新聞主題	柴油發(fā)電機組高溫運行和冷啟動(dòng)性能測試

 

摘要：作為現代最常用的發(fā)電設備，柴油發(fā)電機組有著(zhù)一些獨特的優(yōu)點(diǎn)而受到用戶(hù)喜愛(ài)。比如柴油發(fā)電機組體積相對較小，靈活便捷；操作方便，簡(jiǎn)單易控制；能源原料來(lái)源廣泛，啟動(dòng)快，可以快速供電；供電平穩，可以對負載進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直接供電。毫無(wú)疑問(wèn)，根據這些優(yōu)點(diǎn)使其無(wú)論作為備用電源，還是移動(dòng)電源和自備電源的優(yōu)勢在短期內是無(wú)可取代的。由于在一些特殊環(huán)境條件下，柴油發(fā)電機組應用顯然受限。所以，康明斯專(zhuān)門(mén)推出一款針對性的應對高溫和低溫環(huán)境下使用的柴油發(fā)電機組。

 

一、技術(shù)路線(xiàn)

     以康明斯的280KW型號KC280GF發(fā)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(mén)柴油機配套斯坦發(fā)電機成套機組（如圖1所示，帶靜音箱外罩），在此基礎上進(jìn)行應用研究，提高調速性能要求，滿(mǎn)足公用電力類(lèi)用電設備的需要，滿(mǎn)足在 50 ℃環(huán)境溫度下的正常工作要求及-40 ℃低溫下的正常啟動(dòng)要求。

1、柴油機的調速系統

      由于發(fā)電機組的使用范圍為公用電力類(lèi)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(lèi)，按照G2級要求進(jìn)行設計柴油機調速性能就可以滿(mǎn)足發(fā)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(tài)頻率帶17％，瞬態(tài)頻率偏差：100％突減功率時(shí)12％，突加功率時(shí)10％，頻率恢復時(shí)間5s。

      為了滿(mǎn)足這一調速性能要求，柴油發(fā)電機的調速系統采用電子調速器。柴油發(fā)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(huán)控制，PID控制方法是工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中廣泛應用的一種方法。由于柴油發(fā)電機速度系統基本上可以看成是一個(gè)慣性加小純滯后系統，近似線(xiàn)性系統，所以采用PID方式控制柴油發(fā)電機轉速，在很寬的范圍內可以保證柴油發(fā)電機具有良好的速度特性。

      此次應用研究的柴油發(fā)電機采用康明斯公司的電子調速器，首先柴油發(fā)電機、轉速傳感器、控制器、執行器通過(guò)一定的連接構成一個(gè)速度閉合環(huán)路，由控制器根據轉速傳感器檢測到的柴油發(fā)電機轉速信號對柴油發(fā)電機轉速進(jìn)行控制。其中最為關(guān)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(dòng)執行器的 PWM方波校正功率信號它的工作過(guò)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(jìn)行比較，兩者的差作為偏差信號。該偏差信號經(jīng)過(guò)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(zhù)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(shí)，輸出電壓為零。由于柴油發(fā)電機自身質(zhì)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(guò)程會(huì )連續不斷地進(jìn)行，最終使工作轉速恒定在沒(méi)定轉速上。

2、高溫工作性能

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

3、低溫啟動(dòng)性能

      為了滿(mǎn)足發(fā)電機組在-40 ℃環(huán)境溫度下的應急備用能力，對柴油發(fā)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(guò)預熱裝置對缸套水進(jìn)行加熱。通過(guò)發(fā)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(shí)，啟動(dòng)加熱；水溫高于50 ℃時(shí)，加熱停止，使柴油發(fā)電機水套的溫度始終保持在36、50 ℃左右，柴油發(fā)電機處于熱備用狀態(tài)。機油、柴油采用滿(mǎn)足-40 ℃環(huán)境溫度使用條件的油品，從而保證柴油發(fā)電機在17s內能順利實(shí)現啟動(dòng)。

圖1  柴油發(fā)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(fā)電機組在高溫環(huán)境中（40℃或45℃，按技術(shù)條件要求規定）靜置6h后，在額定工況下連續運行至熱態(tài)。之后，按前面有關(guān)條文的規定測定繞組溫升、電壓與頻率的穩態(tài)調整率和波動(dòng)率。在連續運行期間，每隔0.5h記錄一次有關(guān)數據（同熱試驗）。試驗過(guò)程中，對機組的要求同12h連續運行試驗。

      高溫性能試驗在發(fā)電機組滿(mǎn)載的狀態(tài)下進(jìn)行試驗，實(shí)驗數據見(jiàn)表3。

表1    高溫性能實(shí)驗數據

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

2、低溫性能試驗

      低溫試驗系統框圖如圖3所示。發(fā)電機組加滿(mǎn)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(dòng)用蓄電池（柴油機為電啟動(dòng)者）后，將發(fā)電機組靜置于規定的低溫（-40°℃25℃或-15℃，按技術(shù)條件要求規定）環(huán)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(dòng)能力施壓：

      完全充電的蓄電池，放置在帶有空氣循環(huán)低溫箱或低溫室中，溫度保持在-18℃±1℃，時(shí)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(xiàn)端，時(shí)間不超過(guò)2min。以規定的-18℃冷啟動(dòng)電流Icc電流放電30s，在放電過(guò)程中電流值的變化應不超過(guò)正±0.5%，分別記錄放電10s和30s時(shí)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(guò)程中電流值的變化應不超過(guò)±0.5%，記錄40s時(shí)蓄電池端電壓。全部實(shí)驗在90s內完成。蓄電池放電到10s時(shí)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(chǎn)品目錄。

（2）起動(dòng)阻力矩

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

 

圖3  柴油機低溫啟動(dòng)試驗系統框圖

圖4  柴油機起動(dòng)阻力矩預測曲線(xiàn)

 

表3    -25℃時(shí)不同起動(dòng)機的起動(dòng)試驗數據

 

 

3、性能曲線(xiàn)

      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(fā)動(dòng)機測功器上進(jìn)行試驗，測出在不同工況下的數據，并繪制成曲線(xiàn)表示其變化關(guān)系。這些曲線(xiàn)稱(chēng)為柴油機的特性曲線(xiàn)。在衡量柴油機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性時(shí)，常用的特性曲線(xiàn)有外特性曲線(xiàn)、速度特性曲線(xiàn)和調速特性曲線(xiàn)等。

（1）速度特性曲線(xiàn)

      當柴油機運轉的時(shí)候，其功率、扭矩和耗油量這三個(gè)基本性能指標都會(huì )隨著(zhù)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(xiàn)，就有了反映柴油機特性的曲線(xiàn)圖。根據柴油機的各種特性曲線(xiàn)，可以全面地判斷柴油機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性。反映柴油機運行狀況常用速度特性曲線(xiàn)。

      柴油機的速度特性曲線(xiàn)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(shí)）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(dòng)試驗臺架上測出的。保持柴油機在一定節氣門(mén)開(kāi)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(jìn)行上述步驟。就能測出在不同轉速下的數值，將這些數值點(diǎn)連點(diǎn)地組成連續曲線(xiàn)，就產(chǎn)生了功率曲線(xiàn)、扭矩曲線(xiàn)和比燃料消耗量曲線(xiàn)，它們與相應的轉速區域對應。

（2）外特性曲線(xiàn)

      當柴油機噴油泵在最大供油量時(shí)的速度特性，稱(chēng)為柴油機的外特性，它表示柴油機所能得到的最大動(dòng)力性能。從外特性曲線(xiàn)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(fā)電機組產(chǎn)品介紹書(shū)上大都采用柴油機外特性曲線(xiàn)圖，如圖3所示。但一般只標出功率和扭矩曲線(xiàn)。

（3）調速特性

      柴油機的外特性曲線(xiàn)很平緩，這說(shuō)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(fā)電機組的工作非常不利，容易引起發(fā)動(dòng)機的轉速過(guò)快（飛車(chē)），或者使發(fā)動(dòng)機熄火。但如果在柴油機上裝有一個(gè)能根據發(fā)動(dòng)機負荷變化而自動(dòng)調節供油量的專(zhuān)門(mén)裝置一一調速器，就可控制發(fā)動(dòng)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(xiàn)稱(chēng)為調速特性，如圖2所示。

4、結論

      柴油發(fā)電機啟動(dòng)在規定的環(huán)境溫度下進(jìn)行，連續啟動(dòng)3次，每次間隔5分鐘，試驗數據。通過(guò)分析以上試驗數據及圖5、圖6的特性曲線(xiàn)圖可以得出以下結論：

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

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

圖5  柴油發(fā)動(dòng)機功率輸出曲線(xiàn)

圖6  柴油機均轉速變化曲線(xiàn)

 

 

總結：

      康明斯發(fā)電機組用柴油機經(jīng)過(guò)嚴格的出廠(chǎng)試驗及現場(chǎng)調試，已經(jīng)在康明斯公司成功實(shí)現批量化配套應用，產(chǎn)品已經(jīng)出口銷(xiāo)售到中東、俄羅斯等地區，并在國內其他多家發(fā)電機組公司得到應用。以低溫啟動(dòng)可靠，運轉穩定，在高溫下可靠工作，得到用戶(hù)的青睞。此應用研究和方案的成功實(shí)施，可為類(lèi)似用途柴油機的方案設計提供參考。

 

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