新聞主題	柴油發電機組高溫運行和冷啟動性能測試

 

摘要：作為現代最常用的發電設備，柴油發電機組有著一些獨特的優點而受到用戶喜愛。比如柴油發電機組體積相對較小，靈活便捷；操作方便，簡單易控制；能源原料來源廣泛，啟動快，可以快速供電；供電平穩，可以對負載進行點對點的直接供電。毫無疑問，根據這些優點使其無論作為備用電源，還是移動電源和自備電源的優勢在短期內是無可取代的。由于在一些特殊環境條件下，柴油發電機組應用顯然受限。所以，康明斯專門推出一款針對性的應對高溫和低溫環境下使用的柴油發電機組。

 

一、技術路線

     以康明斯的280KW型號KC280GF發電機組用柴油機為例的應用研究，主要依托于康明斯M11系列6缸四氣門柴油機配套斯坦發電機成套機組（如圖1所示，帶靜音箱外罩），在此基礎上進行應用研究，提高調速性能要求，滿足公用電力類用電設備的需要，滿足在 50 ℃環境溫度下的正常工作要求及-40 ℃低溫下的正常啟動要求。

1、柴油機的調速系統

      由于發電機組的使用范圍為公用電力類型的備用應急電站，依據GB/T2828.1一2009中電站性能等級的分類，按照G2級要求進行設計柴油機調速性能就可以滿足發電機組要求。GB02820．5一2009中規定 G2級電站調速要求如下：頻率降5％，穩態頻率帶17％，瞬態頻率偏差：100％突減功率時12％，突加功率時10％，頻率恢復時間5s。

      為了滿足這一調速性能要求，柴油發電機的調速系統采用電子調速器。柴油發電機電子調速器按控制方式分為模擬式和數字式兩種，基本原理采用的都是 PID閉環控制，PID控制方法是工業過程控制領域中廣泛應用的一種方法。由于柴油發電機速度系統基本上可以看成是一個慣性加小純滯后系統，近似線性系統，所以采用PID方式控制柴油發電機轉速，在很寬的范圍內可以保證柴油發電機具有良好的速度特性。

      此次應用研究的柴油發電機采用康明斯公司的電子調速器，首先柴油發電機、轉速傳感器、控制器、執行器通過一定的連接構成一個速度閉合環路，由控制器根據轉速傳感器檢測到的柴油發電機轉速信號對柴油發電機轉速進行控制。其中最為關鍵的部件是控制器，此處采用眾智6110系列控制器，眾智系列控制器就是采用PID控制原理設計制作。

       控制器由模擬放大電路、微分電路、積分電路、PWM等電路組成。它的輸人信號是轉速傳感器輸出的正弦波信號，輸出信號是驅動執行器的 PWM方波校正功率信號它的工作過程是：首先在控制器內部的基準電路單元上設置標定轉速，然后對輸人工作轉速信號與設定轉速進行比較，兩者的差作為偏差信號。該偏差信號經過PID運算，變成相應的校正信號，校正信號放大后輸出給執行器（功率輸出信號有單向的，也有雙向的；對應單、雙向執行器）。偏差越大，輸出的校正信號電壓越高，校正偏差的速度越快；隨著偏差的減小，校正電壓逐漸減小。當輸人轉速高于設定轉速時，輸出電壓為零。由于柴油發電機自身質量和摩擦以及負載變化等原因，使得偏差始終存在，因此調節過程會連續不斷地進行，最終使工作轉速恒定在沒定轉速上。

2、高溫工作性能

      對于該發電機組要求滿足環境溫度50 ℃條件下正常使用的要求，我們通過對柴油發電機散熱系統的理論計算，在原來已有試驗數據的基礎上，將柴油發電機的風扇直徑設計為700mm，水箱散熱面積設計為93m²，然過測試溫升值，來評估高溫下柴油發電機能否正常工作。帶散熱水箱的柴油機外觀模型如圖2所示。

3、低溫啟動性能

      為了滿足發電機組在-40 ℃環境溫度下的應急備用能力，對柴油發電機采用缸套水預熱的方式，在備用期間用220 v/380 v的市電通過預熱裝置對缸套水進行加熱。通過發電機組的控制模塊設定預熱裝置的工作溫度范圍為36、50 ℃，水溫低于36 ℃時，啟動加熱；水溫高于50 ℃時，加熱停止，使柴油發電機水套的溫度始終保持在36、50 ℃左右，柴油發電機處于熱備用狀態。機油、柴油采用滿足-40 ℃環境溫度使用條件的油品，從而保證柴油發電機在17s內能順利實現啟動。

圖1  柴油發電機組帶靜音箱外罩模型

圖2  柴油機帶散熱水箱模型

 

 

二、試驗結果和結果分析

1、高溫性能試驗

      高溫試驗發電機組在高溫環境中（40℃或45℃，按技術條件要求規定）靜置6h后，在額定工況下連續運行至熱態。之后，按前面有關條文的規定測定繞組溫升、電壓與頻率的穩態調整率和波動率。在連續運行期間，每隔0.5h記錄一次有關數據（同熱試驗）。試驗過程中，對機組的要求同12h連續運行試驗。

      高溫性能試驗在發電機組滿載的狀態下進行試驗，實驗數據見表3。

表1    高溫性能實驗數據

      在高溫性能試驗中，由于柴油發電機的散熱器蒸汽閥工作壓力為70 kPa，此時水的沸點在117℃ 左右，受柴油發電機所能承受的熱負荷限制，柴油發電機僅能在短時間內能承受110 ℃的冷卻水溫，考慮到發電機組需要持續工作，柴油發電機需要穩定運轉完全滿足要求。

2、低溫性能試驗

      低溫試驗系統框圖如圖3所示。發電機組加滿低溫用燃油、機油和防凍冷卻液（柴油機為水冷者），配備好容量充裕的啟動用蓄電池（柴油機為電啟動者）后，將發電機組靜置于規定的低溫（-40°℃25℃或-15℃，按技術條件要求規定）環境中達12h以上（對額定功率在12kW以上者）或6h以上（對額定功率在12KW以下者）。

表2    主要試驗儀器和設備

（1）-18℃低溫起動能力施壓：

      完全充電的蓄電池，放置在帶有空氣循環低溫箱或低溫室中，溫度保持在-18℃±1℃，時間不低于24h，蓄電池在低溫箱或低溫室取出后，迅速接好接線端，時間不超過2min。以規定的-18℃冷啟動電流Icc電流放電30s，在放電過程中電流值的變化應不超過正±0.5%，分別記錄放電10s和30s時蓄電池端電壓。然后停止放電，靜置20s，之后以0.6Icc電流放電40s，在放電過程中電流值的變化應不超過±0.5%，記錄40s時蓄電池端電壓。全部實驗在90s內完成。蓄電池放電到10s時端電壓不小于7.5v，30s端電壓不小于7.2v，90s端電壓不小于6v。Icc值可以查標準或產品目錄。

（2）起動阻力矩

      不同環境溫度時，起動阻力矩與轉速的關系轉速高于170r/min時，平均起動阻力矩隨轉速的環境溫度增大。轉速提高50r/min，平均起動阻力矩增加3～8N·m。試驗測得環境溫度為-20℃的阻力矩，在嚴寒條件下柴油機的起動阻力矩，可以運用經驗公式，預測更低環境溫度時柴油機的起動阻力矩。環境溫度為-35℃的預測柴油機起動阻力矩，如圖4所示。

 

圖3  柴油機低溫啟動試驗系統框圖

圖4  柴油機起動阻力矩預測曲線

 

表3    -25℃時不同起動機的起動試驗數據

 

 

3、性能曲線

      柴油機在不同的工況下，各主要指標是變化的。要找出它們的變化規律，必須在發動機測功器上進行試驗，測出在不同工況下的數據，并繪制成曲線表示其變化關系。這些曲線稱為柴油機的特性曲線。在衡量柴油機的動力性和經濟性時，常用的特性曲線有外特性曲線、速度特性曲線和調速特性曲線等。

（1）速度特性曲線

      當柴油機運轉的時候，其功率、扭矩和耗油量這三個基本性能指標都會隨著負荷的變化而變化。這些變化遵循一定的規律，將這些有規律的變化描繪成曲線，就有了反映柴油機特性的曲線圖。根據柴油機的各種特性曲線，可以全面地判斷柴油機的動力性和經濟性。反映柴油機運行狀況常用速度特性曲線。

      柴油機的速度特性曲線表示有效功率N（千瓦）、扭矩M（牛頓米）、比燃料消耗量g（克/千瓦小時）隨柴油機轉速n而連續變化的表現。柴油機的速度特性是在制動試驗臺架上測出的。保持柴油機在一定節氣門開度情況下，穩定轉速，測取在這一工況下的功率、比耗油等，然后調整被測機載荷（扭距變化），使柴油機轉速改變，再測得另一轉速下的功率、比耗油。按照一定轉速間隔依次進行上述步驟。就能測出在不同轉速下的數值，將這些數值點連點地組成連續曲線，就產生了功率曲線、扭矩曲線和比燃料消耗量曲線，它們與相應的轉速區域對應。

（2）外特性曲線

      當柴油機噴油泵在最大供油量時的速度特性，稱為柴油機的外特性，它表示柴油機所能得到的最大動力性能。從外特性曲線上可以看到柴油機所能輸出的最大功率、最大扭矩以及它們相應的轉速和燃料消耗量，發電機組產品介紹書上大都采用柴油機外特性曲線圖，如圖3所示。但一般只標出功率和扭矩曲線。

（3）調速特性

      柴油機的外特性曲線很平緩，這說明柴油機較小的負荷變化，可引起相當大的轉速變化。這種現象對發電機組的工作非常不利，容易引起發動機的轉速過快（飛車），或者使發動機熄火。但如果在柴油機上裝有一個能根據發動機負荷變化而自動調節供油量的專門裝置一一調速器，就可控制發動機的轉速在有限范圍內變化，從而改善其使用條件。裝有調速器的柴油機的速度特性曲線稱為調速特性，如圖2所示。

4、結論

      柴油發電機啟動在規定的環境溫度下進行，連續啟動3次，每次間隔5分鐘，試驗數據。通過分析以上試驗數據及圖5、圖6的特性曲線圖可以得出以下結論：

（1）采用以上配置的柴油機能夠實現G2級電站的調速要求，能夠滿足環境溫度50 ℃時的正常使用要求，在一40 ℃下能夠實現順利啟動。

（2）柴油機運轉穩定，并具有良好的經濟性，非常適合于公用電力類備用應急發電機組的使用要求。

圖5  柴油發動機功率輸出曲線

圖6  柴油機均轉速變化曲線

 

 

總結：

      康明斯發電機組用柴油機經過嚴格的出廠試驗及現場調試，已經在康明斯公司成功實現批量化配套應用，產品已經出口銷售到中東、俄羅斯等地區，并在國內其他多家發電機組公司得到應用。以低溫啟動可靠，運轉穩定，在高溫下可靠工作，得到用戶的青睞。此應用研究和方案的成功實施，可為類似用途柴油機的方案設計提供參考。

 

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