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柴油發電機功率選擇計算公式 |
摘要:柴油發電機組是指由柴油機作為動力進行發電的設備,很多情況下用戶不清楚柴油機功率無法代替發電機功率的,因為柴油機使用時候有功率損耗這一說。其實功率因素0.8是行業中公認的計算比例,意味著100kw柴油機在安裝到機組中作為動力的時候,大約能發電輸出功率為80kw,而一部分動能因為帶動發電機消耗掉了。因此,我們在選擇柴油發電機組的時候應該以發電機額定功率為設備基本容量,而不能以柴油機功率為基準,柴油機功率僅僅用于在選購過程中的一項評價指標。
例如:某些非授權經銷商會把柴油機功率作為發電機組功率來誤導用戶,柴油機100kw就能發電100kw這樣的機器是不存在的,作為備用電源,柴油機也是有備用功率的,最大負載下柴油機無法長時間運轉,通常只能用1小時,所以發電機組有了1小時功率與12小時功率的說法。不管您是備用還是常用,柴油機功率肯定是大于發電機的(通常行業準則中比例為10~20%),只要有足夠的功率,發電機才能負載運轉。
一、設計安裝規范
安裝發電機組前,我們要根據安裝規范來設計如何安裝。
(1)機房建筑應獲得批準;
(2)機組的功率應符合環保報建及環境影響;
(3)對以下方面作出控制,符合相應規范:
● 機房燃油符合相應規范(GB50045-95);
● 機組噪聲符合《城市區域環境噪聲標準》(GB3096-93)、《工業企業廠界噪聲標準》(GB12348-90);
● 機組尾氣排放符合《大氣污染物排放標準》(GB44-27-2001);
● 電氣安裝符合《國家電氣安裝規范》(GB50055-93/JGT16-92);
二、發電機組選型及設計
康明斯可以使用具有專業的計算軟件以幫助客戶進行正確的發電機組選型,有關該軟件的詳細信息請與康明斯當地代理聯系取得。為了更好地理解軟件里所使用的公式、計算及一些相關聯的因素,請了解以下一些在發電機選型時必須考慮的內容:
1、計算公式
一臺發電機組是由發動機和發電機組成的,然而由于其各自的性能和特性的不同,所以在成套發電機組后,把它們作為一個系統來整體考慮是非常有必要的。其公式如下:
● 負載因素=%時間百分比x%負載百分比
● %時間百分比=在某一負載下運行的時間/總的運行時間
● %負載百分比=某一實際負載/發電機組額定功率
● 總的負載因素=Ppa/P
舉例:對于一臺備用額定功率1000kw的發電機組(即P=1000),在連續運行的24小時內,800kw運行機了13小時,900kw運行了1小時,1000kw運行了1小時,500kw時運行了6小時,300kw時運行了3小時。
根據以上公式可以算出這24小時內的總負載因素為:L.F.=(800*13+900*1+1000*1+500*6+300*3)/(24*1000)=67.5%
2、功率定義
康明斯發電機組的功率分為備用功率、常用功率和連續功率。定義如下:
(1)Standby Power(備用功率)
● 每年運行時間不超過500小時
● 在一定的運行周期內,發電機組的負載是變化的,可連續運行12小時
● 不能超載運行和不能與市電并網運行
典型應用:建筑物的備用電源(如上述例題中所述的運行工況)
(2)Prime Power(常用功率)
● 無運行時間的限制(可以按每年24*365小時計算)
● 在全部的運行周期內,發電機組的負載是變化的,并且總的負載因素不超過70%每運行12小時允許超載10%運行1小時
典型應用:與電網并聯運行調峰、熱電聯產等
(3)Continuous Power(連續功率)
●無運行時間的限制(可以按每年24*365小時計算)
●在100%恒定負載不限小時數連續運行,或者在變化的負載下運行,總的負載因素70-100%。
典型應用:發電站及與電網并聯運行、基載運行模式、熱電聯產等
在進行發電機組選型及計算時,必須清楚地了解發電機組的實際應用及可能的運行負載狀況,正確選擇按以上功率定義的發電機組。
3、功率修正
現場環境條件對發電機組輸出功率的影響
(1)海拔
當海拔高度超過1000m時,每超過100m將會使功率下降1%。具體有關的修正值請與Cummins代理聯系。
(2)環境溫度
當發電機的進風溫度超過40°C時需要對輸出功率進行修正。
鹽霧或其它腐蝕性的元素會破壞發電機繞組的絕緣而引起發電機的故障,在這種環境下工作的發電機在制造時需要對繞組進行特別防護。
(3)濕度
除非發電機完全密封,否則潮濕的空氣會在發電機上凝結露水,運行中的發電機組由于機器溫度的升高和空氣的流通可以避免凝結水的形成。當在高濕度的環境情況下,當機器處于停機狀態時,建議在發電機上加裝一個防潮加熱器以使溫度高出環境溫度5℃。
(4)灰塵
通過冷卻風扇帶入的灰塵(如鐵屑、沙子等)會傷害到發電機,造成短路。同時這些灰塵堆積到一起也容易吸收空氣中的水份而使發電機受潮。如果發電機在這種環境中工作,通常需用加裝發電機的進風過濾裝置,制造廠可以提供這些裝置供選擇。
4、發電機組的性能要求
(1)瞬態響應能力(如圖1)
任何時候,當對在穩態運行中的發電機組進行加載或卸載時,發動機的轉速、電壓和頻率都會發生一個瞬時的變化,然后又恢復到穩態運行狀態。這種變化的幅度取決于瞬時加載的有功和無功功率大小,同時也與發電機電壓調節器的設定、發電機的總容量、動態特性、系統中其它負載性質有關。一般的工業應用可以接受30%的瞬態電壓降,但有些敏感性的負載只可接受比較小的瞬態電壓降(如UPS,醫療設備,變速器等)。
圖1 柴油發電機組瞬態響應能力 |
(2)瞬態響應的標準
不同的國家具有不同的此類標準,有些行業可能要求發電機組能接受一步加載100%的能力。ISO8528-5規定了瞬態反應的標準,共分4個性能等級,如下表:
性能等級
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說明
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主要應用
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頻率范圍
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頻率抑制比
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電壓范圍
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電壓抑制比
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恢復時間
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G1
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只需滿足基本的電壓和頻率參數
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照明和一般的電力負載
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-15%
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18%
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-25%
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35%
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5秒
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G2
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一般的商業電力系統對電壓會有一些較高的要求,當負載變化時,短暫的電壓和頻率波動是可以接受的。
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照明系統、泵、風扇、升降機
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-10%
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12%
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-20%
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30%
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5秒
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G3
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負載對電壓、頻率、波型有嚴格的要求
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通信設備
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-7%
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10%
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-15%
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25%
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3秒
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G4
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負載對電壓、頻率、波形有非常高的要求
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數據處理和計算機系統
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AMC
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AMC
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AMC
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AMC
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AMC
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在發電機組選型時,必須考慮加載過程及其瞬態的響應能力,大多數的渦輪增壓帶中冷卻器的四沖程發動機都不能接受一步突加100%的負載,所以請確保所選擇的發電機組能滿足實際應用中負載的需求,圖2所示是ISO528-5-G3要求的發電機組加載能力,根據發動機的BMEP及現場的負載大小可得知加載的步驟和次數。
圖2 柴油發電機組加載能力曲線圖 |
注:當系統可承受的瞬態頻率和電壓降沒有特別要求或符合NFPA 110標準時,康明斯發電機組可承受100%負載一次投入。
首先,通過TMI找到發動機的BMEP(Brake Mean Effective Pressure)值,單位為Bar或Psi如果負載的大小位于“First Load Step”曲線以下,則可以一步完成這個加載過程。例如:1000kw的發動機的BMEP為16.42Bar,可以查到發動機可以一步加載的最大功率為50%左右的額定功率(即500kw),瞬態的電壓、頻率變化和恢復時間等參數符合ISO8528-5 G3的要求。
(3)電壓調節
電壓調節器是決定電壓/頻率變化和恢復時間的一個重要部件。在當負載增加時來維持發電機電壓于一個恒定的值。
(4)10秒啟動
對于非并聯運行的發電機組,在接到啟動信號后,要在10秒內完成啟動并達到額定的轉速,同時具備帶負載的條件,必須做到如下:
① 啟動蓄電池必須有足夠大的容量并且處于完全充滿電的狀態。
注:不同的環境溫度可能會需要不同的蓄電池規格。
② 如果是空氣啟動方式,則必須具有足夠的壓縮空氣和最小100psi(689.5kPa)的壓力2.燃燒空氣進氣溫度至少應為21°C(70°F)。
③ 缸套水加熱器必須保持缸套水溫在32°C(90°F)以上。
④ 清潔的燃料已經準備妥當。
⑤ 發電機的轉動慣量沒有超過標準的康明斯發電機的要求。
三、負載分析
1、負載的類型
(1)線性負載
線性負載是指電流和電壓加上負載后波型呈正弦波,包括:
① 白熾燈
② 電阻加熱器
③ 電動機
④ 同步電動機
⑤ 電磁設備
⑥ 變壓器(非飽和狀態)
(2)非線性負載
電流和電壓的波型為非正弦波的負載為非線性負載,主要包括:
① 可控硅整流系統(如圖3)
◇ SCR系統應用于直流馬達,交流變頻驅動(VFD)等,通常SCR系統需要大容量的發電機,直流馬達的速度變化會引起發電機輸出功率因數的變化。
◇ 當發電機的功率因數在0.6~0.7的時候會提供更大的電流。
◇ 成型繞組的線圈可以提供更高的機械支撐強度,以承受由于SCR負載引起的浪涌電流對線圈的沖擊,并且較低的發電機溫升也可補償由于SCR負載產生的熱量。
◇ 由于發電機組是一個有限容量的電源,SCR會引起發電機的電壓和電流波形失真嚴重,電流的波形失真會引起系統設備的諧波共振,并使馬達和發電機的線圈發熱。
◇ 當系統計劃使用SCR設備時,必須讓制造廠知道使用的電源是有限容量的發電機組。
◇ 當SCR負載容量不超過康明斯發電機組容量的66%時,可確保發電機組正常運行和避免由于諧波使發電機過熱。
圖3 發電機可控硅整流系統 |
② UPS
◇ UPS能在電力中斷時提供其儲存的電力,發電機的大小必須滿足UPS的容量,而不是UPS所帶的負載容量。
◇ 對于6脈沖整流器需選用80度溫升的連續功率的發電機,并需更好一級的電壓調節器。
◇ 對于12脈沖整流器需選用105度溫升的連續功率的發電機和H級絕緣。
◇ 發電機和UPS供應商的協調對確保系統的穩定運行是非常必要的。
◇ 通常UPS的功率因數為0.9左右,在計算發電機組的功率時一般的計算為:
◇ 對于6脈沖的UPS負載,發電機組功率=UPS功率(KVA)*0.9*1.6。
◇ 對于12脈沖的UPS負載,發電機組功率=UPS功率(KVA)*0.9*1.4。
③ 電焊負載
◇ 電焊機會引起發電機的電流變化不穩定,這種電流的波動會使電壓波形失真(如圖4所示),當使用電焊負載時可能需要對發電機的功率做較大的修正。
圖4 發電機電流波形失真狀態圖 |
圖5 發電機電流波形失真補償或修正 |
2、非線性負載和2/3繞組節距
非線性負載會產生諧波電流而引起發電機的波型畸變,單相的非線性負載通常會產生較高的三次諧波電流,從而引起較高的對地電流。2/3節距的發電機由于低的零序電抗,可以減少電壓的波形畸變。
3、發電機組電壓選擇
電壓等級:
(1)低壓:600V以下(功率小于800KVA)
(2)中壓:601~5000V(5~10MVA)
(3)高壓:5001~15000V(大于1MVA)
4、負載的功率因數
(1)一般的發電機組設計上并沒有考慮應用于功率因數超前的負載情況,但這種情況也比較少。
(2)在進行遠距離送電時,在線路和地之間會有一容性負載產生,如圖6所示。
(3)這些電容性的負載與線路電壓、傳輸距離、架空線高度等因素有關、適當增加一些補償電抗可以解決這一問題。
圖6 柴油發電機組電容性負載圖示 |
5、單相負載
(1)如果單相負載加于一個三相發電機上,除非平均分配這一單相負載于每相上,否則會引起發電機三相電壓的不平衡,當三相電壓的不平衡度超過2%時,可能對一些要求特別高的負載會有一些影響,或者使正在滿負載運行的馬達容易過熱。
(2)當有不平衡負載加載于三相發電機組上時,請確保每相的總電流值不超過其額定值。
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