医疗建筑中柴油发电机组设计探讨

周 翔

(四川省建筑设计研究院，成都 610017)

0 引言

柴油发电机组作为重要的应急(备用)电源类型在各类项目中被广泛采用。因其具有设置数量多、设计容量大、带负载类型复杂等特点，在医疗建筑电气设计中，不仅需要对柴油发电机进行正确合理的选型，还要结合医疗建筑的特点，注重柴油发电机组与环境的协调，为医疗设备和机组本身全生命周期使用和运维提供可持续的条件。本文对柴油发电机组在医疗建筑中设计要点进行探讨，为柴油发电机组的正确选用提供借鉴。

1 柴油发电机组的设计规定

1.1 柴油发电机组设计的一般规定

柴油发电机组作为应急电源和备用电源在相关电气设计规范中的规定如下。

JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》中规定：为保证一级负荷中特别重要的负荷供电或用电负荷为一级负荷，但从市电取得第二电源困难或技术经济不合理时宜设自备应急柴油发电机组。

GB 50052-2009《供配电系统设计规范》第3.0.3条规定：一级负荷中特别重要的负荷除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。而独立于正常电源的发电机组可作为应急电源。

1.2 医疗建筑中柴油发电机组的设计规定

JGJ 312-2013《医疗建筑电气设计规范》第4.4.1条规定：三级医院应设置应急柴油发电机组；二级医院宜设置应急柴油发电机组。第3.0.3条规定：备用电源供电维持时间应符合当要求恢复供电时间小于或等于0.5s时，自备备用电源供电维持时间不应小于3h。其他备用电源供电维持时间不宜小于24h。

不同医疗场所的用电设备在工作电源中断或供电电压骤降10%及以上且持续时间超过3s时，备用电源要按照规定的切换时间投入。医疗建筑中对医疗场所进行了划分，不同医疗场所中断供电要求自动恢复供电的时间和电源解决方案如下。

(1) t≤0.5s：采用不间断电源装置(UPS)与柴油发电机电源组合供电。

(2) 0.5s≤t≤15s：采用15s内快速启动的柴油发电机组供电。

(3) t>15s：采用柴油发电机组或市政电源供电。

1.3 医疗建筑中应急电源和备用电源的设计原则

按照JGJ 312-2013《医疗建筑电气设计规范》的规定，医院是否设置应急电源柴油发电机组是以医院的等级为条件，且不同的条文中又提到备用电源供电持续时间的问题。医疗建筑中有大量一级负荷中特别重要的负荷、一级负荷和二级负荷，针对医疗建筑中柴油发电机组作为应急电源还是备用电源的问题，笔者认为，应按照GB 50052-2009《供配电系统设计规范》的规定，为一级负荷中特别重要负荷供电的柴油发电机组作为应急电源，为一、二级负荷供电的柴油发电机组作为备用电源。

对于新建的、有一定规模的医院，一般柴油发电机组的设置不止一台，此时可将一级负荷中特别重要的负荷接入应急电源柴油发电机组，将一、二级负荷和医院根据使用要求明确要保障的负荷接入备用电源柴油发电机组，这样就做到了应急电源供电系统和备用电源供电系统的独立设置。对于规模较小的医院，可能存在设置一台柴油发电机组合并设置应急电源和备用电源的情况，笔者建议，在变压器低压配电系统设计时将一级负荷中特别重要的负荷和一、二级分别设置保障母线段，柴油发电机组电源与市电在不同的母线段切换后为相应负荷等级的设备提供应急(备用)电源。医院常见10kV/0.4kV高低压配电系统与应急(备用)电源系统主接线见图1。

2 医疗建筑中柴油发电机组容量和性能等级选择

柴油发电机组的功率定额是指在额定频率，功率因数cosφ为0.8(滞后)时用kW表示的功率。

柴油发电机组的功率定额种类分为：持续功率(COP)、基本功率(PRP)、限时运行功率(LTP)、应急备用功率(ESP)。发电机各种功率定额见表1。

发电机功率定额表 表1

图1 应急电源系统接线示意图

持续功率(COP)为柴油发电机组的基础功率，医疗建筑中的负载通常为可变负载，柴油发电机组作为应急(备用)电源保障医院的诊疗和疏散时间一般为3～24h，所以柴油发电机组建议采用基本功率(PRP)作为常用功率、应急备用功率(ESP)作为备用功率。

当选择了发电机组的常用功率后，发电机组是可以短时过载运行的。这是因为发动机—“柴油机连续运行12h”可以允许超过12h功率10%的情况下运行1h，所以发电机组常用功率每12h也可以允许过载10%运行1h。发电机组备用功率在连续工作时需下调10%的功率运行也是根据柴油机持续功率的运行特点决定的。

2.1 柴油发电机组的性能等级

柴油发电机组的性能等级分为G1～G4级，医疗建筑中除了民用建筑中常见的照明、风机、水泵、电梯、空调等负载外，还有大量的UPS电源设备，含有整流电路的大型医疗设备如X光机、DR、CT、核磁共振等。这类设备对电源输出电压、频率、波形有严格的要求，电能质量的好坏不仅影响设备是否正常运行，医学影像设备的图像质量也和电能质量密切相关。因此医疗建筑中应选择性能等级为G3级及以上的柴油发电机组。柴油发电机组的性能等级见表2。

柴油发电机组性能等级 表2

柴油发电机组详细的性能等级及运行限值可以查阅GB/T 2820.5-2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组》的相关规定。当发电机组某个性能等级的所有限值都满足时，才能选择该性能等级。

2.2 柴油发电机组容量选择

医疗建筑中柴油发电机组的选择应根据应急负荷的大小和投入顺序以及单台电动机最大启动容量等因数综合考虑。

(1)作为应急电源的柴油发电机组应统计医疗建筑中一级负荷中特别重要负荷的计算负荷，按照稳定负荷计算发电机组的容量。

(2)如果应急电源和备用电源合并设置，应比较消防负荷和保障负荷的大小，按照容量大的负荷进行选择。

(3)根据现行GB 50084-2017《自动喷水灭火系统设计规范》，医疗建筑中喷淋泵的功率一般较大，给排水专业根据泵的功率通常设计一用一备或两用一备的运行组合方式，这时柴油发电机的容量选择应按单台电动机或成组电动机的启动需要进行计算。工程设计中要限制发电机组的容量，功率较大的电动机通常选用降压启动的方式，在选择了启动方式降低电动机启动倍数的同时，应注意兼顾电动机的启动转矩，电动机的启动转矩和电压的平方成正比，因此应合理选择电动机的启动方式。

(4)如果设备中有大容量的负荷启动时，还应按照设备允许的电压降计算柴油发电机的容量。医疗建筑中医技科室有大量的大型医疗设备如MRI、CT、DSA、直线加速器(LA)、SPECT、PET-CT等。上述设备正常待机时功率很低，工作时才会产生瞬间的大电流，电源内阻和线路阻抗直接影响电压降，因此在接入发电机电源时，应按照设备要求的电源容量进行发电机组容量的选择。市电作为电源时，电压降趋于恒定；发电机组作为电源时，电压降更深，变动更大一些。医疗建筑中发电机组容量一般大于大型医疗设备最大瞬时负荷容量的2.5倍时，可以获得合格的影像图像质量。

(5)柴油发电机组的容量选择还应注意与建筑外观和医院环境协调统一。容量大的机组送、排风井道及地面风口百叶面积较大，在设计时应结合土建条件，减小对建筑立面和室外景观的影响。

3 柴油发电机组与负载的匹配

相比于普通的民用建筑，医疗建筑的负载类型多且相对复杂，有电热水器、电加热设备等电阻负载，也有各类风机、水泵、空调等电感负载，还有大量属于电容负载的IT设备和UPS电源等。柴油发电机电源与负载类型的匹配直接影响着各类重要设备的可靠和稳定运行。

3.1 负载类型对发电机端电压的影响

分析负载类型对发电机端电压的影响，是调节励磁电流使空载电压为额定值，然后保持励磁电流不变，给发电机分别带上不同类型的负载，观察发电机组端电压随着负载电流的变化情况。发电机等效电路详见图2。

根据等效电路可知：

(1)

图2 发电机等效电路图

图3 电阻负载下电动势相量图

图4 电感负载下电动势相量图

图5 电容负载下电动势相量图

电容负载时产生了较高的发电机输出端电压U，此时必须通过电压调节器减小励磁电流来进行调节。实际上，电压调节器可能没有足够的范围完全调节输出电压，发电机的转子在一个方向连续励磁含有永久磁场，即使电压调节器全关，转子仍有足够的磁场对电容负载充电并产生电压，这就产生了发电机组的“自激”现象，可能导致负载设备损坏或发电机保护设备跳闸，造成发电机组停机。

3.2 医疗建筑中电容负载源及发电机组的选择

医疗建筑中电容负载的主要来源为带有输入滤波器的轻载UPS电源设备。医疗建筑中应用UPS电源的场所如下。

(1)1类医疗场所：血液病房的净化室、产房、烧伤病房；血液透析室；术前准备室、术后复苏室、麻醉室。

(2)2类医疗场所：急诊抢救室；重症监护室、早产儿室；手术室；心血管造影检查室。

(3)医院信息中心数据机房及智能化系统管理机房等。

(4)笔者查阅相关论文，医疗建筑中大型医疗设备(如直线加速器(LA)、MRI、CT、DSA、DR等)也会采用UPS电源进行电能质量的改善和治理。

对于医疗建筑中大量的电容负载，发电机最多可以承担其额定无功功率容量10%的负载。在负载接入发电机电源时，按先投入功率因数滞后负载，再投入功率因数超前负载的顺序，有助于提高发电机组运行的稳定性。在医院设置多台发电机组的条件下，应尽量将电容性负载分散接入到不同的发电机组上。当仅有一台发电机时，应着重关注UPS电源与发电机电源的兼容性问题，当厂商技术不能解决时，可采取增大发电机组容量的措施。另外，UPS电源应尽量选择12脉冲整流器技术的设备。

3.3 非线性负载对发电机组的影响及发电机组的选择

随着医院规模越来越大，大型医疗设备的应用越来越广泛。各类变频电机、精密空调器、不间断UPS电源、MRI、CT、DSA等大型医疗设备，这些非线性负载在发电机容量中占有的比例越来越大，在进行发电机组容量选型时应给予考虑。

非线性负载对发电机组的影响主要表现在其产生的高次谐波造成的危害。由于谐波电流的产生，会导致反常的导体发热，损坏发电机组的绕组，励磁回路和自动电压调节器AVR。谐波电流会导致发电机组输出电压和频率失真，影响对电能质量较为敏感设备的正常运行。为降低非线性负载对发电机组的影响，正确选择发电机组类型、容量和运行方式非常重要。

(1)选择合适的发电机励磁系统。新型发电机组多采用无刷励磁方式，设计时应尽可能选择永磁式励磁交流发电机(PMG)。由于PMG系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定励磁源，对于非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变有更强的抗干扰性。

(2)选用同步电机自身绕组结构对谐波电流有抑制的产品。目前发电机产品中不同定子节距设计对不同次谐波具有抑制作用。例如2/3节距定子绕组的产品对3次及3的倍数次谐波作用明显。

(3)对于UPS电源负载，当输入端带有滤波器，末端负载较小时，应减少滤波器的使用或将其关闭。

(4)正确选用发电机组的容量。对于非线性负载容量较大且只有一台发电机时，建议负载容量在机组输出功率的60%左右为宜。当有多台发电机组选择时，可将非线性负载分别设计在不同的柴油发电机上，减小非线性负载对单台发电机带来的影响。医疗建筑中设置多台发电机组时，不能一味强调将大容量机组拆分成两台小容量机组并机使用，换来所谓“运行的经济性”。当所带非线性负载容量较大时，大容量机组更利于电源系统在谐波环境下的运行。

(5)发电机输出的有功功率跟柴油机的输出功率相关，详见式(2)。

Pjz=PG/ηmηG

(2)

式中，Pjz为柴油机的功率，kW；PG为发电机输出的有功功率；ηm为传动效率，跟柴油机与发电机连接传动方式有关；ηG为发电机的效率，由制造商提供。

柴油发动机的动力决定发电机组输出的有功功率即带负载能力，而视在功率取决于发电机组的容量。医疗建筑中负荷的不同工作制及分时运行的特点，负载通常不会满负荷运行，因此可以尝试在不增加柴油发动机功率的情况下，匹配容量大的发电机，提升发电机组带非线性负载的能力。

3.4 突加负载对柴油发电机组的影响

突加负载的影响主要表现在发电机组启动到投入供电初期的阶段。当发电机的电压和频率符合要求后，虽然可以向负荷供电，但是由于发电机此时还处于冷机状态，热效率不高，此时还不能输出额定功率，所以接入的负载不能很大。否则，会导致柴油机减速，致使第一次启动失败。图6为某柴油发电机组启动及供电特性曲线。

图6 柴油发电机组启动及供电特性曲线

负荷的投入量过大也会造成发电机输出电压和频率的骤降，负荷投入量和时间间隔应根据柴油发电机组启动及供电特性曲线确定，这些资料一般由设备制造商提供。

对于额定功率不大于250kW的柴油发电机，首次加载量不小于50%额定负载。大于250kW时，按照产品技术条件规定执行。

由于突加负载的影响，在有条件时适当增大发电机组的容量，提高首次加载负载的能力。另外，在进行低压配电系统设计时，建议发电机每回路的负荷容量不宜过大，末端所带的负载类型不宜过于单一。除消防负荷外，发电机电源回路与低压配电系统应急(备用)母线段之间的双电源转换开关在切换时间时设置一定时限的延时，确保负荷逐一、分级地切换接入柴油发电机电源系统。

4 结束语