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新聞主題 |
高海拔和高溫因素對柴油發(fā)電機組的影響 |
摘要：在高海拔地區應用柴油發(fā)電機組應注意伴隨著(zhù)海拔高度的不斷上升，大氣壓強、空氣含氧量及其自然環(huán)境溫度都有差異程度的下滑。對于陽(yáng)光直接輻射強度和風(fēng)速，因為柴油發(fā)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(fā)電機組含氧量分量少，運行環(huán)境溫度低，特別對自然進(jìn)氣的柴油機，柴油發(fā)電機組因進(jìn)供氣量嚴重不足而燃燒不好，使柴油機無(wú)法產(chǎn)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(fā)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(cháng)期應用時(shí)應依據當地的海拔高度，適當減小供油量。
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圖1 高原柴油發(fā)電機施工現場(chǎng)使用實(shí)景 |
圖2 高原電信基站用柴油發(fā)電機實(shí)景 |
一、高原環(huán)境對柴油發(fā)電機性能的實(shí)際影響
表1是我們對柴油發(fā)電機原動(dòng)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(fā)電機組輸出功率將顯著(zhù)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(fā)電機高原性能變化試驗結果
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項目 |
參數 |
海拔 |
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≤500m |
2206m |
3860m |
||||
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標定值 |
實(shí)測值 |
變化率% |
實(shí)測值 |
變化率% |
||
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自然吸氣 |
最大供油時(shí)功率kW |
117 |
96.75 |
-17.3 |
81.75 |
-30.1 |
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額定點(diǎn)油耗率g/kW.h |
≤227 |
263.64 |
16.1 |
327.43 |
+44 |
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額定點(diǎn)排溫℃ |
470℃ |
550℃ |
17 |
630℃ |
+34 |
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額定點(diǎn)煙度RB |
≤3.0 |
3.5 |
|
6.0 |
|
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50%負載時(shí)油耗率g/kW.h |
257 |
259 |
0.7 |
259 |
+0.7 |
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表1（B） 高溫高海拔柴油發(fā)電機修正系數表
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發(fā)動(dòng)機型號 |
功率范圍 |
溫度基數 |
高度基數 |
高度/功率 |
溫度/功率 |
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B3.3 |
20KW以下 |
40℃ |
1000米 |
每升 100M/降0.7% |
每升10℃/降1% |
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4BTA3.9 |
30~70KW |
40℃ |
1000米 |
每升 100M/降0.9% |
每升10℃/降4.5% |
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6BTA5.9 |
80~140KW |
38℃ |
660米 |
每升 330M/降4% |
每升11℃/降2% |
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6CTA8.3 |
150~220KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
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NTA855 |
200~360KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
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KTA19 |
400~550KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
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VT28 |
550~660KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
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KTA38 |
640~1000KW |
40℃ |
1525米 |
每升 300M/降4% |
每升11℃/降2% |
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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(diǎn)與海拔變化對應關(guān)系
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海拔/m |
大氣壓力/kPa |
水沸點(diǎn)/℃ |
備注 |
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0 |
101.3 |
100 |
海拔每升高1000m，大氣溫度降低6.5℃左右 |
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1000 |
89.7 |
96.8 |
|
|
2000 |
79.2 |
93.8 |
|
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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(shù)
功率恢復型增壓主要是對非增壓柴油發(fā)電機在高原功率下降的情況下采取的增壓措施，它通過(guò)增壓供氣，增加氣缸的充氣密度，以提高過(guò)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(fā)電機組性能恢復最重要的技術(shù)關(guān)鍵。
2、中冷措施
進(jìn)氣經(jīng)增壓后，其溫度隨壓力同時(shí)升高，影響進(jìn)氣密度及功率恢復，并造成熱負荷和排溫的急劇升高，進(jìn)一步影響到可靠性。采用中間冷卻裝置對增壓進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，有利于降低熱負荷，并進(jìn)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(guān)鍵一環(huán)。
3、熱平衡控制
增壓恢復功率后，原機冷卻系統已不能滿(mǎn)足要求。原因在于高原環(huán)境下，空氣密度下降，冷卻水沸點(diǎn)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(fēng)扇參數，使柴油發(fā)電機熱平衡得到合理控制。
4、增壓型空氣濾清系統
柴油發(fā)電機增壓時(shí)供氣量將增加，尤其針對高原沙塵大的特點(diǎn)，要求空濾器應盡可能具有效率高、阻力小、流量大、壽命長(cháng)、體積小、重量輕、成本低、保養易等特點(diǎn)。
5、高原低溫起動(dòng)
高原低溫起動(dòng)條件比較嚴酷。海拔4000m以?xún)葮O端溫度雖不是很低(-30℃)，但由于氣壓低，起動(dòng)時(shí)壓縮終點(diǎn)壓力及溫度不夠，以及增壓裝置對起動(dòng)進(jìn)氣的阻滯作用，因此使起動(dòng)狀況不佳。但對發(fā)電機組來(lái)講，有利的方面是起動(dòng)負荷相對較低，可在起動(dòng)后溫度上升至適當狀況再加載。根據多年低溫起動(dòng)試驗研究，考慮采用預熱起動(dòng)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(zhuān)用增壓油品，并同時(shí)適用柴油發(fā)電機系統。
三、試驗結果
針對柴油發(fā)電機，我們對其原動(dòng)機實(shí)施了增壓中冷恢復功率成套高原適應性技術(shù)措施。經(jīng)海拔2206m、3860m實(shí)地試驗研究，確定最佳方案如下：
1、增壓器匹配柴油發(fā)電機；
2、采用水中冷措施，利用水箱回水作為介質(zhì)冷卻進(jìn)氣；
3、實(shí)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(dòng)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(shù)措施后原動(dòng)機、發(fā)電機與改造前的對比試驗數據。
表2 配增壓中冷性能實(shí)測結果與對比
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項目
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參數
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≤500m
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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(diǎn)油耗率g/kW.h
|
≤227
|
227.5
|
227
|
等同
|
|
|
額定點(diǎn)排溫％
|
470
|
407(460)
|
389(460)
|
-15.7
|
|
|
50%負載時(shí)油耗率g/kW.h
|
257
|
260
|
258
|
等同
|
|
|
額定點(diǎn)煙度RB
|
≤3.0
|
2.5
|
2.5
|
|
|
|
額定點(diǎn)壓比
|
/
|
1.51
|
1.66
|
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表3 高原型發(fā)電機組電氣性能指標結果與對比
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測試項目
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原機實(shí)測值
|
高原實(shí)測值
|
高原型實(shí)測值
|
GB/T2819-95
規定值
|
|
環(huán)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(tài)電壓調整率(%)
|
±4.1
|
±3.5
|
±2.6
|
±5
|
|
穩態(tài)頻率調整率(%)
|
±2.8
|
±3.2
|
±3
|
±5
|
|
瞬態(tài)頻率調整率(%)
|
±3.2
|
±8
|
±6
|
±10
|
|
頻率穩定時(shí)間(s)
|
1.6
|
3.3
|
3.1
|
7
|
|
頻率波動(dòng)率(%)
|
±0.2
|
±0.19
|
±0.1
|
±1.0
|
|
電壓波動(dòng)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(shí)施增壓中冷等措施后，柴油發(fā)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(fā)電機主要電氣性能指標完全符合GB/T2819-95的規定。經(jīng)海拔3860m、84小時(shí)變載荷(0～110％)連續運行試驗，發(fā)電機工作可靠，運轉性能良好。其低溫預熱起動(dòng)裝置在海拔2850m、-20℃環(huán)境條件下實(shí)地試驗表明，起動(dòng)平穩可靠。
四、高原型發(fā)電機組主要電氣性能指標的變化分析
1、穩態(tài)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(fā)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(tài)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(shí)的頻率(Hz) ；
f──額定頻率(Hz) 。
發(fā)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(fā)電機轉速成正比關(guān)系。由于柴油發(fā)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(tài)頻率調整率的變化程度應與低海拔地區相同。
3、瞬態(tài)電壓δus與瞬態(tài)頻率調整率δfs
δus＝│(us－u)/u│×100％
δfs＝│(fs－f2)/f│×100％
其中：us——負載變化時(shí)的瞬時(shí)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(shí)的瞬時(shí)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(shí)變化，必將引起柴油發(fā)電機扭矩的瞬時(shí)變化，而柴油發(fā)電機的輸出功率不會(huì )發(fā)生瞬時(shí)變化。由公式Nb＝1.04×10-4Mf•nb，可知柴油發(fā)電機轉速與扭矩成反比，柴油發(fā)電機的轉速也將發(fā)生瞬時(shí)變化，這樣發(fā)電機轉子的轉速也將發(fā)生瞬時(shí)變化，由此而產(chǎn)生了瞬時(shí)電壓Us與瞬時(shí)頻率fs。一般來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)指標不受海拔高度的影響，但對于增壓型發(fā)電機組，由于增壓器響應速度的滯后影響了柴油發(fā)電機轉速的響應速度，這兩個(gè)指標有所升高。
4、電壓與頻率穩定時(shí)間
負載的突變引起柴油發(fā)電機轉速的波動(dòng)，通過(guò)調速器使燃油供油量向相反的方向變化，從而使柴油發(fā)電機回到規定的轉速，也改變了柴油發(fā)電機的輸出功率。同樣，對于自然吸氣的柴油發(fā)電機來(lái)講，海拔高度的變化不會(huì )影響這兩個(gè)指標。但對于增壓型柴油發(fā)電機，由于供油量的改變，可燃混合氣體的比例也發(fā)生變化，排出的廢氣壓力也隨之變化，這樣經(jīng)過(guò)廢氣渦輪增壓的空氣量也發(fā)生變化，由于增壓機較非增壓機在動(dòng)力響應上有一定的滯后，將使柴油發(fā)電機轉速恢復穩定的時(shí)間延長(cháng)，即電壓穩定時(shí)間與頻率穩定時(shí)間延長(cháng)，但這種變化將不會(huì )有太大影響。
5、電壓δub與頻率波動(dòng)率δfb
其中：UBmax——負載不變時(shí)的最高電壓(V)
UBmin——負載不變時(shí)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(shí)的最高頻率(Hz)
fBmin——負載不變時(shí)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(gè)指標用來(lái)考查發(fā)電機組本身的原因對輸出電壓及頻率的影響。由于發(fā)電機組恒壓裝置和調速器的穩定調節作用，這兩個(gè)參數不會(huì )隨海拔高度而變化。但對于增壓型發(fā)電機組來(lái)說(shuō)，由于增壓系統對進(jìn)排氣的輔助調節作用，這兩個(gè)指標應趨于減小。
總結：
試驗證明，柴油發(fā)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(shí)施增壓中冷功率恢復等高原適應性成套技術(shù)措施后柴油發(fā)電機各項技術(shù)性能在海拔4000m可以恢復到原出廠(chǎng)值，對策措施是完全有效可行的。
