性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明 |
柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) |
摘要:柴油發(fā)電機(jī)組主要由柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、油箱、控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成,利用柴油為燃料,柴油內(nèi)燃機(jī)組控制柴油在汽缸內(nèi)有序燃燒,產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)?,?dāng)燃?xì)馀蛎洉r(shí)推動(dòng)活塞使曲軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生機(jī)械能,通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)同步交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出,給各用電負(fù)載提供電源。例如康明斯柴油發(fā)電機(jī)以其堅(jiān)固耐用性、穩(wěn)定性、性能強(qiáng)勁、經(jīng)濟(jì)性而被眾多企業(yè)所選擇,成為其主要的電力來(lái)源。卓越的燃油效率是柴油發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì),由于其出色的設(shè)計(jì)和壓縮空氣允許的效率,它們可以比相同功率的汽油、天然氣等其他類型發(fā)電機(jī)運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間,提供更多的電力。
一、柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)展歷史
柴油發(fā)電機(jī)組是一種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備(外形如圖1所示),它是將熱能(燃油通過(guò)燃燒)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)),再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備,燃油是其原料,電能是其產(chǎn)品。1897年全世界第一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)誕生于德國(guó)的奧格斯堡(Augsburg),是由MAN公司的創(chuàng)始人 Rudolf Diesel 發(fā)明的。目前,柴油機(jī)的英文名字即為創(chuàng)始人的姓名 Diesel。
從1897年第一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組誕生到現(xiàn)在的一百多年時(shí)間里,柴油發(fā)電機(jī)組的技術(shù)發(fā)展一直與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展及控制技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。前50年技術(shù)進(jìn)步相對(duì)緩慢。后50年來(lái)隨著柴油機(jī)技術(shù)水平的快速發(fā)展和機(jī)組控制技術(shù)的不斷更新?lián)Q代,柴油發(fā)電機(jī)組從20世紀(jì)60年代使用的手啟動(dòng)、機(jī)房固定安裝的普通機(jī)組,到70年代研制成功了自啟動(dòng)機(jī)組,80年代研制成功了微型計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化無(wú)人值守機(jī)組,到90年代開(kāi)始研制低噪聲排放的機(jī)組,2000年后注重噪聲和尾氣排放環(huán)境保護(hù)。最近幾年,隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,柴油發(fā)電機(jī)組智能控制也朝云監(jiān)控方向發(fā)展。從而使柴油發(fā)電機(jī)組的技術(shù)裝備水平不斷提高,現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組具有靈活、方便、自動(dòng)化程度高、噪聲小和排放低等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,一些新技術(shù)、新成果的應(yīng)用使得現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組具有更高的適用性、可靠性、安全性以及良好的環(huán)保特性,將不斷滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的更高要求。
作為一臺(tái)發(fā)電機(jī)組,最重要就是柴油機(jī)動(dòng)力部分(外形如圖2所示)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)則與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同,主要有兩個(gè)原因。
(1)空氣被單獨(dú)壓縮——這個(gè)過(guò)程不需要燃料,這允許更高水平的空氣壓縮,從而產(chǎn)生更高的燃料效率和更低的燃料成本。
(2)更多的壓縮空氣等于更熱的空氣。事實(shí)上,它產(chǎn)生了更熱的空氣,當(dāng)添加柴油燃料時(shí),點(diǎn)火是自動(dòng)產(chǎn)生的。這意味著不需要單獨(dú)的火花塞,并且減少了維護(hù)要求與次數(shù),可以節(jié)省大量后期可能需要的維護(hù)費(fèi)用。
現(xiàn)在,很多企業(yè)都傾向于配置柴油發(fā)電機(jī),因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)更可靠。事實(shí)上,自從魯?shù)婪?middot;迪塞爾于1878年發(fā)明了柴油發(fā)動(dòng)機(jī),因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的效率極高,且柴油發(fā)動(dòng)機(jī)比汽油、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用相同的體積的燃料,卻能產(chǎn)生更高的效率與動(dòng)力。時(shí)至今日,柴油發(fā)電機(jī)仍被認(rèn)為是最高效、最具成本效益的選擇,柴油發(fā)電機(jī)旨在在更長(zhǎng)的時(shí)間里提供大量電力,而無(wú)需頻繁停機(jī)。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)組側(cè)視圖 |
圖2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型圖 |
二、柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)
柴油發(fā)電機(jī)組是一種機(jī)電一體化設(shè)備,它由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和機(jī)組控制系統(tǒng)三大部件組成,包括前端的供油系統(tǒng)和后端的輸配電系統(tǒng),組成一個(gè)完整的電站系統(tǒng)。其技術(shù)涉及機(jī)械動(dòng)力學(xué)、電學(xué)、自動(dòng)化控制等各個(gè)領(lǐng)域。柴油發(fā)電機(jī)組一般有如下構(gòu)成的組件:
1、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)
以康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)QSL8.9系列為例,柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng),俗稱三大機(jī)構(gòu)四大系統(tǒng)。這些系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)的良好配合,是柴油機(jī)能夠產(chǎn)生動(dòng)力并對(duì)外輸出動(dòng)力的關(guān)鍵。
(1)曲柄連桿機(jī)構(gòu): 機(jī)體部件:氣缸體、氣缸蓋、氣缸套、主軸承、主軸承蓋等。
(2)主運(yùn)動(dòng)部件:曲軸、連桿、活塞、活塞環(huán)、飛輪、皮帶輪等。 配氣機(jī)構(gòu):配氣定時(shí)齒輪、凸輪軸、隨動(dòng)臂、推桿、搖臂、搖臂軸、進(jìn)氣門、排氣門、氣門彈簧、氣門導(dǎo)套、氣門鎖銷、空氣濾清器、渦輪增壓器、消音器、中冷器等。
(3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu):如驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)、噴油泵、風(fēng)扇、機(jī)油泵、輸油泵等以及其他輔助部件等。
(4)燃油系統(tǒng):燃油箱、輸油泵、濾油器、油水分離器、噴油泵、噴油嘴等。 潤(rùn)滑系統(tǒng):油底殼、油泵、油冷器、濾油器、活塞冷卻噴嘴等。
(5)冷卻系統(tǒng):散熱器、水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等。 起動(dòng)系統(tǒng):蓄電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)馬達(dá)、起動(dòng)開(kāi)關(guān)、蓄電池繼電器等。
四大系統(tǒng)中,曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)和燃油供給系統(tǒng),是柴油機(jī)的三個(gè)最基本的部分,它們互相配合,完成柴油機(jī)的工作循環(huán),實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。 在使用過(guò)程中,三者技術(shù)狀態(tài)的好壞及相互之間配合的正確與否,對(duì)柴油機(jī)的性能具有決定性的影響。潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)為柴油機(jī)的輔助系統(tǒng),是柴油機(jī)長(zhǎng)期正常工作不可缺少的重要部分。如果潤(rùn)滑系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)工作不正常,那么柴油機(jī)就會(huì)發(fā)生故障,也不能正常工作。
圖3 康明斯QSL8.9型柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖 |
圖4 康明斯QSL8.9型柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)后視圖 |
2、交流無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)
發(fā)電機(jī)的主機(jī)是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式,通過(guò)發(fā)電機(jī)的定子向外輸出電能。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子往往有隱極與凸極兩種結(jié)構(gòu)型式。因?yàn)榇祟惏l(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況一般均和電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行,從而對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓品質(zhì)要求較高。轉(zhuǎn)子為隱極結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)波形的畸變率小、正弦性好。主機(jī)勵(lì)磁電流的由勵(lì)磁機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)的整流器來(lái)提供的,勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式的三相同步發(fā)電機(jī),勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁是由發(fā)電機(jī)控制器來(lái)提供的。
(1)通風(fēng)散熱
為了提高材料利用率,采用較高的電磁負(fù)荷,所以需要提高發(fā)電機(jī)的散熱能力。發(fā)電機(jī)采用軸向的通風(fēng)結(jié)構(gòu),大部分損耗所產(chǎn)生的熱量從定子鐵芯傳給機(jī)座,再通過(guò)內(nèi)部風(fēng)扇與外部環(huán)境所帶來(lái)的冷卻氣體進(jìn)行冷卻。而其余的損耗熱量主要是轉(zhuǎn)子損耗與部分定子繞組端部的損耗,都是由內(nèi)部風(fēng)扇所帶來(lái)的冷卻氣流進(jìn)行冷卻。
發(fā)電機(jī)的冷卻方式一般可分為自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)循環(huán)冷卻、自力通風(fēng)冷卻。自然冷卻多用于1KW以下的發(fā)電機(jī),強(qiáng)迫風(fēng)循環(huán)冷卻需在發(fā)電機(jī)和風(fēng)機(jī)之間設(shè)置專門的風(fēng)路,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大,維護(hù)維修不便。中壓發(fā)電機(jī)功率不是很大,選用自力通風(fēng)冷卻是最為合理的,將風(fēng)扇安裝在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,風(fēng)扇所消耗的功率由轉(zhuǎn)軸的機(jī)械功率進(jìn)行供給。
(2)絕緣
發(fā)電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)所采用的材料,在溫度作用下,其機(jī)械、電氣、物理等性能都將會(huì)逐漸變壞,且當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),絕緣材料的特性將會(huì)發(fā)生本質(zhì)的變化,導(dǎo)致失去絕緣能力。
為提高發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí),發(fā)電機(jī)的電磁線采用漆膜厚度2級(jí)、耐熱等級(jí)為200級(jí)的聚酯亞胺/聚酰亞胺復(fù)合漆包圓銅線;槽的絕緣為耐熱等級(jí)為180級(jí)的聚酯亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料;引接線采用銅芯交聯(lián)聚烯烴絕緣發(fā)電機(jī)繞組的引接線電纜、電線,連續(xù)運(yùn)行導(dǎo)體的最高溫度為125℃;槽楔為耐熱等級(jí)為180級(jí)的聚胺酰亞胺層壓的玻璃布板:160無(wú)溶劑浸漬絕緣漆為連續(xù)真空壓力絕緣。整體的絕緣耐熱等級(jí)為H級(jí),最高可允許的工作溫度為180℃。所以,發(fā)電機(jī)的絕緣性能優(yōu)良可靠,防潮能力強(qiáng),機(jī)械強(qiáng)度好。
(3)勵(lì)磁系統(tǒng)
中壓無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)通常采用單機(jī)勵(lì)磁,勵(lì)磁系統(tǒng)有三種方案:
① 可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁:動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能好;難于與高壓發(fā)電機(jī)一體化,高低壓導(dǎo)線混雜,可靠性差。
② 諧波勵(lì)磁:動(dòng)態(tài)性能好,穩(wěn)態(tài)性能稍差;低壓諧波繞組易被擊穿,可靠性差。
③ 副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁:動(dòng)態(tài)性能稍差,穩(wěn)態(tài)性能好,增加副勵(lì)磁機(jī),使發(fā)電機(jī)軸向尺寸增大。
第三種方案雖然動(dòng)態(tài)性能稍差,但可靠性高,是最為可行的。因此一般在選擇副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方案時(shí),副勵(lì)磁機(jī)為發(fā)電機(jī)控制器所提供的工作電源,以及勵(lì)磁機(jī)用的勵(lì)磁電源:信號(hào)取樣裝置TA、TV是發(fā)電機(jī)控制器所提供控制用的信號(hào)取樣的輸入。
3、控制系統(tǒng)
柴油發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)由一臺(tái)主控制柜和若干發(fā)電機(jī)分控制柜組成。主控制柜使用PLC-觸摸屏結(jié)構(gòu)。每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組都配有一臺(tái)專業(yè)控制器,裝在分控制柜中,負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、參數(shù)采集、故障檢測(cè),并且多臺(tái)發(fā)電機(jī)之間或與市電之間自動(dòng)同期并網(wǎng)。
PLC是控制系統(tǒng)的核心,其輸入信號(hào)來(lái)自ATS和上位機(jī),輸出信號(hào)給專業(yè)控制器,按照之前制定好的控制規(guī)則來(lái)控制機(jī)組的動(dòng)作,滿足供電線路在不同情況下的多樣閉合要求,整合所有專業(yè)控制器中的柴油發(fā)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù),以供上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏讀取。上位機(jī)可通過(guò)TCP/IP或現(xiàn)場(chǎng)總線讀取PLC中的數(shù)據(jù),將機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)直觀顯示,實(shí)施對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè),同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)遙控。其中,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已日趨成熟,如Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線,傳輸距離遠(yuǎn),通訊速率高,支持光線,非常適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能
柴油發(fā)電機(jī)組有多種分類方法,按柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速可分為高速機(jī)組(1500~1800rpm)、中速機(jī)組(1000rpm)和低速機(jī)組(600rpm以下);按柴油機(jī)的冷卻方式可分為水冷和風(fēng)冷機(jī)組;按柴油機(jī)柴油調(diào)速方式可分為機(jī)械調(diào)速、電子調(diào)速、液壓調(diào)速和電子噴油管理控制調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱電噴或ECU);按機(jī)組使用的連續(xù)性可分為長(zhǎng)用機(jī)組和備用機(jī)組;柴油發(fā)電機(jī)組通常采用三相交流同步無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī),按發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式可分為自勵(lì)式和他勵(lì)式。
三、柴油發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)
柴油發(fā)電機(jī)組是集柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域相交叉的技術(shù)。柴油發(fā)電機(jī)組是以柴油機(jī)為動(dòng)力的發(fā)電設(shè)備,它與常用的蒸汽發(fā)電機(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)組、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組、原子能發(fā)電機(jī)組等發(fā)電設(shè)備相比較,具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、熱效率高、啟動(dòng)迅速、控制靈活以及燃料儲(chǔ)存容易等優(yōu)點(diǎn)。其外形平面和后視圖分別如圖5、圖6所示。
1、單機(jī)容量等級(jí)多
柴油發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量從幾千瓦至幾萬(wàn)千瓦,目前國(guó)產(chǎn)機(jī)組最大單機(jī)容量為幾千千瓦。用作船舶、郵電、高層建筑、工礦企業(yè)、軍事設(shè)施的常用、應(yīng)急和備用發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量,可選擇的容量范圍大,具有適用于多種容量用電負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)。
采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急和備用電源時(shí),可采用一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組,裝機(jī)容量根據(jù)實(shí)際需要靈活配置。
2、體積小,占地面積小
配套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、單位功率重量輕、安裝地點(diǎn)靈活。柴油發(fā)電機(jī)組的配套設(shè)備比較簡(jiǎn)單、輔助設(shè)備少、體積小、重量輕。以高速柴油機(jī)為例,功率重量比一般在8~20kg/kW,而蒸汽動(dòng)力裝置比柴油發(fā)電機(jī)的這項(xiàng)指標(biāo)大4倍以上。與水輪機(jī)組需建水壩、蒸汽機(jī)組需配置鍋爐、燃料儲(chǔ)備和水處理系統(tǒng)等比較,柴油發(fā)電機(jī)組具有占地面積小、建設(shè)速度快和投資費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。
常用發(fā)電機(jī)組通常采用獨(dú)立配置方式,一般不與外(市)電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。而備用發(fā)電機(jī)組或應(yīng)急發(fā)電機(jī)組一般與變配電設(shè)備配合使用。機(jī)組占地面積小,安裝地點(diǎn)靈活。
3、熱效率高,燃油消耗低
柴油機(jī)是目前熱效率最高的熱力發(fā)動(dòng)機(jī),其有效熱效率為30%~46%,高壓蒸汽輪機(jī)約為20%~40%,燃?xì)廨啓C(jī)約為20%~30%,因此柴油發(fā)電機(jī)組的燃油消耗較低。
4、啟動(dòng)迅速、并能很快達(dá)到全功率
柴油機(jī)的啟動(dòng)一般只需幾秒鐘,在應(yīng)急狀態(tài)下可在1min內(nèi)達(dá)到全負(fù)載運(yùn)行;在正常工作狀態(tài)下約在5~30min內(nèi)達(dá)到全負(fù)載,而蒸汽動(dòng)力裝置從啟動(dòng)到全負(fù)載一般需要3~4h。柴油機(jī)的停機(jī)過(guò)程也很短,緊急狀態(tài)可即時(shí)停機(jī),正常狀態(tài)的停機(jī)過(guò)程不超過(guò)3min,可以頻繁起停。所以柴油發(fā)電機(jī)組很適合作為應(yīng)急發(fā)電機(jī)組或備用發(fā)電機(jī)組。
5、維護(hù)操作簡(jiǎn)單
因其操作非常容易,從而僅需一名操作人員,并且在備用期間的維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單。
6、建設(shè)與發(fā)電的綜合成本最低
柴油發(fā)電機(jī)組中的柴油機(jī)一般為四沖程、水冷、中高速內(nèi)燃機(jī)。燃用不可再生的柴油或在柴油中摻燒乙醇、生物柴油、壓縮天然氣(CNG)和液化石油氣(LPG)等可再生能源以節(jié)省能源和保護(hù)環(huán)境。柴油機(jī)燃燒后的排放物主要為CO、HC、PM(顆粒)污染環(huán)境,而且排氣噪聲較大。盡管如此,柴油發(fā)電機(jī)組與水力、風(fēng)力、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電以及核能、火力發(fā)電等相比較,具有非常明顯的優(yōu)勢(shì):柴油發(fā)電機(jī)組的建設(shè)與發(fā)電的綜合成本最低。
圖5 柴油發(fā)電機(jī)組平面圖 |
圖6 柴油發(fā)電機(jī)組后視圖 |
總結(jié):
柴油發(fā)電機(jī)組是一種成套發(fā)電設(shè)備。柴油機(jī)電站可以是單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組自成體系獨(dú)立發(fā)電、供電,也可多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并列發(fā)電、供電。在這個(gè)系統(tǒng)中,只要保證燃油供應(yīng),就可不間斷地輸出電能。 在柴油發(fā)電機(jī)組的各主要部件中,柴油機(jī)有著最為重要的地位,這不僅是因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)值最高,而且也是因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組的心臟,在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)揮著主要的作用??得魉构菊J(rèn)為只有優(yōu)質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)、優(yōu)質(zhì)的發(fā)電機(jī)、優(yōu)質(zhì)的控制系統(tǒng)和優(yōu)質(zhì)的成套工藝才能組成最優(yōu)質(zhì)的發(fā)電機(jī)組。
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