新聞主題	戶外高原用柴油發電機的影響及應對措施

 

摘要：在高原環境下，對柴油發電機組影響最大的因素是低壓和低溫，特別是大氣壓力下降，對柴油機的影響最大。柴油發電機組原動機功率下降，柴油、機油的油耗增加，熱負載上升，對發電機組功率及主要電氣參數影響較大。另外，高原環境的高紫外線強度、空氣干燥高風塵條件也對柴油發電機組正常工作有一定的影響。

 

 

 

一、高原環境的特點

 

      在我國目前最高的高海拔地區非青藏高原莫屬，青藏高原海拔在4000m以上，自然條件極為嚴酷。隨著國家對西部地區的開發，青藏高原的開發也在加速進行。由于青藏高原人跡稀少，地域遼闊，電網不能覆蓋全部地區，因此內燃發電設備在青藏高原的應用日益廣泛，但是傳統的內燃發電設備不能滿足高原地區的使用要求。

1、高海拔地區劃分

      按GB/T 19607-2004《特殊環境條件防護類型及代號》規定，高原防護類型按海拔劃分，分別用以下代號表示：

（1）G2 表示適用于最高2000m的地區；

（2）G3 表示適用于最高3000m的地區；

（3）G4 表示適用于最高4000m的地區；

（5）G5 表示適用于最高5000m的地區。

2、高海拔環境條件

      不同海拔環境條件，按GB/T 14597-2010《電工產品不同海拔的氣候環境條件》的規定，高原環境條件參數見表1。

表1  高原環境條件參數表

      注：為便于比較，將標準大氣條件參數（0～100mm）列入表中。在最低空氣溫度、最大日溫差、最大風速、10min降水量等幾項中，可取所列數值之一。

（1）氣壓下降

      隨著海拔的升高，大氣壓下降，其降低情況比較見表2。

表2  大氣壓力與海拔的關系

      由表2可知隨海拔的升高，大氣壓力下降明顯，基本上在0～4000m范圍內每上升1000m，大氣壓力下降10％左右。

（2）太陽輻射強度增大

      隨著海拔的升高，太陽輻射強度逐步增強，其增強情況見表3。

表3  太陽輻射強度與海拔的關系

      由表5可知，海拔超過1000m后，太陽輻射強度平均每升高1000m增強6％。

（3）絕對濕度下降

      年平均絕對濕度從0海拔的11g/m³到5000m時的1.7g/m³，下降速率明顯，這意味著隨海拔的升高，空氣越來越干燥。

（4）空氣的最高溫度和平均溫度隨海拔的升高而降低

      從表3中可知，海拔在1000m以上，每上升1000m空氣的最高溫度和平均溫度均下降5℃。

（5）高原地區日溫差加大

      一般平原地區日溫差為10～15℃，高原地區日溫差可達25～30℃。

 

二、高原環境對電站的影響

 

      柴油發電機電站主要由柴油機、發電機、配電系統和機械結構件等組成，對移動電站還有行走系統等，高原環境對這些設備都有一定的影響。

1、對柴油機的影響

      高原的環境特點，特別是大氣壓力下降，對柴油機的影響最大。隨海拔的升高，大氣壓力下降，空氣密度下降，空氣中含氧量降低，造成燃油燃燒不充分，爆發壓力下降，驅動功率下降。

（1）自然吸氣式柴油機

      一般自然吸氣式柴油機隨海拔的升高，輸出功率的下降速度較快，與標準工況相比，平均海拔每升高100m，輸出功率下降約1％左右。

（2）增壓型柴油機

      增壓型柴油機，一般在海拔1000m以下功率可不作修正，康明斯柴油機在1525m以下輸出功率可不作修正。在環境溫度不變情況下，康明斯柴油機規定海拔高于1525m時，每升高300m，功率下調4％：道依茨柴油機，如BF913系列，海拔1000m以上，每升高1000m，功率約下降7.5％。

（3）低溫低壓對啟動的影響

      在高海拔的極寒地區，柴油機通常啟動極為困難，除了溫度極低外，空氣的密度低，柴油機點火非常困難，海拔越高，啟動越困難，特別是增壓型柴油機，在啟動瞬間，增壓器使得啟動更為困難。同時，高海拔、低氣壓、低溫導致柴油機油泵的泵油能力下降，吸入柴油機的柴油壓力下降，柴油的黏度增加等，所有這些方面都將導致柴油機的啟動更加困難。

（4）對燃油消耗率的影響

      一般情況下，柴油機按標準大氣狀態整定供油量。柴油機在運行時，供油量是隨負載變化自動調整供油量。在高原狀態下，同樣的負載變化，由于供氧量不足造成轉速下降的幅度要比平原地區大，因此同樣一個負載變化率，高原地區的供油量要比平原地區大，就造成燃油消耗率增加。過多的燃油和較少的氧氣，必然造成燃燒不完全，排放性能變差，排放溫度升高，整機熱效率下降。

2、對發電機的影響

      高原環境對發電機的影響主要表現在溫升上。一般情況下，海拔在1000m以上時，每升高100m，最高環境溫度將下降0.5℃。同時，由于海拔升高、空氣密度降低，散熱效果變差，造成發電機的溫升升高。一般規定海拔每升高100m，溫升將升高0.5℃。這樣允許溫升限值可不作修正，輸出功率也不需修正。但對于某些用戶規定高海拔地區最高環境溫度為40℃或不按上述規定降低使用的環境溫度，這樣發電機輸出功率就應該修正。

3、對低壓電器的影響

      高原環境對電工產品的綜合影響主要表現在如下幾個方面：

（1）對開關電器滅弧的影響

      一般開關電器的滅弧是利用空氣為滅弧介質，如接觸器、斷路器等。由于海拔升高空氣密度降低，造成滅弧時間延長，觸頭易被燒損，使開關通斷能力下降，使用壽命縮短。

（2）對溫升影響

      海拔升高，環境溫度低，可部分或全部補償因海拔升高引起的產品溫升增加值，具體補償數值要看產品的結構特點而定。

（3）對絕緣強度的影響

      海拔升高，空氣密度降低，介質絕緣強度降低，絕緣外表面及空氣隙之間擊穿電位降低。一般情況下，海拔每升高100m空氣絕緣強度下降1％，在產品電氣間隙和絕緣距離不變的條件下，產品的額定絕緣電壓、介電強度、最大額定電壓或最高使用電壓均要降低。

（4）輻射的影響

      高海拔的太陽輻射強度大，海拔在1000m以下的輻射強度為1000W/㎡，而在5000m是1250W/㎡，后者是前者的1.25倍。同時還造成產品溫升增加，加速產品的熱老化。

      紫外線輻射隨海拔升高上升幅度更快，海拔3000m時是平原地區的2倍，其加速有機絕緣材料的老化速度，空氣易于電離而導致絕緣強度降低，使產品壽命降低，且使產品涂層劣化，表面易粉化、脫落。

（4）靜電的影響

      高原地區濕度低，空氣較干燥，干燥空氣有利于產生靜電電荷，靜電電荷增加對電子設備影響較大。

 

 

三、高原環境條件下的應對措施

 

 

1、柴油機的改進措施

（1）柴油機采用恢復性增壓技術

      柴油機要采用恢復性增壓技術，這一技術的要點實際上是讓增壓器的額定工作點按高原環境整定，使柴油機在海拔升高的同時，讓增壓器增加轉速，提高供氣量，但又不能使增壓器超速造成損壞，從而改善柴油機在高原地區的運行工況，使高原地區運行時燃油消耗率上升率，功率下降率，排氣溫度升高情況均較普通增壓柴油機有較大程度的改善。

（2）充分利用中冷技術

      盡可能改善中冷器的冷卻效果，使進氣通過增壓器作用，進氣壓力提高造成溫度升高的程度得到改善，從而在相同的壓力情況下，提高了進氣的空氣密度，從而改善油機的運行工況。

（3）提高水冷系統的預壓力

      由于大氣壓力降低，這樣會使水冷系統散熱器的壓力蓋的開啟壓力相應降低，從而影響水冷系統正常工作，提高壓力蓋的開啟壓力，使之彌補，由于海拔升高引起的大氣壓力降低，使水冷系統開啟壓力與平原相當。

（4）改善冷卻液的散熱效果

      盡可能降低冷卻液的溫度，降低缸體、缸蓋溫度，從而達到降低進氣溫度的目的，使空氣密度提高，增加進氣的供氧量，改善運行工況。

（5）改善空濾器結構，適應高原干燥多塵環境

      柴油機增壓時供氣量將增加，尤其針對高原沙塵大的特點，要求空濾器應盡可能具有效率高、阻力小、流量大、壽命長、體積小、重量輕、成本低和易保養等特點。可選加一級空濾器，或用沙漠型空濾器，要保證柴油機正常運行，空濾器保養間隔時間為50～100h。

（6）應對極寒地區柴油機低溫啟動困難

      可以采用機油加熱、缸套水加熱、進氣加熱等輔助低溫預加熱系統使柴油機更容易啟動。同時，使用與環境溫度相適應的低溫柴油、冷卻液、低溫潤滑油和有充足電力的低溫電瓶。一般低溫柴油、低溫潤滑油、冷卻液的標號至少要比環境溫度低5℃以上。這一套綜合措施將更好解決柴油機低溫啟動困難的問題。

2、功率修正

      發電機的選用主要考慮功率修正。對在高原環境條件下環境溫度仍以40℃要求的產品則一般應按海拔1000m以上。每升高100m允許功率下降1％來計算。

3、低壓電器的選擇

（1）最大工作電壓的選擇

      海拔升高，低壓電器最大工作電壓會隨之降低。一般講，低壓電器的電氣間隙和漏電距離的擊穿強度隨海拔增高而降低，其遞減率一般為每100m下降0.5％～1％，最大值不超過1％。對此，可以考慮按提高工作電壓等級的方法來選用低壓電器，如額定電壓400V的系統，在4000m使用時，應選用低壓電器的工作電壓值為

400V×(100+30)%=400V×130%=520V

      即選用額定使用環境在1000m及以下的工作電壓（額定工作電壓）大于520V的低壓電器即可。

（2）額定工作電流修正

      低壓電器在高原地區，由于散熱困難，工作條件差，會造成溫升增加，大多情況下，溫升的增加會由于海拔升高環境溫度下降得到補償，但有些產品因為補償不足，而造成允許工作溫度過高，這種情況下，一般可按每超過1℃容量下降1％予以修正。特別在高海拔地區環境溫度為40℃要求工作的產品，一定要修正功率，按海拔1000m以上，每升100m允許使用功率下降1％計算來選用合適的產品。

（3）改善靜電的影響

      主要通過抗靜電設計來改善靜電的影響，使用抗靜電材料，或采用屏蔽，改善屏蔽層接地的效果。

（4）電氣間隙的修正

      在電氣間隙不變情況下，其耐壓水平隨海拔高度每升100m，降低1％，因此一般可以按海拔每升高100m，電氣間隙和爬電距離增大1％來修正。按GB／T20626.1-2006《特殊環境條件 高原電工電子產品通用技術要求》提供的修正系數見表4。

表4  電氣間隙修正系數 

 

（5）工頻耐壓試驗修正

      一般以考核內絕緣質量為主的例行試驗，按有關產品標準的規定，試驗電壓取海拔1000m或2000m時產品的耐壓值，不作修正。一般情況下產品的使用海拔與試驗海拔不一致時應按GB/T 20626-2006《特殊環境條件高原電工電子產品通用技術要求》提供的修正系數修正，見表5。

  表5  海拔修正系數K

（1）使用抗紫外線輻射的涂料，如采用耐紫外線的聚氨酯丙烯酸涂料等。

（2）電纜可選用耐紫外線和太陽輻射的產品。

（3）塑料和橡膠制品選用抗紫外線輻射的產品，以防止加速老化、變質。

（4）導線、電纜、塑料、橡膠件制品；主要要選用與環境溫度相適應的產品，保證低溫下不開裂、脆化等，如QxRF電力電纜、QxRFP控制電纜、FvN聚乙烯尼龍護套線等。

（5）儀表要選用c組，即適應低溫組別的儀表。

 

四、應用方案

 

      基于極地嚴寒氣候環境及運輸方式等特點要求，技術方案采用整體式箱體設計，箱體內布局為箱體內部設有油箱間、發電機組工作間和工具間等。

（1） 柴油發電機組所用發動機選用風冷方式，風冷方式發動機具有暖機快，啟動性能好，只需5～6min就可達到工作溫度，可快速進入帶負載工作狀態，同時由于風冷發動機需要的空氣量比水冷發動機約少1/3，具有因而進排風開口小容易實現封閉等優點。

（2）發電機組配置可實現無人值守的智能化控制系統。

（3）有些地區最低溫度可到-40℃，箱內需要加熱和保溫，采用兩層鋁板焊接中心填充100mm厚保溫材料，整體用螺栓固定在經特殊設計的柴油發電機組安裝的底架上。鋁質外殼和共用底架方案大幅降低了總重量，箱體門框所用密封條耐低溫，密封可靠。底架四角按標準集裝箱尺寸焊接集裝箱角件，位置尺寸嚴格按GB/T 1413-2008《集裝箱分類、尺寸和額定質量》規定尺寸，滿足雪地車及內陸考察專用雪橇需要的集裝箱式運輸方式的尺寸要求。為防止起吊時鋼絲繩擠壓鋁質保溫殼體，底架四角增設起吊立柱，并在立柱上安裝腳踏以方便人員穿持吊繩為增強強度在立柱頂部設有矩形框架連接，該框架尺寸超出鋁質保溫殼體，可以在雪橇車雪地翻覆時框架觸地受力防止鋁質保溫殼體擠壓損壞。安裝底架上空間填充保溫材料（聚氨酯板）并上下面鋪設承重強度足夠的薄鋼板，保證人員可進入內部工作。以上方案大幅度減輕了設備總重量，同時滿足標準集裝箱車載運輸方式和直升機空中吊運方式。

（4）油箱隔間采用防火隔墻隔開；并在隔墻上預先鋪設進、回油油管溝和進、出線鍍鋅管。油箱間采用波紋管合理布置內部走線。油箱間墻壁開設透氣窗。油箱間油箱漏油盤側墻壁上安裝二氧化碳滅火器。

（5）發電機組工作間內部設置有燃油加熱器加熱保溫。發電機組工作間門后固定放置二氧化碳滅火器。根據發電機組重量合理安裝集裝箱底部槽鋼，并保證發電機組地腳螺栓孔下方有橫梁加強，發電機組固定螺母焊接于橫梁下方。發電機組工作間走線采用走線槽、波紋套管等合理布線，并將交、直流走線分開，信號線和電源線分開。發電機組工作間總體隔熱保溫。根據空間位置設置有合理尺寸的工具間。

（6）箱體外部的兩側開有維修門、觀察窗和通風口。所有門框四邊加固，防止門框變形。門鎖結構合理、強度高、不易損壞、開關方便。密封條密封可靠（防風雪和隔音），耐低溫。箱體每扇門后安裝風鉤，門打開后可掛于其上固定，避免因風誤關夾傷工作人員。設有維修門，門上安裝密封條，保證密封以使維修門關上時能完全防風雪，維修門打開角度為180°。

（7）設有觀察門以便發電機組工作時能隨時觀察到發電機組的控制儀表，了解發電機組內部運行情況；觀察門上設有雙層中空鋼化玻璃觀察窗，觀察窗對應于發電機組控制面板。觀察門旁設置有急停開關。箱體兩側合理位置設置進排風口開口。保溫材料采用聚氨酯板，厚度為100mm，鋼材選用高耐寒結構鋼Q345GNHL，鋁材選用6063，可滿足極地條件對保溫、對材料低溫環境的強度、焊接性能等的要求。

（8）為了提高發電機組可靠性及減少維護工作量，設置有燃油過濾系統，發電機組配套了保證燃油清的油水分離器，可以減少發電機組在工作時燃油油管堵塞的幾率。安裝機油過濾器，保證潤滑油路燃油質量。設置溫度低于-40℃到-5℃的啟動輔助設備，配備自動控溫系統的燃油加熱器可對箱體內部整體預熱。

（9）排煙系統為防止風雪從排煙口進入及逆風影響，排煙口采用水平短管中部貫穿焊接垂直管的形式，排煙口分置箱體兩側并下陷安裝，保證排煙口安裝后尺寸不超出箱體尺寸。

 

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