醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機組設(shè)計選型要點

0引言柴油發(fā)電機組作為重要的應急(備用)電源類型在各類項目中被廣泛采用。因其具有設(shè)置數(shù)量多?設(shè)計容量大?帶負載類型復雜等特點，在醫(yī)療建筑電氣設(shè)計中，不僅需要對柴油發(fā)電機進行正確合理的選型，還要結(jié)合醫(yī)療建筑的特點，注重柴油發(fā)電機組與環(huán)境的協(xié)調(diào)，為醫(yī)療設(shè)備和機組本身全生命周期使用和運維提供可持續(xù)的條件。本文對柴油發(fā)電機組在醫(yī)療建筑中設(shè)計要點進行探討，為柴油發(fā)電機組的正確選用提供借鑒。1

柴油發(fā)電機組的設(shè)計規(guī)定1.1

柴油發(fā)電機組設(shè)計的一般規(guī)定柴油發(fā)電機組作為應急電源和備用電源在相關(guān)電氣設(shè)計規(guī)范中的規(guī)定如下。

JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：為保證一級負荷中特別重要的負荷供電或用電負荷為一級負荷，但從市電取得第二電源困難或技術(shù)經(jīng)濟不合理時宜設(shè)自備應急柴油發(fā)電機組。

GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第3.0.3條規(guī)定：一級負荷中特別重要的負荷除應由雙重電源供電外，尚應增設(shè)應急電源，并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統(tǒng)。而獨立于正常電源的發(fā)電機組可作為應急電源。1.2醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機組的設(shè)計規(guī)定JGJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第4.4.1條規(guī)定：三級醫(yī)院應設(shè)置應急柴油發(fā)電機組；二級醫(yī)院宜設(shè)置應急柴油發(fā)電機組。第3.0.3條規(guī)定：備用電源供電維持時間應符合當要求恢復供電時間小于或等于0.5s時，自備備用電源供電維持時間不應小于3h。其他備用電源供電維持時間不宜小于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)時間超過3s時，備用電源要按照規(guī)定的切換時間投入。醫(yī)療建筑中對醫(yī)療場所進行了劃分，不同醫(yī)療場所中斷供電要求自動恢復供電的時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)電機組供電。

(3)t>15s：采用柴油發(fā)電機組或市政電源供電。1.3

醫(yī)療建筑中應急電源和備用電源的設(shè)計原則按照JGJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，醫(yī)院是否設(shè)置應急電源柴油發(fā)電機組是以醫(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)時間的問題。醫(yī)療建筑中有大量一級負荷中特別重要的負荷?一級負荷和二級負荷，針對醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機組作為應急電源還是備用電源的問題，筆者認為，應按照GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，為一級負荷中特別重要負荷供電的柴油發(fā)電機組作為應急電源，為一?二級負荷供電的柴油發(fā)電機組作為備用電源。

對于新建的?有一定規(guī)模的醫(yī)院，一般柴油發(fā)電機組的設(shè)置不止一臺，此時可將一級負荷中特別重要的負荷接入應急電源柴油發(fā)電機組，將一?二級負荷和醫(yī)院根據(jù)使用要求明確要保障的負荷接入備用電源柴油發(fā)電機組，這樣就做到了應急電源供電系統(tǒng)和備用電源供電系統(tǒng)的獨立設(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)電機組合并設(shè)置應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)計時將一級負荷中特別重要的負荷和一?二級分別設(shè)置保障母線段，柴油發(fā)電機組電源與市電在不同的母線段切換后為相應負荷等級的設(shè)備提供應急(備用)電源。醫(yī)院常見10kV/0.4kV高低壓配電系統(tǒng)與應急(備用)電源系統(tǒng)主接線見圖1。

2

醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機組容量和性能等級選擇柴油發(fā)電機組的功率定額是指在額定頻率，功率因數(shù)cosφ為0.8(滯后)時用kW表示的功率。

柴油發(fā)電機組的功率定額種類分為：持續(xù)功率(COP)?基本功率(PRP)?限時運行功率(LTP)?應急備用功率(ESP)。發(fā)電機各種功率定額見表1。持續(xù)功率(COP)為柴油發(fā)電機組的基礎(chǔ)功率，醫(yī)療建筑中的負載通常為可變負載，柴油發(fā)電機組作為應急(備用)電源保障醫(yī)院的診療和疏散時間一般為3~24h，所以柴油發(fā)電機組建議采用基本功率(PRP)作為常用功率?應急備用功率(ESP)作為備用功率。

當選擇了發(fā)電機組的常用功率后，發(fā)電機組是可以短時過載運行的。這是因為發(fā)動機—“柴油機連續(xù)運行12h”可以允許超過12h功率10%的情況下運行1h，所以發(fā)電機組常用功率每12h也可以允許過載10%運行1h。發(fā)電機組備用功率在連續(xù)工作時需下調(diào)10%的功率運行也是根據(jù)柴油機持續(xù)功率的運行特點決定的。2.1柴油發(fā)電機組的性能等級

柴油發(fā)電機組的性能等級分為G1~G4級，醫(yī)療建筑中除了民用建筑中常見的照明?風機?水泵?電梯?空調(diào)等負載外，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?DR?CT?核磁共振等。這類設(shè)備對電源輸出電壓?頻率?波形有嚴格的要求，電能質(zhì)量的好壞不僅影響設(shè)備是否正常運行，醫(yī)學影像設(shè)備的圖像質(zhì)量也和電能質(zhì)量密切相關(guān)。因此醫(yī)療建筑中應選擇性能等級為G3級及以上的柴油發(fā)電機組。柴油發(fā)電機組的性能等級見表2。柴油發(fā)電機組詳細的性能等級及運行限值可以查閱GB/T28205-2009《往復式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組》的相關(guān)規(guī)定。當發(fā)電機組某個性能等級的所有限值都滿足時，才能選擇該性能等級。

2.2柴油發(fā)電機組容量選擇

醫(yī)療建筑中柴油發(fā)電機組的選擇應根據(jù)應急負荷的大小和投入順序以及單臺電動機最大啟動容量等因數(shù)綜合考慮。

(1)作為應急電源的柴油發(fā)電機組應統(tǒng)計醫(yī)療建筑中一級負荷中特別重要負荷的計算負荷，按照穩(wěn)定負荷計算發(fā)電機組的容量。

(2)如果應急電源和備用電源合并設(shè)置，應比較消防負荷和保障負荷的大小，按照容量大的負荷進行選擇。

(3)根據(jù)現(xiàn)行GB50084-2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(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)計一用一備或兩用一備的運行組合方式，這時柴油發(fā)電機的容量選擇應按單臺電動機或成組電動機的啟動需要進行計算。工程設(shè)計中要限制發(fā)電機組的容量，功率較大的電動機通常選用降壓啟動的方式，在選擇了啟動方式降低電動機啟動倍數(shù)的同時，應注意兼顧電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，電動機的啟動轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比，因此應合理選擇電動機的啟動方式。

(4)如果設(shè)備中有大容量的負荷啟動時，還應按照設(shè)備允許的電壓降計算柴油發(fā)電機的容量。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)備正常待機時功率很低，工作時才會產(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)電機電源時，應按照設(shè)備要求的電源容量進行發(fā)電機組容量的選擇。市電作為電源時，電壓降趨于恒定；發(fā)電機組作為電源時，電壓降更深，變動更大一些。醫(yī)療建筑中發(fā)電機組容量一般大于大型醫(yī)療設(shè)備最大瞬時負荷容量的2.5倍時，可以獲得合格的影像圖像質(zhì)量。

(5)柴油發(fā)電機組的容量選擇還應注意與建筑外觀和醫(yī)院環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。容量大的機組送?排風井道及地面風口百葉面積較大，在設(shè)計時應結(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)電機組與負載的匹配相比于普通的民用建筑，醫(yī)療建筑的負載類型多且相對復雜，有電熱水器?電加熱設(shè)備等電阻負載，也有各類風機?水泵?空調(diào)等電感負載，還有大量屬于電容負載的IT設(shè)備和UPS電源等。柴油發(fā)電機電源與負載類型的匹配直接影響著各類重要設(shè)備的可靠和穩(wěn)定運行。

3.1負載類型對發(fā)電機端電壓的影響

分析負載類型對發(fā)電機端電壓的影響，是調(diào)節(jié)勵磁電流使空載電壓為額定值，然后保持勵磁電流不變，給發(fā)電機分別帶上不同類型的負載，觀察發(fā)電機組端電壓隨著負載電流的變化情況。發(fā)電機等效電路詳見圖2。根據(jù)等效電路可知：

電阻負載時，負載電流I和端電壓U同相，但由于電機本身是電感性的(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，所以電樞反應起去磁作用，端電壓U小于空載電動勢E0。電阻負載下電動勢相量圖詳見圖３。電感負載時(功率因數(shù)滯后)，負載電流I滯后于電壓U90o電角度，從相量圖可以看出，端電壓U比電阻負載時下降幅度更大，在這種情況下，電樞反應磁動勢起完全去磁作用。電感負載下電動勢相量圖詳見圖4。電容負載時(功率因數(shù)超前)，負載電流I超前于電壓U90o電角度，從相量圖可以看出，帶負載后，端電壓U比空載電動勢E0升高了，這種情況下，電樞反應磁動勢起增磁作用。電容負載下電動勢相量圖詳見圖5。電容負載時產(chǎn)生了較高的發(fā)電機輸出端電壓U，此時必須通過電壓調(diào)節(jié)器減小勵磁電流來進行調(diào)節(jié)。實際上，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)電機的轉(zhuǎn)子在一個方向連續(xù)勵磁含有永久磁場，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載充電并產(chǎn)生電壓，這就產(chǎn)生了發(fā)電機組的“自激”現(xiàn)象，可能導致負載設(shè)備損壞或發(fā)電機保護設(shè)備跳閘，造成發(fā)電機組停機。

3.2醫(yī)療建筑中電容負載源及發(fā)電機組的選擇

醫(yī)療建筑中電容負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)前準備室?術(shù)后復蘇室?麻醉室。

(2)2類醫(yī)療場所：急診搶救室；重癥監(jiān)護室?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)機房及智能化系統(tǒng)管理機房等。

(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載，發(fā)電機最多可以承擔其額定無功功率容量10%的負載。在負載接入發(fā)電機電源時，按先投入功率因數(shù)滯后負載，再投入功率因數(shù)超前負載的順序，有助于提高發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性。在醫(yī)院設(shè)置多臺發(fā)電機組的條件下，應盡量將電容性負載分散接入到不同的發(fā)電機組上。當僅有一臺發(fā)電機時，應著重關(guān)注UPS電源與發(fā)電機電源的兼容性問題，當廠商技術(shù)不能解決時，可采取增大發(fā)電機組容量的措施。另外，UPS電源應盡量選擇12脈沖整流器技術(shù)的設(shè)備。

3.3非線性負載對發(fā)電機組的影響及發(fā)電機組的選擇

隨著醫(yī)院規(guī)模越來越大，大型醫(yī)療設(shè)備的應用越來越廣泛。各類變頻電機?精密空調(diào)器?不間斷UPS電源?MRI?CT?DSA等大型醫(yī)療設(shè)備，這些非線性負載在發(fā)電機容量中占有的比例越來越大，在進行發(fā)電機組容量選型時應給予考慮。

非線性負載對發(fā)電機組的影響主要表現(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，會導致反常的導體發(fā)熱，損壞發(fā)電機組的繞組，勵磁回路和自動電壓調(diào)節(jié)器AVR。諧波電流會導致發(fā)電機組輸出電壓和頻率失真，影響對電能質(zhì)量較為敏感設(shè)備的正常運行。為降低非線性負載對發(fā)電機組的影響，正確選擇發(fā)電機組類型?容量和運行方式非常重要。

(1)選擇合適的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)?新型發(fā)電機組多采用無刷勵磁方式，設(shè)計時應盡可能選擇永磁式勵磁交流發(fā)電機(PMG)。由于PMG系統(tǒng)提供一個與定子輸出電壓波形畸變及大小無關(guān)的恒定勵磁源，對于非線性負載產(chǎn)生的主機定子輸出電壓的波形畸變有更強的抗干擾性。

(2)選用同步電機自身繞組結(jié)構(gòu)對諧波電流有抑制的產(chǎn)品。目前發(fā)電機產(chǎn)品中不同定子節(jié)距設(shè)計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電源負載，當輸入端帶有濾波器，末端負載較小時，應減少濾波器的使用或?qū)⑵潢P(guān)閉。

(4)正確選用發(fā)電機組的容量。對于非線性負載容量較大且只有一臺發(fā)電機時，建議負載容量在機組輸出功率的60%左右為宜。當有多臺發(fā)電機組選擇時，可將非線性負載分別設(shè)計在不同的柴油發(fā)電機上，減小非線性負載對單臺發(fā)電機帶來的影響。醫(yī)療建筑中設(shè)置多臺發(fā)電機組時，不能一味強調(diào)將大容量機組拆分成兩臺小容量機組并機使用，換來所謂“運行的經(jīng)濟性”。當所帶非線性負載容量較大時，大容量機組更利于電源系統(tǒng)在諧波環(huán)境下的運行。

(5)發(fā)電機輸出的有功功率跟柴油機的輸出功率相關(guān)，詳見式(2)。

式中，Pjz為柴油機的功率，kW；PG為發(fā)電機輸出的有功功率；ηm為傳動效率。跟柴油機與發(fā)電機連接傳動方式有關(guān)；ηG為發(fā)電機的效率。由制造商提供。

柴油發(fā)動機的動力決定發(fā)電機組輸出的有功功率即帶負載能力，而視在功率取決于發(fā)電機組的容量。醫(yī)療建筑中負荷的不同工作制及分時運行的特點，負載通常不會滿負荷運行，因此可以嘗試在不增加柴油發(fā)動機功率的情況下，匹配容量大的發(fā)電機，提升發(fā)電機組帶非線性負載的能力。

3.4突加負載對柴油發(fā)電機組的影響

突加負載的影響主要表現(xiàn)在發(fā)電機組啟動到投入供電初期的階段。當發(fā)電機的電壓和頻率符合要求后，雖然可以向負荷供電，但是由于發(fā)電機此時還處于冷機狀態(tài)，熱效率不高，此時還不能輸出額定功率，所以接入的負載不能很大。否則，會導致柴油機減速，致使第一次啟動失敗。圖6為某柴油發(fā)電機組啟動及供電特性曲線。

負荷的投入量過大也會造成發(fā)電機輸出電壓和頻率的驟降，負荷投入量和時間間隔應根據(jù)柴油發(fā)電機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，首次加載量不小于50%額定負載。大于250kW時，按照產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定執(zhí)行。

由于突加負載的影響，在有條件時適當增大發(fā)電機組的容量，提高首次加載