【导读】针对某大型实验室集群项目，探讨分析智慧机电一体化的设计内容，重点分析水冷式柴油发电机组设计及与空调冷却塔联用技术; 分析了发电机房及配套通风竖井的建筑设计要求，与建筑、结构、设备、电气等各专业的设计协调，涉及噪声、排风、排烟等环保问题; 分析比较了风冷式和水冷式发电机组的技术特点和工程实施难点; 分析了水冷式发电机组的应用条件，采用建筑一体化技术统筹考虑各专业条件，分析了采用空调部分冷负荷冷却塔和柴油发电机冷却塔联用的适用条件; 分析了集装箱式柴油发电机组的特点，有利于节省面积、节省投资、降低设备维护保养费用。柴油发电机在运行的时候，会产生大量的热能，需要冷却工质对柴油机进行降温处理，冷却工质将柴油机的热量带走，同时从柴油机出来的高温冷却工质也需要一种冷却媒介冷却它。一般常用的方法有两种: 一种柴油机风扇对水箱内高温的冷却水冷却，俗称风冷; 另一种是通过水池或冷却塔的水来冷却柴油机内部的冷却水，俗称水冷。水冷可以有效降低机组噪音，一般在天气炎热的地区，气温较高不利于柴油机的散热，从而造成柴油机高温运行; 而水冷则可以有效保证散热量，有利于机组的健康运行。本项目为深圳某大型实验室集群项目，属于高层科研建筑。本项目为数据机房(B 级) 和工艺特级负荷设置2台1500kW/0.4kV和1台800kW/0.4kV柴油发电机组，当市电中断时立即启动，市电恢复后自动切换并延时停机。由于发电机与2台磁悬浮离心冷水机组不同时使用，即发电机开启时可关闭上述2台冷水机组，因此具备共用冷却塔的技术条件。且深圳地区属于炎热地区，冬季不结冰，适宜采用开式冷却塔; 发电机使用频率较低，专门配置冷却塔或空气冷却器将常年闲置，设备长期不运行也不利于其运行安全，同时增加投资、存在浪费资源的嫌疑。离心冷水机组与发电机联用开式冷却塔，在时间搭配、共享资源、设备运维等多方面均有明显优点，一举多得。因此本项目拟采用离心冷水机组与发电机联用开式冷却塔的技术方案，发电机采用水冷式发电机组，冷却水采用板式换热器与机组配套使用。一般民用建筑采用连机式风冷排热型(即空气冷却型) 柴油发电机，室内安装，在运行过程中，机组本体冷却排热系统由风扇直接带走大部分余热，但机组机体、排烟气管道及排烟气消声器还会将大量的余热散入室内。风冷型柴油机主轴风扇驱动空气冷却散热器，散热器进风直接从室内吸取，排风由风管引至室外，这样，机组本体风冷排热系统同时起到了排除室内热空气的作用，从而减少了柴油发电机室排除室内余热所需的排风量。柴油发电机允许工作环境温度一般在5～40℃，且环境温度将直接影响柴油发电机的实际发电功率。因此，为确保机组的效用，规定风冷型柴油发电机室的夏季排除室内余热的排风量按夏季排风温度不超过40℃计算。柴油发电机机房需要设置排出机组热量的专用排风管道、常规通风管道、排烟烟囱，同时设置进风道。柴油发电机组装机负荷较大时，需要较大面积的排风、进风管井，是民用建筑设计中涉及多个专业的设计难点之一，尤其是一线城市核心区大型商用建筑，有时对建筑布局、立面设计带来明显的负面影响，需引起各个专业高度重视。根据国家标准图集《柴油发电机组设计与安装》的数据，本项目需要进风口净面积 40m2 ，一般难以设置完全孔洞式通风口，需要设置进风百叶，进风百叶面积需要80m2，由于紧邻市政街道，建筑专业对立面要求较高，难以满足通风口的技术条件; 另一方面，运行时产生较大的噪音，对周边环境造成一定影响。水冷式柴油机一般配备专用热交换器，柴油机工作时产生的热水从柴油机的出水管流到热交换器，热交换器的冷水冷却柴油机的循环热水，柴油机的循环工质被冷却后重新回到柴油机，并对柴油机进行冷却。热交换器冷却管内的冷水在冷却柴油机的循环热水后水温升高，由冷却塔或散热器进行冷却，冷却后送到热交换器的冷却管，水冷可保证柴油机在85～90℃的最佳水温工作。目前，大部分项目采用远置冷却散热器来冷却排出发电机的大部分热量，冷却散热器可以设置在屋面或其他适宜的室外场所。冷却散热器与柴油发电机组配套使用，便于控制管理，但投资运行费用偏高。冷却可以采用淋水式冷却塔，冷却塔可采用开式或闭式冷却塔; 采用闭式冷却塔有利于维持循环管道内的水质、保护换热器，但闭式冷却塔占地大、造价高、运行费用高。布置平面见图1。(1)优点:风冷发电机组结构简单、故障率低、启动性能好，没有冻裂或过热沸腾危险，利于维护; 风冷发电机组适用于高原、缺水或寒冷的地方，不必考虑加水、沸点、冻结等方面的问题，因受到热负荷和机械负荷限制，功率一般都比较小。 (2)缺点: 风冷式发电机组需要排出所有的散热量和平时通风，进排风口面积是水冷发电机房进排风井道面积的3倍。风冷式发电机组由于安装散热空冷器和巨大的排风管道及接口，需要在现有布置面积基础上增加约30%的面积和足够深度排风井道; 当不能满足风冷式发电机组排风槽有效降噪长度时，运行产生较大的噪声。本项目紧邻市政交通干道，较大的进排风区域和较强的进排风风力会造成声污染和产生安全隐患，噪声可能达不到环保规范要求。1)水冷发电机组柴油机主要是四缸、六缸、十二缸等大机组，机体内部与外部的水循环，通过散热水箱和风扇带走机体内部产生的热量。水冷发电机组以大型发电机组较多，其冷却效果理想，相同的技术参数的电机，水冷的体积小、重量轻、能量密度大、传热性能比较好; 大功率发电机组一般为水冷发电机组。2)机房占地面积较小，进、排风风井面积小; 采用水冷式发电机组，可有效控制运行时机器产生的噪音。水冷发电机组方案在设备保养维护、机组使用寿命、机房操作舒适度(合理的温升、操作空间、噪音等) 等方面大大优于风冷发电机组方案。水冷式发电机组结构复杂，制造难度相对较大，对环境的要求比较多，需要增加热交换器、冷却设备(冷却塔、外置式散热器等) 及管路附件(包括各类阀门、仪表等) 、维护管理成本; 冷却塔或冷却器增加设备投资成本，冷却塔或冷却器布置和管理增加工程难度。2.3 水冷式与风冷式发电机组方案的布置与进排风对比
本项目在现有发电机房布置条件下，风冷式发电机组方案与水冷式发电机组方案布置与进排风对比表见表1。发电机组水冷系统由热交换器、循环水泵组、冷却塔及相关管路、仪表配件等组成，产生的热循环水通过循环泵组加压至裙房屋面，由冷却塔降温至既定温度后循环至发电机组热交换器，从而达到发电机组降温效果。
本项目为数据机房(B级) 和工艺特级负荷设置2台1500kW/0.4kV和1台800kW/0.4kV柴油发电机组，机组处于常备启动状态，当市电中断时立即启动，并在15s内投入正常带负荷运行，当市电恢复后自动切换并延时停机。其中为数据机房供电的2台1500kW 机组并机运行。而本项目空调冷负荷较大，设有4台4922kW(1400RT) 的高压离心冷水机组和2台2110kW(60RT) 的磁悬浮离心冷水机组(简称“小机组”约占设计冷负荷的20%) 。由于项目特点，在停电或其他原因不能正常供电时，“小机组”允许在一定时间内停止运行，可与发电机不同时使用，即发电机开启时可关闭上述2台冷水机组，且柴油发电机组所需的冷却水量与“小机组”的冷却水量有一定的匹配性，“小机组”配套的冷却塔数量和冷却能力完全满足柴油发电机组的需要，因此具备共用冷却塔的技术条件。且深圳地区属于炎热地区，冬季不结冰，自来水硬度较低，约50mg/L，不易结垢，适宜采用开式冷却塔; 发电机使用频率较低，专门配置冷却塔或空气冷却器将常年闲置，设备长期不运行也不利于其运行安全，同时增加投资、存在浪费资源的嫌疑。离心冷水机组与发电机联用开式冷却塔，在时间搭配、共享资源、设备运维等多方面均有明显优点，一举多得。因此本项目拟采用离心冷水机组与发电机联用开式冷却塔的技术方案，发电机采用水冷式发电机组，冷却水采用板式换热器与机组配套使用。经核实，相关柴油发电机组采用冷却塔联用技术可以满足机组的技术要求。
考虑裙房屋面的建筑景观效果，需要控制高度，经过论证选用12台超低噪音冷却塔组合式安装，冷却塔安装于裙房，布置平面见图2。
图2 冷却塔平面布置图
利用装配式机电安装工艺，将柴油发电机组安装在标准集装箱内，可以不占用有效建筑面积，放置室外地面或屋顶即可，排烟、进排风均可在室外就地解决，节省大量排风、进风、排烟等设备管道，大幅度节省投资和运行管理费用，使得集装箱式发电机组为广大用户所接受。发电机组是集装箱式发电设备的核心部分，而集装箱作为发电机组的防护部分，其作用同样很重要，应具有可靠地防雨、防沙、防晒、降噪等功能，寒冷地区应具有一定的保温功能，严寒地区慎重使用。
集装箱式柴油发电机组箱体的内壁可设有吸音消声装置，有效降低噪声; 集装箱体的左右两端设有双开式机组检修门，方便检修; 集装箱体的前后侧壁设有进风电动百叶，保证进排风量; 集装箱体内柴油发动机和发电机的底部设有减震措施; 集装箱体内安装有日用油箱，保证运行时间不低于8小时，可利用油罐车直接加油，不需要专门的油路管道。
本项目如采用集装箱式柴油发电机组，机组的相关参数：装机负荷为两台2000kW; 单台箱体尺寸13×3×3.3m; 单台重量约32t；放置在屋面整体约占用面积100m2；本项目可节省机房面积300m2、节省进排风风道面积120～150m2；节省烟囱、进排风风道、输油管道、储油罐等复杂的设备管道，节省可观的运行管理费用，值得推广应用。典型的集装箱式柴油发电机组外形图见图3。
图3 典型的集装箱式柴油发电机组外形图
柴油发电机组是民用建筑的常用设备，在一般非严寒地区宜优先采用室外集装箱式发电机组，厂区和室外相对宽裕的工程可设在室外地面，也可设置在裙房屋顶，要满足建筑立面和综合景观要求，满足油罐车向柴油机配套油箱加油的技术条件，包括油罐车停靠位置、输送平面距离、竖向高度等。当在室内设置柴油发电机组时，小型机组可直接采用风冷式机组; 中大型机组可采用水冷式机组，利用远置风冷冷却器进行机组散热，相关设备管道由机组统一配备。水冷机组采用喷淋水冷却塔时，要结合空调制冷机组的设置条件，优先采用与部分空调冷机的配套冷却塔联合使用，非结冰地区采用开式冷却塔，结冰地区宜采用闭式冷却塔。柴油发电机组单独设置喷淋水冷却塔时，宜采用闭式冷却塔。水冷式柴油发电机组应配套水-水板式换热器。
作者简介
沈雅兰，本科，电气高级工程师。
本文引用格式：
[1]沈雅兰,高志宏,徐红星,王耀堂.大型民用建筑柴油发电机房一体化设计探讨[J].智能建筑电气技术,2021,15(03):8-11.
本文刊登于《智能建筑电气技术》杂志
2021年06月刊
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