新聞主題	特殊環境條件下柴油發電機組的應用

 

摘要：特殊環境條件一般指高溫環境、低溫環境和高原環境。當環境溫度過低時（特指環境溫度低于-10℃），燃料的黏度增大，當溫度從40℃到-10℃時，柴油的黏度將提高36％，相對密度將提高3％，燃料的蒸發和霧化能力較差，噴入氣缸內未能及時蒸發的燃料附著在燃燒室表面，影響了后續燃油的蒸發，導致可燃混合氣體品質惡化。燃燒不良導致柴油機輸出功率下降，而廢氣濃度上升，尾氣排放惡化。另外，潤滑油在低溫時黏度增大，潤滑效果降低，各運動部件摩擦阻力變大，造成啟動時阻力力矩增大。另外，過于頻繁地冷啟動柴油機，會降低柴油機的使用壽命。

 

一、 極端高溫條件下的柴發應用

 

      極端高溫環境是指環境溫度超過40℃，在高溫環境下，空氣密度降低，充氣系數低，柴油機燃燒時氧氣量減少，燃燒效率降低，柴油機的動力性、經濟性及可靠性都會下降。同時，發動機冷卻系統的散熱溫差小，散熱能力差，冷卻效果下降，發動機容易過熱，高溫使潤滑油黏度下降，潤滑效果變差，嚴重時會影響發電機組的正常運行，高水溫和高機油溫度可能導致拉缸，甚至使發動機損壞。

1、高溫環境對柴發的影響

（1）發動機充氣效率下降。

      充氣效率是衡量發動機性能和進氣過程的重要指標。它定義為每缸每循環實際吸入氣缸的新鮮空氣質量與標準狀態下充滿氣缸工作容積的理論空氣質量的比值。氣溫越高，空氣密度越小，發動機的實際進氣量減少，造成發動機功率下降。在一些帶防音罩殼的發電機組，其通風條件更差一些。由于發動機過熱，發動機罩殼內溫度更高，發動機吸入高溫空氣造成實際進氣量的減少對發電機組的出力影響更為明顯。

（2）發動機燃燒不正常。

      大氣溫度高，燃油的溫度升高，進入氣缸的混合氣溫度也高，發動機整個工作循環的溫度升高，高溫環境散熱器的散熱效率又低，使發動機處于過熱狀態。另外，過熱的發動機易造成可燃混合氣體的早燃，這種不正常的燃燒，更加劇了發動機的過熱現象，同時燃油的高溫回油使油箱燃油溫度不斷升高，吸入氣缸的燃油溫度再升高，更進一步加熱進氣溫度，形成惡性循環。

（3）加快運動部件的磨損。

     發動機的潤滑油在高溫、高壓下工作，使潤滑油的抗氧化穩定性變差，引起潤滑油變質。另外，由于潤滑油溫度高，黏度下降，使潤滑油變稀，油性變差，滑油壓力降低，影響潤滑效果，加快了運動部件的磨損。同時，金屬零件由于高溫熱膨脹較大，零件之間正常配合間隙變小，這些都會加速機件的磨損，嚴重影響發動機的使用壽命。

（4）啟動蓄電池易損壞。

      溫度高，蓄電池電化學反應加快，電解液蒸發快，極板易損壞，同時易產生過充電現象，嚴重影響蓄電池的使用壽命。

（5）發電機加快老化。

     高溫環境使發電機繞組溫度升高，冷卻效果不良，繞組溫升超過額定允許溫升將對繞組絕緣造成破壞，加快發電機的老化。

2、高溫條件下的柴發應對措施

（1）良好的機房通風

      為使柴油發電機組在高溫環境條件下能正常工作，必須保持機房良好的通風條件。良好的機房通風系統必須保證有足夠的空氣流入和流出，并可在機房內實現自由循環。因此，機房內應有足夠大的空間，確保氣溫保持均衡空氣順暢的流通。在無特殊安裝條件限制時，通風系統通常應采用直進直出型。并絕對避免發電機組排放的熱空氣通過進風口再次進入機房。

      進風口應位于灰塵濃度小和周圍無異物的合理位置，當條件許可時，應采用靠近發電機組控制屏側的斜上部進風方式，并加設百葉窗和金屬防護網簾，以避免異物進入，確保正常的空氣對流。為防止熱空氣回流，發電機組進風口應盡可能遠離排風口，空氣在機房內直流，進風口應加以保護以防止雨水及其他異物進入。

      對于閉式循環水冷卻型柴油發電機組，進風口凈面積應大于發電機組散熱器芯有效面積的2倍，如進風口面積太小，實際進風量太少而導致機體溫度過高，影響發電機組的正常使用、降低發電機組的功率輸出、縮短維護周期及減少使用壽命。

      當排風口安裝有百葉窗及金屬防護網簾時，應確保排風口凈面積最小不低于散熱器芯有效面積的1.4倍，排風口的中心位置應盡可能與發電機組散熱器芯的中心位置一致，排風口的寬高比也盡可能與散熱器芯的寬高比相同。為防止熱空氣回流及機械振動向外傳遞，應在散熱器與排風口之間加裝彈性減振喇叭形導風槽。

      裝有罩殼的低噪聲發電機組，外形如圖1所示，內部結構如圖2所示。由于整體結構比較緊湊，進排風條件比機房安裝的發電機組要差。在進行整體設計時要對機箱的進排風口有效面積、進排風量和風速進行計算，優先滿足發電機組進排風量的需要，如果進排風口面積無法滿足進排風量的要求，需采取增加軸流風機強制進排風的措施，然后再考慮降噪的要求。

（2）增加發動機的有效散熱

      水冷發動機的散熱水箱一般按環境溫度40℃配置。在極端高溫環境，必須增大散熱水箱的散熱量，可選配50℃或55℃散熱水箱。由于散熱量增大，水箱風扇消耗的功率也相應增大，使發動機的輸出功率減少，這一點在進行發電機組溫度折損時必須加以考慮。

      裝有渦輪增壓器的發動機，一般都會考慮增加中冷器對增壓后的空氣進行冷卻，以增加氣缸進氣量。

      在高溫環境，可采取增加燃油冷卻器和潤滑油冷卻器的方法，來增加發電機組的散熱效果。目前已有四合一冷卻水箱產品，集成了缸體散熱、渦輪增壓器中冷、燃油冷卻和潤滑油冷卻4個功能，提高了發電機組在高溫環境的冷卻效果。

      同時，機房內要對排煙管、波紋減振節、消聲器等發熱部件進行隔熱包扎。對裝有罩殼的低噪聲發電機組，除了機箱內對排煙管、波紋減振節進行隔熱包扎以外，消聲器裝在水箱散熱器前面或外置裝在機箱外，以利于散熱。啟動蓄電池安裝在進風通道溫度較低的地方。

 

圖1  高原型集裝箱柴油發電機組外罩形狀

圖2  高原型集裝箱柴油發電機組內部結構

 

3、高溫環境柴發的功率折損

       當環境條件與標準規定不同時，發電機組功率應進行修正見第1章相關內容，同時由于設計的不同，各品牌柴油機和發電機的輸出功率的修正參數也不一致；同一品牌，不同型號、不同調速系統，其修正的參數也有區別。一般要以原柴油機生產廠家的修正參數為準。通常可按照環境溫度超過40℃時，每升高5℃，輸出功率下降3％～4％來進行功率損失的計算，但要注意的是，有些廠家的發電機組標稱功率是基于環境溫度20℃時的輸出功率。圖3和圖4分為康明斯發電機組在高原下備用功率、常用功率的修正曲線圖。

 

圖3  康明斯發電機組高原備用功率下降曲線（50HZ）

圖4  康明斯發電機組高原常用功率下降曲線（50HZ）

 

二、極端低溫條件下的柴發應用

 

1、低溫環境對柴發的影響

      低溫環境對柴油發電機組的影響主要是啟動困難。柴油發電機組順利啟動的必備條件有：首先，燃油與空氣在氣缸內要形成一定數量的可燃混合氣體，其次氣缸內的混合氣體要達到可燃點，最后著火溫度要保持足夠長的時間。這三個條件缺一不可，然而在低溫條件下，受很多因素的影響，導致啟動條件不滿足，柴油機難以啟動成功。低溫條件對柴油機啟動的影響主要表現在以下幾個方面：

（1）柴油機著火困難，環境溫度低，氣缸套、活塞等零件溫度降低，進入氣缸的空氣溫度降低，使柴油機在冷啟動時壓縮終點，氣缸內壓力降低，溫度達不到柴油著火溫度，造成冷啟動困難。

（2）啟動阻力增大，冷機啟動時，潤滑油黏度大，流動性能變差，曲軸與軸瓦等摩擦機件之間的潤滑不良，摩擦阻力增大，使啟動阻力力矩增大。

（3）蓄電池容量下降，蓄電池容量會隨著環境溫度的降低而下降。研究表明，普通鉛酸蓄電池在-40℃時，電解液黏度比0℃增加了3～4倍，電阻率與常溫相比增加7倍，容量只有原來的1/5。此外，蓄電池的充電能力也會隨著氣溫的降低而下降。在正常情況下，剩余電量為50％的蓄電池經過6h的充電，可達到額定容量，而在-10℃時，同樣放電的蓄電池，只能充電到60％的額定容量。

      另外，低溫條件下，電器元件中的線圈電阻會降低，線圈吸合需要的安匝數增加較大，導致觸頭容易彈跳，降低了電器機械壽命，容易出現誤報警和誤操作，使整個系統的可靠性降低。控制模塊的液晶顯示屏在-40℃出現黑屏，控制系統無法正常工作。

2、改善柴發冷啟動性能的措施

（1）輔助加熱措施

      輔助加熱措施是柴油發電機組冷啟動的最常用方法，分為進氣預熱、火焰預熱、水套加熱器、燃油加熱器和機油加熱器等。

① 進氣預熱裝置

      在進氣歧管內安裝進氣預熱裝置以提高進氣溫度，可采用PTC陶瓷加熱器對進氣進行預熱。PTC陶瓷加熱器（外形結構如圖5所示）具有熱效率高、電功耗低、結構緊湊、自動控溫、發熱低、不易氧化和使用壽命長等優點。發電機組在-40℃的低溫環境也能啟動成功。

② 火焰預熱裝置

      火焰預熱啟動裝置一般由電子控制器、電磁閥、溫度傳感器、火焰預熱塞及油管和導線等幾部分組成，系統如圖6所示。工作過程是：先將電熱塞加熱到850～950℃，然后接通啟動電機，電磁閥自動打開油路，通過油管向電熱塞供油，最后進行火焰預熱啟動。

③ 水套加熱器

      在冷卻系統中，安裝水套加熱器以提高冷卻液溫度，水套加熱器能把加熱到45～50℃的冷卻液循環到發動機的缸體水套，使發動機處于暖機狀態。

④ 燃油和機油加熱器

      在燃油系統和潤滑油系統加裝燃油加熱器和潤滑油加熱器，以此加熱發動機，提高發電機組的冷啟動性能。

（2）低溫型蓄電池

      在極寒地區，啟動電池采用卷繞式蓄電池，這種蓄電池采用螺旋卷繞技術，板柵合金也由全新的鉛合金取代了平板電瓶的鉛鈣合金，其極板之間的間隙極小，酸是固體酸，并能被玻璃纖維網所吸附，結構緊密，在低溫下，沒有液態酸可冰凍，因此電流輸出下降較少。啟動電流是普通電瓶的3倍；啟動時間最快為0.6s，具有平穩的高輸出電壓、更高的能量密度。使用壽命通常為普通平板電瓶的1.5倍以上。

（3）低溫油料和冷卻液

      使用與環境溫度相適應的低溫柴油、冷卻液、低溫潤滑油。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。

（4）防潮加熱器

      在電控系統的電控箱加裝防潮加熱器，以改善電控系統的低溫條件。

 

圖5  柴油機PTC陶瓷加熱器

圖6  柴油機火焰預熱系統

 

總結：

      根據以上所述，我們得知當在高原地區使用時，由于空氣稀薄不能象在海平面高度那樣燃燒那么多的燃料而損失一些功率，對于自然進氣的發動機，一般海拔每升高 300m 功率損失約 3％~4%左右。因此，在高原工作時，柴油發電機組必須選用常用功率的，不能選備用功率的柴油發電機，否則有可能達不到自身設備啟動時所需的功率，從而造成損失。另外，由于高原柴油發電機組使用地的特殊性，要經常更換它的空氣濾芯，機油濾芯和柴油濾芯，以保證發電機組的最大輸出功率。

 

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