新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組高溫運(yùn)行和冷啟動性能測試

 

摘要：作為現(xiàn)代最常用的發(fā)電設(shè)備，柴油發(fā)電機(jī)組有著一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到用戶喜愛。比如柴油發(fā)電機(jī)組體積相對較小，靈活便捷；操作方便，簡單易控制；能源原料來源廣泛，啟動快，可以快速供電；供電平穩(wěn)，可以對負(fù)載進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直接供電。毫無疑問，根據(jù)這些優(yōu)點(diǎn)使其無論作為備用電源，還是移動電源和自備電源的優(yōu)勢在短期內(nèi)是無可取代的。由于在一些特殊環(huán)境條件下，柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用顯然受限。所以，康明斯專門推出一款針對性的應(yīng)對高溫和低溫環(huán)境下使用的柴油發(fā)電機(jī)組。

 

一、技術(shù)路線

     以康明斯的280KW型號KC280GF發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)為例的應(yīng)用研究，主要依托于康明斯M11系列6缸四氣門柴油機(jī)配套斯坦發(fā)電機(jī)成套機(jī)組（如圖1所示，帶靜音箱外罩），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用研究，提高調(diào)速性能要求，滿足公用電力類用電設(shè)備的需要，滿足在 50 ℃環(huán)境溫度下的正常工作要求及-40 ℃低溫下的正常啟動要求。

1、柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)

      由于發(fā)電機(jī)組的使用范圍為公用電力類型的備用應(yīng)急電站，依據(jù)GB/T2828.1一2009中電站性能等級的分類，按照G2級要求進(jìn)行設(shè)計(jì)柴油機(jī)調(diào)速性能就可以滿足發(fā)電機(jī)組要求。GB02820．5一2009中規(guī)定 G2級電站調(diào)速要求如下：頻率降5％，穩(wěn)態(tài)頻率帶17％，瞬態(tài)頻率偏差：100％突減功率時12％，突加功率時10％，頻率恢復(fù)時間5s。

      為了滿足這一調(diào)速性能要求，柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)采用電子調(diào)速器。柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器按控制方式分為模擬式和數(shù)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)過程控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種方法。由于柴油發(fā)電機(jī)速度系統(tǒng)基本上可以看成是一個慣性加小純滯后系統(tǒng)，近似線性系統(tǒng)，所以采用PID方式控制柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在很寬的范圍內(nèi)可以保證柴油發(fā)電機(jī)具有良好的速度特性。

      此次應(yīng)用研究的柴油發(fā)電機(jī)采用康明斯公司的電子調(diào)速器，首先柴油發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、控制器、執(zhí)行器通過一定的連接構(gòu)成一個速度閉合環(huán)路，由控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器檢測到的柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號對柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)速傳感器輸出的正弦波信號，輸出信號是驅(qū)動執(zhí)行器的 PWM方波校正功率信號它的工作過程是：首先在控制器內(nèi)部的基準(zhǔn)電路單元上設(shè)置標(biāo)定轉(zhuǎn)速，然后對輸人工作轉(zhuǎn)速信號與設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，兩者的差作為偏差信號。該偏差信號經(jīng)過PID運(yùn)算，變成相應(yīng)的校正信號，校正信號放大后輸出給執(zhí)行器（功率輸出信號有單向的，也有雙向的；對應(yīng)單、雙向執(zhí)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；隨著偏差的減小，校正電壓逐漸減小。當(dāng)輸人轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時，輸出電壓為零。由于柴油發(fā)電機(jī)自身質(zhì)量和摩擦以及負(fù)載變化等原因，使得偏差始終存在，因此調(diào)節(jié)過程會連續(xù)不斷地進(jìn)行，最終使工作轉(zhuǎn)速恒定在沒定轉(zhuǎn)速上。

2、高溫工作性能

      對于該發(fā)電機(jī)組要求滿足環(huán)境溫度50 ℃條件下正常使用的要求，我們通過對柴油發(fā)電機(jī)散熱系統(tǒng)的理論計(jì)算，在原來已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將柴油發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇直徑設(shè)計(jì)為700mm，水箱散熱面積設(shè)計(jì)為93m²，然過測試溫升值，來評估高溫下柴油發(fā)電機(jī)能否正常工作。帶散熱水箱的柴油機(jī)外觀模型如圖2所示。

3、低溫啟動性能

      為了滿足發(fā)電機(jī)組在-40 ℃環(huán)境溫度下的應(yīng)急備用能力，對柴油發(fā)電機(jī)采用缸套水預(yù)熱的方式，在備用期間用220 v/380 v的市電通過預(yù)熱裝置對缸套水進(jìn)行加熱。通過發(fā)電機(jī)組的控制模塊設(shè)定預(yù)熱裝置的工作溫度范圍為36、50 ℃，水溫低于36 ℃時，啟動加熱；水溫高于50 ℃時，加熱停止，使柴油發(fā)電機(jī)水套的溫度始終保持在36、50 ℃左右，柴油發(fā)電機(jī)處于熱備用狀態(tài)。機(jī)油、柴油采用滿足-40 ℃環(huán)境溫度使用條件的油品，從而保證柴油發(fā)電機(jī)在17s內(nèi)能順利實(shí)現(xiàn)啟動。

圖1  柴油發(fā)電機(jī)組帶靜音箱外罩模型

圖2  柴油機(jī)帶散熱水箱模型

 

 

二、試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)果分析

1、高溫性能試驗(yàn)

      高溫試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組在高溫環(huán)境中（40℃或45℃，按技術(shù)條件要求規(guī)定）靜置6h后，在額定工況下連續(xù)運(yùn)行至熱態(tài)。之后，按前面有關(guān)條文的規(guī)定測定繞組溫升、電壓與頻率的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率和波動率。在連續(xù)運(yùn)行期間，每隔0.5h記錄一次有關(guān)數(shù)據(jù)（同熱試驗(yàn)）。試驗(yàn)過程中，對機(jī)組的要求同12h連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。

      高溫性能試驗(yàn)在發(fā)電機(jī)組滿載的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表1    高溫性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

      在高溫性能試驗(yàn)中，由于柴油發(fā)電機(jī)的散熱器蒸汽閥工作壓力為70 kPa，此時水的沸點(diǎn)在117℃ 左右，受柴油發(fā)電機(jī)所能承受的熱負(fù)荷限制，柴油發(fā)電機(jī)僅能在短時間內(nèi)能承受110 ℃的冷卻水溫，考慮到發(fā)電機(jī)組需要持續(xù)工作，柴油發(fā)電機(jī)需要穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)完全滿足要求。

2、低溫性能試驗(yàn)

      低溫試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示。發(fā)電機(jī)組加滿低溫用燃油、機(jī)油和防凍冷卻液（柴油機(jī)為水冷者），配備好容量充裕的啟動用蓄電池（柴油機(jī)為電啟動者）后，將發(fā)電機(jī)組靜置于規(guī)定的低溫（-40°℃25℃或-15℃，按技術(shù)條件要求規(guī)定）環(huán)境中達(dá)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(yàn)儀器和設(shè)備

（1）-18℃低溫起動能力施壓：

      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，迅速接好接線端，時間不超過2min。以規(guī)定的-18℃冷啟動電流Icc電流放電30s，在放電過程中電流值的變化應(yīng)不超過正±0.5%，分別記錄放電10s和30s時蓄電池端電壓。然后停止放電，靜置20s，之后以0.6Icc電流放電40s，在放電過程中電流值的變化應(yīng)不超過±0.5%，記錄40s時蓄電池端電壓。全部實(shí)驗(yàn)在90s內(nèi)完成。蓄電池放電到10s時端電壓不小于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(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品目錄。

（2）起動阻力矩

      不同環(huán)境溫度時，起動阻力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系轉(zhuǎn)速高于170r/min時，平均起動阻力矩隨轉(zhuǎn)速的環(huán)境溫度增大。轉(zhuǎn)速提高50r/min，平均起動阻力矩增加3～8N·m。試驗(yàn)測得環(huán)境溫度為-20℃的阻力矩，在嚴(yán)寒條件下柴油機(jī)的起動阻力矩，可以運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式，預(yù)測更低環(huán)境溫度時柴油機(jī)的起動阻力矩。環(huán)境溫度為-35℃的預(yù)測柴油機(jī)起動阻力矩，如圖4所示。

 

圖3  柴油機(jī)低溫啟動試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖4  柴油機(jī)起動阻力矩預(yù)測曲線

 

表3    -25℃時不同起動機(jī)的起動試驗(yàn)數(shù)據(jù)

 

 

3、性能曲線

      柴油機(jī)在不同的工況下，各主要指標(biāo)是變化的。要找出它們的變化規(guī)律，必須在發(fā)動機(jī)測功器上進(jìn)行試驗(yàn)，測出在不同工況下的數(shù)據(jù)，并繪制成曲線表示其變化關(guān)系。這些曲線稱為柴油機(jī)的特性曲線。在衡量柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性時，常用的特性曲線有外特性曲線、速度特性曲線和調(diào)速特性曲線等。

（1）速度特性曲線

      當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時候，其功率、扭矩和耗油量這三個基本性能指標(biāo)都會隨著負(fù)荷的變化而變化。這些變化遵循一定的規(guī)律，將這些有規(guī)律的變化描繪成曲線，就有了反映柴油機(jī)特性的曲線圖。根據(jù)柴油機(jī)的各種特性曲線，可以全面地判斷柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。反映柴油機(jī)運(yùn)行狀況常用速度特性曲線。

      柴油機(jī)的速度特性曲線表示有效功率N（千瓦）、扭矩M（牛頓米）、比燃料消耗量g（克/千瓦小時）隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n而連續(xù)變化的表現(xiàn)。柴油機(jī)的速度特性是在制動試驗(yàn)臺架上測出的。保持柴油機(jī)在一定節(jié)氣門開度情況下，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，測取在這一工況下的功率、比耗油等，然后調(diào)整被測機(jī)載荷（扭距變化），使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速改變，再測得另一轉(zhuǎn)速下的功率、比耗油。按照一定轉(zhuǎn)速間隔依次進(jìn)行上述步驟。就能測出在不同轉(zhuǎn)速下的數(shù)值，將這些數(shù)值點(diǎn)連點(diǎn)地組成連續(xù)曲線，就產(chǎn)生了功率曲線、扭矩曲線和比燃料消耗量曲線，它們與相應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)?yīng)。

（2）外特性曲線

      當(dāng)柴油機(jī)噴油泵在最大供油量時的速度特性，稱為柴油機(jī)的外特性，它表示柴油機(jī)所能得到的最大動力性能。從外特性曲線上可以看到柴油機(jī)所能輸出的最大功率、最大扭矩以及它們相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和燃料消耗量，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品介紹書上大都采用柴油機(jī)外特性曲線圖，如圖3所示。但一般只標(biāo)出功率和扭矩曲線。

（3）調(diào)速特性

      柴油機(jī)的外特性曲線很平緩，這說明柴油機(jī)較小的負(fù)荷變化，可引起相當(dāng)大的轉(zhuǎn)速變化。這種現(xiàn)象對發(fā)電機(jī)組的工作非常不利，容易引起發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速過快（飛車），或者使發(fā)動機(jī)熄火。但如果在柴油機(jī)上裝有一個能根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化而自動調(diào)節(jié)供油量的專門裝置一一調(diào)速器，就可控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在有限范圍內(nèi)變化，從而改善其使用條件。裝有調(diào)速器的柴油機(jī)的速度特性曲線稱為調(diào)速特性，如圖2所示。

4、結(jié)論

      柴油發(fā)電機(jī)啟動在規(guī)定的環(huán)境溫度下進(jìn)行，連續(xù)啟動3次，每次間隔5分鐘，試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖5、圖6的特性曲線圖可以得出以下結(jié)論：

（1）采用以上配置的柴油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)G2級電站的調(diào)速要求，能夠滿足環(huán)境溫度50 ℃時的正常使用要求，在一40 ℃下能夠?qū)崿F(xiàn)順利啟動。

（2）柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，并具有良好的經(jīng)濟(jì)性，非常適合于公用電力類備用應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的使用要求。

圖5  柴油發(fā)動機(jī)功率輸出曲線

圖6  柴油機(jī)均轉(zhuǎn)速變化曲線

 

 

總結(jié)：

      康明斯發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)經(jīng)過嚴(yán)格的出廠試驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試，已經(jīng)在康明斯公司成功實(shí)現(xiàn)批量化配套應(yīng)用，產(chǎn)品已經(jīng)出口銷售到中東、俄羅斯等地區(qū)，并在國內(nèi)其他多家發(fā)電機(jī)組公司得到應(yīng)用。以低溫啟動可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，在高溫下可靠工作，得到用戶的青睞。此應(yīng)用研究和方案的成功實(shí)施，可為類似用途柴油機(jī)的方案設(shè)計(jì)提供參考。

 

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