发电机和应急电力系统对于医院和医疗机构有效地为社区服务至关重要
学习目标
- 基本了解医院应急电力系统的发电机和主要部件。
- 了解医院应急电力系统的法规要求。
- 为这些系统的设计提供一种方法，以满足关键客户和项目的需求。
由于医疗护理标准、技术和建筑系统的不断变化，医院已经变得更加依赖电气系统来正常运作。因此，医院大楼电气系统的可靠性比以往任何时候都更加重要。
NFPA 70:国家电气规范要求每个医院都有两个独立的电源，提供最低程度的可靠性:一个正常电源(即公用设施)和一个备用电源(即发电机、燃料电池系统或电池系统)。
由于运行和维护方面的优势，大多数医疗机构传统上使用发电机作为替代电源，本文将重点介绍发电机和基本电气系统(即“应急电源”)的设计。
对于本文的目的，使用NEC第517条应急电力系统的定义与第七十条规定的应急电力系统是同义词NEC第700条，专门适用于香港的医院NEC第517条．
紧急系统被NEC定义为“那些法律要求的系统，并被市、州、联邦和其他法规归类为紧急状态。”
NFPA 110:应急和备用电力系统标准定义组成应急电源系统的各个部件，并包括应急电源和应急电源系统。
EPS是备用电源，在本例中是发电机。EPSS由导线、配电设备、过流保护装置、转换开关以及系统在发电机和转换开关之间运行所需的所有控制、监控和支持设备组成。根据NFPA 110，转换开关负载侧的导体、配电设备和过流保护装置不被视为EPSS的一部分，但被视为整个应急电力系统的一部分(见图1)。
发电机由两个主要部件组成:通过旋转传动轴提供机械动力的发动机和将机械能转化为电能的交流发电机。转换开关是一种设备的电气部件，它被配置为连接两个输入电源(通常是公用事业电源和发电机电源)和一个输出连接到负载，使用切换机制来选择两个输入电源中哪一个连接到负载(见图2)。
根据项目所在地，还需要考虑其他监管机构、法规和组织:
- NFPA 99:卫生保健设施规范制定卫生保健服务水平标准，以尽量减少火灾、爆炸和电力对病人、工作人员和访客的危害。
- 的设施指引研究所发布的FGI设计和施工指南，其中包括多个文件，确定医院、门诊设施和住宿护理设施的需求。
- 医疗保险和医疗补助服务中心而且联合委员会要求医院坚持要求NFPA 99除了NEC并经常要求(取决于司法管辖区)遵守的要求FGI指南．
建议在新项目开始时审查这些监管机构、规范和出版物的要求，以确定任何项目的具体影响，因为所采用的规范因州和地方司法管辖区而异。
应急电源设计注意事项
发电机有两个等级:主要和备用。一级额定发电机被设计为连续运行作为系统的主要电源，通常用于公用电力不可用的地方，如极端农村地区。备用额定发电机设计用于在主电源故障或发电机测试期间间歇运行。医院的应急电力系统使用额定为备用使用的发电机，因为发电机作为备用电源。
NFPA 110规定发电机和EPSS必须有分类、类型和级别。“类”定义以小时为单位的最小运行时间。“类型”定义了在断电后转移到备用电源的最大时间(以秒为单位)。“级别”定义了系统故障对人类生命的风险。
医院应急电力系统通常必须是96级(至少运行96小时)，或具有向现场供应96小时燃料的运行计划，10型(最多10秒转移)和1级(系统故障可能导致人员伤亡或严重伤害)。
医院发电机的两种常见燃料是2号柴油和天然气。通常，医院选择安装柴油发电机主要有两个原因。
- 医院必须在现场储存96个小时的燃料，或同意提供额外的燃料以维持96个小时的连续运行(见联合委员会应急管理96小时计划详情)。天然气由公用事业公司通过地下分配管道输送到医院，不能在现场储存所需的数量。具有管辖权的当局通常不认为场外燃料来源足够可靠，可以作为发电机的唯一燃料来源(见NEC 700.12 (D) (2)）.
- 医院的应急发电机和EPSS必须是NFPA 110 10型系统。这要求系统在不到10秒的时间内恢复给负载供电。大多数天然气发电机无法满足这一要求，因为它需要发电机发动机启动的时间。
发电机可安装在室内或室外。室内装置的优点是可以更好地保护免受天气和车辆交通的影响，并易于维护，但通常第一笔费用较高。发电机室的设计需要考虑到大量的气流，既需要冷却发电机，又需要向发电机提供燃烧空气。理想情况下，进气口在房间的后面，排气口在前面，以促进适当的气流通过发动机缸体，以促进发动机冷却。从房间上方或一侧进气或排气的房间可能会产生冷却问题，应避免。设计还需要考虑发电机在进气口和排气口的声学影响。发电机在房间内产生大量噪音和声音衰减，可能需要满足当地法规或医院的要求(见图3)。
室外装置的初始成本通常较低，但不容易获得，如果保护不当，随着时间的推移，设备可能会退化。通常，安装在室外的发电机将有一个带有阻尼器和加热元件的防风雨外壳，以保持外壳内的环境在一定程度上得到控制。根据项目的具体要求，外壳还可以有一个用于燃料存储、声音衰减或凸起的人员平台的底罐。室外发电机的自给自足的性质是有利的，因为通风和燃料油输送的问题被简化了。
应急配电设备
完整的基本电气系统，定义为NEC第517条，由EPSS(即转换开关和发电机之间的一切，包括转换开关)和连接到转换开关负载侧的配电板、面板、变压器、馈线和过流保护装置组成。
在医院里，基本的电力系统分为三个独立的分支NEC第517条:生命安全，关键和设备。每个分支机构都有自己的自动转换开关，或根据系统大小设置开关，以隔离医院内的配电:
- 生命安全分支仅限于对生命安全至关重要的电路，包括出口设备的照明，出口标志，选择报警和警报系统，通信系统，发电机组配件，电梯和选择自动门。
- 关键分支主要用于对患者护理和安全至关重要的系统和设备，包括但不限于任务照明和容器患者护理空间，护士呼叫系统，临床信息技术系统和有效医院运营所需的选择电源电路。
- 设备部门主要由医院有效运行所需的机械设备组成，通常包括空气处理机组、泵、锅炉、冷水机、医疗真空/压缩空气设备、厨房设备和医院认为在公用电力中断时维护设施所需的任何其他可选负载。
转换开关可以是自动的、非自动的或手动的。医院主要使用自动转换开关，无需人员输入即可转换到发电机。然而，非自动和手动转换开关用于可选负载，当自动转换不需要或由于可用的发电机容量。
非自动与手动的区别在于非自动有自动转移机制，但转移需要人员主动;手动要求人员用手将机械装置从一个源移动到另一个源。
自动转换开关有三种转换类型。开放式转换在医院中最常见，在连接到备用电源(发电机)之前先断开主电源(公用事业)，也称为“先断开后制造”。延迟过渡类似于开放过渡，但有一个内置的时间延迟，它是断开从两个来源延长一段时间，最常用于机械设备，让电机在连接到另一个电源之前有时间减速。
关闭转换不太常见，因为安装前需要公用事业公司的批准，因为关闭转换简单地平行公用事业与发电机。封闭转换将在断开一个源之前短暂地连接到两个源，或“先断开后断开”。优点是在每月发电机测试或从发电机转回公用电力时，该设施不会经历短暂的电力“昙花一现”。
许多医院要求自动转换开关有旁路隔离。旁路隔离是一种配置了两种开关机制的交换机，其中一种开关可以安全拆卸和工作，而另一种开关机制则为负载提供电力。设计需要考虑旁路隔离开关相对于具有单一开关机制的转换开关所增加的占地面积和成本。
应急电力系统常见配置
大多数医院使用两种常见的系统配置:独立系统和并行系统。一个独立的系统由一个发电机和转换开关组成，分离生命安全、关键和设备支路负载。当从任何一个转换开关接收到启动信号时，发电机启动，一旦开关感知到发电机电源已达到系统电压和频率，每个转换开关将转移到发电机电源。
独立系统的优势通常是与类似规模的多发电机配置相比，首次成本较低，控制也不太复杂。缺点是奇异发电机的故障导致设施在电力中断期间没有必要负载的备用电源。此外，如果发电机在电力中断期间无法满足设施的需求负荷，独立系统就无法减少关键负荷，除非提供楼宇自动化系统接口来监控发电机的实时负荷，并在感应到发电机达到峰值容量时关闭选择的设备。如果实现这个额外的功能，将增加项目的成本，这需要在设计过程中考虑到。
并联配置由两个或多个发电机并联连接到具有多个转换开关的公共总线组成。一旦启动信号由转换开关发出，第一个达到额定电压和频率的发电机将接近母线。转换开关将开始转移到发电机电源，随后的发电机一旦达到电压/频率，将接近公共总线，并与第一个发电机同步。
并行配置的优点是，在发电机无法启动或离线维修时，它提供了设备冗余。此外，如果发电机无法跟上需求负载，系统能够卸下低优先级转换开关(即，将它们从发电机电源断开)。这防止了设施的完全中断，并确保最关键的负载保持运行。
电气系统冗余
医院一直在为最坏的情况做准备，以确保他们为患者提供最高水平的护理。设备和系统冗余是优先考虑的。建议设计人员与客户讨论提供固有冗余的设备和系统配置，以确保设计满足客户的冗余要求和项目预算。
对于发电机，一个常见的配置是在其中一个发电机无法启动或脱机维修时提供N+1冗余的发电机数量。例如，如果一个设施的峰值需求负载为900千瓦，而医院想要N+1冗余，那么以并行配置提供3台500千瓦发电机将满足冗余目标。
提高基本电气系统弹性的另一种策略是将应急电源的关键或设备分支分离为“关键A”和“关键B”，每个分支都有自己的自动转换开关。这限制了由于转换开关或该分支电源上的其他配电设备发生灾难性故障而导致的潜在停电。它还允许医院的重症监护区完全连接到应急电源，同时保持规范要求的两个独立电源。
发电机的燃料
如前所述，2号燃料油是医院应急发电机最常见的燃料来源。通常情况下，医院将有至少96小时的燃料现场，如果遵守联合委员会应急管理96小时计划或者在要求不那么严格的地方司法管辖区。
根据电力公司的可靠性，发电机可能每年只运行15至20小时，以满足每个发电机每月/每年的测试要求。这导致燃料在使用前可能会放置很长一段时间。为了避免燃油质量下降，大多数医院都会安装燃油抛光系统，以去除燃油中的水和其他颗粒。如果安装了一个集中的油箱为多台发电机服务，燃油泵系统将为位于每台发电机的发电机日油箱提供和返回燃料。
对现有电气系统进行改造和升级
在为现有医院设计发电机或应急电力系统升级时，需要在设计之初就考虑分期和停电，因为它们会对医院的运营产生巨大影响。医院承担不起任何时候关闭关键服务的后果。
虽然重大系统升级不可避免地会出现停机，但在设计早期与医院管理部门和关键人员进行讨论至关重要，因为可能需要不同的设计方法来满足项目目标，并在施工期间维护设施。
发电机和应急电力系统是医院的基本系统，以确保公用事业中断的操作影响最小。随着卫生保健设施和工作人员不断适应最新的护理标准，将需要更强大和可靠的应急电力系统。
在开始设计新的应急电力系统或升级现有系统时，业主和设计专业人员需要不断沟通，以确保设计与项目目标、预算和医院的运营优先事项保持一致。
应急发电机和电力系统的设计在确保每个设施提供可靠电力方面发挥着至关重要的作用，在公用电源中断时提供备用电源。
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