|
新聞主題 |
高海拔和高溫因素對柴油發電機組的影響 |
摘要：在高海拔地區應用柴油發電機組應注意伴隨著海拔高度的不斷上升，大氣壓強、空氣含氧量及其自然環境溫度都有差異程度的下滑。對于陽光直接輻射強度和風速，因為柴油發電機組是安裝在室內應用，這兩項的干擾并不突出。因為高海拔的低氣壓，空氣稀薄，柴油發電機組含氧量分量少，運行環境溫度低，特別對自然進氣的柴油機，柴油發電機組因進供氣量嚴重不足而燃燒不好，使柴油機無法產生原規定的校準功率。即便柴油機基礎構造一樣，但各型柴油機校準功率、排氣量、發轉速差異， 所以這些在高原地區運行的能力是有所不同的所以在高原地區長期應用時應依據當地的海拔高度，適當減小供油量。
|
圖1 高原柴油發電機施工現場使用實景 |
圖2 高原電信基站用柴油發電機實景 |
一、高原環境對柴油發電機性能的實際影響
表1是我們對柴油發電機原動機所作的平原、高原對比試驗數據。從中可以看出，隨海拔升高，發電機組輸出功率將顯著下降，而油耗率、排溫上升，排放狀況惡化。負載越大(50～110％)，影響尤甚。
表1（A） 柴油發電機高原性能變化試驗結果
|
項目 |
參數 |
海拔 |
||||
|
≤500m |
2206m |
3860m |
||||
|
標定值 |
實測值 |
變化率% |
實測值 |
變化率% |
||
|
自然吸氣 |
最大供油時功率kW |
117 |
96.75 |
-17.3 |
81.75 |
-30.1 |
|
額定點油耗率g/kW.h |
≤227 |
263.64 |
16.1 |
327.43 |
+44 |
|
|
額定點排溫℃ |
470℃ |
550℃ |
17 |
630℃ |
+34 |
|
|
額定點煙度RB |
≤3.0 |
3.5 |
|
6.0 |
|
|
|
50%負載時油耗率g/kW.h |
257 |
259 |
0.7 |
259 |
+0.7 |
|
表1（B） 高溫高海拔柴油發電機修正系數表
|
發動機型號 |
功率范圍 |
溫度基數 |
高度基數 |
高度/功率 |
溫度/功率 |
|
B3.3 |
20KW以下 |
40℃ |
1000米 |
每升 100M/降0.7% |
每升10℃/降1% |
|
4BTA3.9 |
30~70KW |
40℃ |
1000米 |
每升 100M/降0.9% |
每升10℃/降4.5% |
|
6BTA5.9 |
80~140KW |
38℃ |
660米 |
每升 330M/降4% |
每升11℃/降2% |
|
6CTA8.3 |
150~220KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
|
NTA855 |
200~360KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
|
KTA19 |
400~550KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
|
VT28 |
550~660KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
|
KTA38 |
640~1000KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
|
KTA50 |
1120~1600KW |
40℃ |
915米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降16% |
表1（C） 大氣參數、水的沸點與海拔變化對應關系
|
海拔/m |
大氣壓力/kPa |
水沸點/℃ |
備注 |
|
0 |
101.3 |
100 |
海拔每升高1000m，大氣溫度降低6.5℃左右 |
|
1000 |
89.7 |
96.8 |
|
|
2000 |
79.2 |
93.8 |
|
|
3000 |
70 |
91.2 |
|
|
4000 |
61.6 |
88.8 |
|
|
5000 |
54 |
86.7 |
|
|
6000 |
47.2 |
84.8 |
二、對策措施
根據分析研究，我們提出以下解決措施：
1、功率恢復型增壓技術
功率恢復型增壓主要是對非增壓柴油發電機在高原功率下降的情況下采取的增壓措施，它通過增壓供氣，增加氣缸的充氣密度，以提高過量空氣系數，達到缸內燃油充分燃燒、恢復平均有效壓力的目的，使其功率恢復到原機低海拔標定水平，期間其供油量保持不變。因此，良好的增壓匹配是發電機組性能恢復最重要的技術關鍵。
2、中冷措施
進氣經增壓后，其溫度隨壓力同時升高，影響進氣密度及功率恢復，并造成熱負荷和排溫的急劇升高，進一步影響到可靠性。采用中間冷卻裝置對增壓進氣進行冷卻，有利于降低熱負荷，并進一步提高功率，其與增壓措施的配合是提高功率和可靠性的關鍵一環。
3、熱平衡控制
增壓恢復功率后，原機冷卻系統已不能滿足要求。原因在于高原環境下，空氣密度下降，冷卻水沸點降低，如若采取水中冷措施，更增加了新的熱源，為此需重新調整選配合適的水箱和風扇參數，使柴油發電機熱平衡得到合理控制。
4、增壓型空氣濾清系統
柴油發電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、保養易等特點。
5、高原低溫起動
高原低溫起動條件比較嚴酷。海拔4000m以內極端溫度雖不是很低(-30℃)，但由于氣壓低，起動時壓縮終點壓力及溫度不夠，以及增壓裝置對起動進氣的阻滯作用，因此使起動狀況不佳。但對發電機組來講，有利的方面是起動負荷相對較低，可在起動后溫度上升至適當狀況再加載。根據多年低溫起動試驗研究，考慮采用預熱起動并輔以低溫電瓶組合措施。
6、增壓潤滑系統
增壓器是高溫、高速旋轉的部件，轉速高達105r/min，冷卻潤滑極為重要，其油料需專用增壓油品，并同時適用柴油發電機系統。
三、試驗結果
針對柴油發電機，我們對其原動機實施了增壓中冷恢復功率成套高原適應性技術措施。經海拔2206m、3860m實地試驗研究，確定最佳方案如下：
1、增壓器匹配柴油發電機；
2、采用水中冷措施，利用水箱回水作為介質冷卻進氣；
3、實際散熱能力較原機增大20％；
4、選用增壓型空氣濾清器，其額定流量、濾清效率比原機大約40％；
5、采用起動預熱加熱器和低溫電瓶；
6、設計可靠的增壓器冷卻潤滑系統，主選試驗油品為CF40級機油。
表2、表3是采取高原適應性技術措施后原動機、發電機與改造前的對比試驗數據。
表2 配增壓中冷性能實測結果與對比
|
項目
|
參數
|
≤500m
|
海拔2206m
|
海拔3860m
|
恢復率％
|
|
增壓匹配
|
最大供油功率kW
|
117
|
118.5
|
119
|
100~122
|
|
額定點油耗率g/kW.h
|
≤227
|
227.5
|
227
|
等同
|
|
|
額定點排溫％
|
470
|
407(460)
|
389(460)
|
-15.7
|
|
|
50%負載時油耗率g/kW.h
|
257
|
260
|
258
|
等同
|
|
|
額定點煙度RB
|
≤3.0
|
2.5
|
2.5
|
|
|
|
額定點壓比
|
/
|
1.51
|
1.66
|
|
表3 高原型發電機組電氣性能指標結果與對比
|
測試項目
|
原機實測值
|
高原實測值
|
高原型實測值
|
GB/T2819-95
規定值
|
|
環境溫度(％)
|
27
|
11~22
|
23
|
|
|
海拔高度(％)
|
120
|
3860
|
120
|
|
|
大氣壓力(hPa)
|
1001.08
|
648
|
1007.75
|
|
|
絕緣電阻(MΩ)
|
6
|
|
5
|
|
|
穩態電壓調整率(%)
|
±4.1
|
±3.5
|
±2.6
|
±5
|
|
穩態頻率調整率(%)
|
±2.8
|
±3.2
|
±3
|
±5
|
|
瞬態頻率調整率(%)
|
±3.2
|
±8
|
±6
|
±10
|
|
頻率穩定時間(s)
|
1.6
|
3.3
|
3.1
|
7
|
|
頻率波動率(%)
|
±0.2
|
±0.19
|
±0.1
|
±1.0
|
|
電壓波動率(%)
|
±0.05
|
0
|
±0.05
|
±1.5
|
|
功率因數
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
|
燃油消耗率(g/kW.h)
|
258.6
|
265
|
266
|
≤290
|
|
噪音(A)
|
101.87
|
|
101.9
|
|
從表2、3可以看出，在實施增壓中冷等措施后，柴油發電機功率、油耗率得以很好的恢復，熱負荷得到有效地控制，75GT11柴油發電機主要電氣性能指標完全符合GB/T2819-95的規定。經海拔3860m、84小時變載荷(0～110％)連續運行試驗，發電機工作可靠，運轉性能良好。其低溫預熱起動裝置在海拔2850m、-20℃環境條件下實地試驗表明，起動平穩可靠。
四、高原型發電機組主要電氣性能指標的變化分析
1、穩態電壓調整率 δu
δu＝│(u1－u)/u│×100％
其中：u——空載整定電壓(V)
u1——負載變化后的穩定電壓最大值或最小值(V)，按相對于空載整定電壓差值大的計 。
一般柴油發電機都具有恒壓裝置，所以其變化程度應與低海拔地區相同。
2、穩態頻率調整率δf
δf＝│(f1－f0)/f│×100％
其中：f1——負載變化后的穩定頻率最大值或最小值(Hz) ；
f0——額定負載時的頻率(Hz) ；
f──額定頻率(Hz) 。
發電機組的頻率是由其本身結構決定的，頻率的變化與柴油發電機轉速成正比關系。由于柴油發電機的調速器為機械離心式，其工作性能不受海拔高度變化的影響，所以穩態頻率調整率的變化程度應與低海拔地區相同。
3、瞬態電壓δus與瞬態頻率調整率δfs
δus＝│(us－u)/u│×100％
δfs＝│(fs－f2)/f│×100％
其中：us——負載變化時的瞬時電壓最大值或最小值(V)，按相對于空載整定電壓差值大的計算 ；
fs——負載變化時的瞬時頻率最大值或最小值(Hz) ；
f2——負載變化前的頻率(Hz) 。
負載的瞬時變化，必將引起柴油發電機扭矩的瞬時變化，而柴油發電機的輸出功率不會發生瞬時變化。由公式Nb＝1.04×10-4Mf•nb，可知柴油發電機轉速與扭矩成反比，柴油發電機的轉速也將發生瞬時變化，這樣發電機轉子的轉速也將發生瞬時變化，由此而產生了瞬時電壓Us與瞬時頻率fs。一般來說，這兩個指標不受海拔高度的影響，但對于增壓型發電機組，由于增壓器響應速度的滯后影響了柴油發電機轉速的響應速度，這兩個指標有所升高。
4、電壓與頻率穩定時間
負載的突變引起柴油發電機轉速的波動，通過調速器使燃油供油量向相反的方向變化，從而使柴油發電機回到規定的轉速，也改變了柴油發電機的輸出功率。同樣，對于自然吸氣的柴油發電機來講，海拔高度的變化不會影響這兩個指標。但對于增壓型柴油發電機，由于供油量的改變，可燃混合氣體的比例也發生變化，排出的廢氣壓力也隨之變化，這樣經過廢氣渦輪增壓的空氣量也發生變化，由于增壓機較非增壓機在動力響應上有一定的滯后，將使柴油發電機轉速恢復穩定的時間延長，即電壓穩定時間與頻率穩定時間延長，但這種變化將不會有太大影響。
5、電壓δub與頻率波動率δfb
其中：UBmax——負載不變時的最高電壓(V)
UBmin——負載不變時的最低電壓(V)
UBmax和UBmin取同一負載下同一次測量的最大值和最小值
fBmax——負載不變時的最高頻率(Hz)
fBmin——負載不變時的最低頻率(Hz)
fBmax和fBmin取同一負載下同一次測量的最大值和最小值。
這兩個指標用來考查發電機組本身的原因對輸出電壓及頻率的影響。由于發電機組恒壓裝置和調速器的穩定調節作用，這兩個參數不會隨海拔高度而變化。但對于增壓型發電機組來說，由于增壓系統對進排氣的輔助調節作用，這兩個指標應趨于減小。
總結：
試驗證明，柴油發電機隨海拔高度上升功率下降、油耗率上升、熱負荷升高，性能變化十分嚴重。 實施增壓中冷功率恢復等高原適應性成套技術措施后柴油發電機各項技術性能在海拔4000m可以恢復到原出廠值，對策措施是完全有效可行的。
