电机出口断路器时，校验断路器的直流分断能力。