新聞主題	戶外高原用柴油發(fā)電機的影響及應(yīng)對措施

 

摘要：在高原環(huán)境下，對柴油發(fā)電機組影響最大的因素是低壓和低溫，特別是大氣壓力下降，對柴油機的影響最大。柴油發(fā)電機組原動機功率下降，柴油、機油的油耗增加，熱負(fù)載上升，對發(fā)電機組功率及主要電氣參數(shù)影響較大。另外，高原環(huán)境的高紫外線強度、空氣干燥高風(fēng)塵條件也對柴油發(fā)電機組正常工作有一定的影響。

 

 

 

一、高原環(huán)境的特點

 

      在我國目前最高的高海拔地區(qū)非青藏高原莫屬，青藏高原海拔在4000m以上，自然條件極為嚴(yán)酷。隨著國家對西部地區(qū)的開發(fā)，青藏高原的開發(fā)也在加速進行。由于青藏高原人跡稀少，地域遼闊，電網(wǎng)不能覆蓋全部地區(qū)，因此內(nèi)燃發(fā)電設(shè)備在青藏高原的應(yīng)用日益廣泛，但是傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)電設(shè)備不能滿足高原地區(qū)的使用要求。

1、高海拔地區(qū)劃分

      按GB/T 19607-2004《特殊環(huán)境條件防護類型及代號》規(guī)定，高原防護類型按海拔劃分，分別用以下代號表示：

（1）G2 表示適用于最高2000m的地區(qū)；

（2）G3 表示適用于最高3000m的地區(qū)；

（3）G4 表示適用于最高4000m的地區(qū)；

（5）G5 表示適用于最高5000m的地區(qū)。

2、高海拔環(huán)境條件

      不同海拔環(huán)境條件，按GB/T 14597-2010《電工產(chǎn)品不同海拔的氣候環(huán)境條件》的規(guī)定，高原環(huán)境條件參數(shù)見表1。

表1  高原環(huán)境條件參數(shù)表

      注：為便于比較，將標(biāo)準(zhǔn)大氣條件參數(shù)（0～100mm）列入表中。在最低空氣溫度、最大日溫差、最大風(fēng)速、10min降水量等幾項中，可取所列數(shù)值之一。

（1）氣壓下降

      隨著海拔的升高，大氣壓下降，其降低情況比較見表2。

表2  大氣壓力與海拔的關(guān)系

      由表2可知隨海拔的升高，大氣壓力下降明顯，基本上在0～4000m范圍內(nèi)每上升1000m，大氣壓力下降10％左右。

（2）太陽輻射強度增大

      隨著海拔的升高，太陽輻射強度逐步增強，其增強情況見表3。

表3  太陽輻射強度與海拔的關(guān)系

      由表5可知，海拔超過1000m后，太陽輻射強度平均每升高1000m增強6％。

（3）絕對濕度下降

      年平均絕對濕度從0海拔的11g/m³到5000m時的1.7g/m³，下降速率明顯，這意味著隨海拔的升高，空氣越來越干燥。

（4）空氣的最高溫度和平均溫度隨海拔的升高而降低

      從表3中可知，海拔在1000m以上，每上升1000m空氣的最高溫度和平均溫度均下降5℃。

（5）高原地區(qū)日溫差加大

      一般平原地區(qū)日溫差為10～15℃，高原地區(qū)日溫差可達(dá)25～30℃。

 

二、高原環(huán)境對電站的影響

 

      柴油發(fā)電機電站主要由柴油機、發(fā)電機、配電系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)件等組成，對移動電站還有行走系統(tǒng)等，高原環(huán)境對這些設(shè)備都有一定的影響。

1、對柴油機的影響

      高原的環(huán)境特點，特別是大氣壓力下降，對柴油機的影響最大。隨海拔的升高，大氣壓力下降，空氣密度下降，空氣中含氧量降低，造成燃油燃燒不充分，爆發(fā)壓力下降，驅(qū)動功率下降。

（1）自然吸氣式柴油機

      一般自然吸氣式柴油機隨海拔的升高，輸出功率的下降速度較快，與標(biāo)準(zhǔn)工況相比，平均海拔每升高100m，輸出功率下降約1％左右。

（2）增壓型柴油機

      增壓型柴油機，一般在海拔1000m以下功率可不作修正，康明斯柴油機在1525m以下輸出功率可不作修正。在環(huán)境溫度不變情況下，康明斯柴油機規(guī)定海拔高于1525m時，每升高300m，功率下調(diào)4％：道依茨柴油機，如BF913系列，海拔1000m以上，每升高1000m，功率約下降7.5％。

（3）低溫低壓對啟動的影響

      在高海拔的極寒地區(qū)，柴油機通常啟動極為困難，除了溫度極低外，空氣的密度低，柴油機點火非常困難，海拔越高，啟動越困難，特別是增壓型柴油機，在啟動瞬間，增壓器使得啟動更為困難。同時，高海拔、低氣壓、低溫導(dǎo)致柴油機油泵的泵油能力下降，吸入柴油機的柴油壓力下降，柴油的黏度增加等，所有這些方面都將導(dǎo)致柴油機的啟動更加困難。

（4）對燃油消耗率的影響

      一般情況下，柴油機按標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)整定供油量。柴油機在運行時，供油量是隨負(fù)載變化自動調(diào)整供油量。在高原狀態(tài)下，同樣的負(fù)載變化，由于供氧量不足造成轉(zhuǎn)速下降的幅度要比平原地區(qū)大，因此同樣一個負(fù)載變化率，高原地區(qū)的供油量要比平原地區(qū)大，就造成燃油消耗率增加。過多的燃油和較少的氧氣，必然造成燃燒不完全，排放性能變差，排放溫度升高，整機熱效率下降。

2、對發(fā)電機的影響

      高原環(huán)境對發(fā)電機的影響主要表現(xiàn)在溫升上。一般情況下，海拔在1000m以上時，每升高100m，最高環(huán)境溫度將下降0.5℃。同時，由于海拔升高、空氣密度降低，散熱效果變差，造成發(fā)電機的溫升升高。一般規(guī)定海拔每升高100m，溫升將升高0.5℃。這樣允許溫升限值可不作修正，輸出功率也不需修正。但對于某些用戶規(guī)定高海拔地區(qū)最高環(huán)境溫度為40℃或不按上述規(guī)定降低使用的環(huán)境溫度，這樣發(fā)電機輸出功率就應(yīng)該修正。

3、對低壓電器的影響

      高原環(huán)境對電工產(chǎn)品的綜合影響主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）對開關(guān)電器滅弧的影響

      一般開關(guān)電器的滅弧是利用空氣為滅弧介質(zhì)，如接觸器、斷路器等。由于海拔升高空氣密度降低，造成滅弧時間延長，觸頭易被燒損，使開關(guān)通斷能力下降，使用壽命縮短。

（2）對溫升影響

      海拔升高，環(huán)境溫度低，可部分或全部補償因海拔升高引起的產(chǎn)品溫升增加值，具體補償數(shù)值要看產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點而定。

（3）對絕緣強度的影響

      海拔升高，空氣密度降低，介質(zhì)絕緣強度降低，絕緣外表面及空氣隙之間擊穿電位降低。一般情況下，海拔每升高100m空氣絕緣強度下降1％，在產(chǎn)品電氣間隙和絕緣距離不變的條件下，產(chǎn)品的額定絕緣電壓、介電強度、最大額定電壓或最高使用電壓均要降低。

（4）輻射的影響

      高海拔的太陽輻射強度大，海拔在1000m以下的輻射強度為1000W/㎡，而在5000m是1250W/㎡，后者是前者的1.25倍。同時還造成產(chǎn)品溫升增加，加速產(chǎn)品的熱老化。

      紫外線輻射隨海拔升高上升幅度更快，海拔3000m時是平原地區(qū)的2倍，其加速有機絕緣材料的老化速度，空氣易于電離而導(dǎo)致絕緣強度降低，使產(chǎn)品壽命降低，且使產(chǎn)品涂層劣化，表面易粉化、脫落。

（4）靜電的影響

      高原地區(qū)濕度低，空氣較干燥，干燥空氣有利于產(chǎn)生靜電電荷，靜電電荷增加對電子設(shè)備影響較大。

 

 

三、高原環(huán)境條件下的應(yīng)對措施

 

 

1、柴油機的改進措施

（1）柴油機采用恢復(fù)性增壓技術(shù)

      柴油機要采用恢復(fù)性增壓技術(shù)，這一技術(shù)的要點實際上是讓增壓器的額定工作點按高原環(huán)境整定，使柴油機在海拔升高的同時，讓增壓器增加轉(zhuǎn)速，提高供氣量，但又不能使增壓器超速造成損壞，從而改善柴油機在高原地區(qū)的運行工況，使高原地區(qū)運行時燃油消耗率上升率，功率下降率，排氣溫度升高情況均較普通增壓柴油機有較大程度的改善。

（2）充分利用中冷技術(shù)

      盡可能改善中冷器的冷卻效果，使進氣通過增壓器作用，進氣壓力提高造成溫度升高的程度得到改善，從而在相同的壓力情況下，提高了進氣的空氣密度，從而改善油機的運行工況。

（3）提高水冷系統(tǒng)的預(yù)壓力

      由于大氣壓力降低，這樣會使水冷系統(tǒng)散熱器的壓力蓋的開啟壓力相應(yīng)降低，從而影響水冷系統(tǒng)正常工作，提高壓力蓋的開啟壓力，使之彌補，由于海拔升高引起的大氣壓力降低，使水冷系統(tǒng)開啟壓力與平原相當(dāng)。

（4）改善冷卻液的散熱效果

      盡可能降低冷卻液的溫度，降低缸體、缸蓋溫度，從而達(dá)到降低進氣溫度的目的，使空氣密度提高，增加進氣的供氧量，改善運行工況。

（5）改善空濾器結(jié)構(gòu)，適應(yīng)高原干燥多塵環(huán)境

      柴油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(yīng)盡可能具有效率高、阻力小、流量大、壽命長、體積小、重量輕、成本低和易保養(yǎng)等特點。可選加一級空濾器，或用沙漠型空濾器，要保證柴油機正常運行，空濾器保養(yǎng)間隔時間為50～100h。

（6）應(yīng)對極寒地區(qū)柴油機低溫啟動困難

      可以采用機油加熱、缸套水加熱、進氣加熱等輔助低溫預(yù)加熱系統(tǒng)使柴油機更容易啟動。同時，使用與環(huán)境溫度相適應(yīng)的低溫柴油、冷卻液、低溫潤滑油和有充足電力的低溫電瓶。一般低溫柴油、低溫潤滑油、冷卻液的標(biāo)號至少要比環(huán)境溫度低5℃以上。這一套綜合措施將更好解決柴油機低溫啟動困難的問題。

2、功率修正

      發(fā)電機的選用主要考慮功率修正。對在高原環(huán)境條件下環(huán)境溫度仍以40℃要求的產(chǎn)品則一般應(yīng)按海拔1000m以上。每升高100m允許功率下降1％來計算。

3、低壓電器的選擇

（1）最大工作電壓的選擇

      海拔升高，低壓電器最大工作電壓會隨之降低。一般講，低壓電器的電氣間隙和漏電距離的擊穿強度隨海拔增高而降低，其遞減率一般為每100m下降0.5％～1％，最大值不超過1％。對此，可以考慮按提高工作電壓等級的方法來選用低壓電器，如額定電壓400V的系統(tǒng)，在4000m使用時，應(yīng)選用低壓電器的工作電壓值為

400V×(100+30)%=400V×130%=520V

      即選用額定使用環(huán)境在1000m及以下的工作電壓（額定工作電壓）大于520V的低壓電器即可。

（2）額定工作電流修正

      低壓電器在高原地區(qū)，由于散熱困難，工作條件差，會造成溫升增加，大多情況下，溫升的增加會由于海拔升高環(huán)境溫度下降得到補償，但有些產(chǎn)品因為補償不足，而造成允許工作溫度過高，這種情況下，一般可按每超過1℃容量下降1％予以修正。特別在高海拔地區(qū)環(huán)境溫度為40℃要求工作的產(chǎn)品，一定要修正功率，按海拔1000m以上，每升100m允許使用功率下降1％計算來選用合適的產(chǎn)品。

（3）改善靜電的影響

      主要通過抗靜電設(shè)計來改善靜電的影響，使用抗靜電材料，或采用屏蔽，改善屏蔽層接地的效果。

（4）電氣間隙的修正

      在電氣間隙不變情況下，其耐壓水平隨海拔高度每升100m，降低1％，因此一般可以按海拔每升高100m，電氣間隙和爬電距離增大1％來修正。按GB／T20626.1-2006《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》提供的修正系數(shù)見表4。

表4  電氣間隙修正系數(shù) 

 

（5）工頻耐壓試驗修正

      一般以考核內(nèi)絕緣質(zhì)量為主的例行試驗，按有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗電壓取海拔1000m或2000m時產(chǎn)品的耐壓值，不作修正。一般情況下產(chǎn)品的使用海拔與試驗海拔不一致時應(yīng)按GB/T 20626-2006《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》提供的修正系數(shù)修正，見表5。

  表5  海拔修正系數(shù)K

（1）使用抗紫外線輻射的涂料，如采用耐紫外線的聚氨酯丙烯酸涂料等。

（2）電纜可選用耐紫外線和太陽輻射的產(chǎn)品。

（3）塑料和橡膠制品選用抗紫外線輻射的產(chǎn)品，以防止加速老化、變質(zhì)。

（4）導(dǎo)線、電纜、塑料、橡膠件制品；主要要選用與環(huán)境溫度相適應(yīng)的產(chǎn)品，保證低溫下不開裂、脆化等，如QxRF電力電纜、QxRFP控制電纜、FvN聚乙烯尼龍護套線等。

（5）儀表要選用c組，即適應(yīng)低溫組別的儀表。

 

四、應(yīng)用方案

 

      基于極地嚴(yán)寒氣候環(huán)境及運輸方式等特點要求，技術(shù)方案采用整體式箱體設(shè)計，箱體內(nèi)布局為箱體內(nèi)部設(shè)有油箱間、發(fā)電機組工作間和工具間等。

（1） 柴油發(fā)電機組所用發(fā)動機選用風(fēng)冷方式，風(fēng)冷方式發(fā)動機具有暖機快，啟動性能好，只需5～6min就可達(dá)到工作溫度，可快速進入帶負(fù)載工作狀態(tài)，同時由于風(fēng)冷發(fā)動機需要的空氣量比水冷發(fā)動機約少1/3，具有因而進排風(fēng)開口小容易實現(xiàn)封閉等優(yōu)點。

（2）發(fā)電機組配置可實現(xiàn)無人值守的智能化控制系統(tǒng)。

（3）有些地區(qū)最低溫度可到-40℃，箱內(nèi)需要加熱和保溫，采用兩層鋁板焊接中心填充100mm厚保溫材料，整體用螺栓固定在經(jīng)特殊設(shè)計的柴油發(fā)電機組安裝的底架上。鋁質(zhì)外殼和共用底架方案大幅降低了總重量，箱體門框所用密封條耐低溫，密封可靠。底架四角按標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸焊接集裝箱角件，位置尺寸嚴(yán)格按GB/T 1413-2008《集裝箱分類、尺寸和額定質(zhì)量》規(guī)定尺寸，滿足雪地車及內(nèi)陸考察專用雪橇需要的集裝箱式運輸方式的尺寸要求。為防止起吊時鋼絲繩擠壓鋁質(zhì)保溫殼體，底架四角增設(shè)起吊立柱，并在立柱上安裝腳踏以方便人員穿持吊繩為增強強度在立柱頂部設(shè)有矩形框架連接，該框架尺寸超出鋁質(zhì)保溫殼體，可以在雪橇車雪地翻覆時框架觸地受力防止鋁質(zhì)保溫殼體擠壓損壞。安裝底架上空間填充保溫材料（聚氨酯板）并上下面鋪設(shè)承重強度足夠的薄鋼板，保證人員可進入內(nèi)部工作。以上方案大幅度減輕了設(shè)備總重量，同時滿足標(biāo)準(zhǔn)集裝箱車載運輸方式和直升機空中吊運方式。

（4）油箱隔間采用防火隔墻隔開；并在隔墻上預(yù)先鋪設(shè)進、回油油管溝和進、出線鍍鋅管。油箱間采用波紋管合理布置內(nèi)部走線。油箱間墻壁開設(shè)透氣窗。油箱間油箱漏油盤側(cè)墻壁上安裝二氧化碳滅火器。

（5）發(fā)電機組工作間內(nèi)部設(shè)置有燃油加熱器加熱保溫。發(fā)電機組工作間門后固定放置二氧化碳滅火器。根據(jù)發(fā)電機組重量合理安裝集裝箱底部槽鋼，并保證發(fā)電機組地腳螺栓孔下方有橫梁加強，發(fā)電機組固定螺母焊接于橫梁下方。發(fā)電機組工作間走線采用走線槽、波紋套管等合理布線，并將交、直流走線分開，信號線和電源線分開。發(fā)電機組工作間總體隔熱保溫。根據(jù)空間位置設(shè)置有合理尺寸的工具間。

（6）箱體外部的兩側(cè)開有維修門、觀察窗和通風(fēng)口。所有門框四邊加固，防止門框變形。門鎖結(jié)構(gòu)合理、強度高、不易損壞、開關(guān)方便。密封條密封可靠（防風(fēng)雪和隔音），耐低溫。箱體每扇門后安裝風(fēng)鉤，門打開后可掛于其上固定，避免因風(fēng)誤關(guān)夾傷工作人員。設(shè)有維修門，門上安裝密封條，保證密封以使維修門關(guān)上時能完全防風(fēng)雪，維修門打開角度為180°。

（7）設(shè)有觀察門以便發(fā)電機組工作時能隨時觀察到發(fā)電機組的控制儀表，了解發(fā)電機組內(nèi)部運行情況；觀察門上設(shè)有雙層中空鋼化玻璃觀察窗，觀察窗對應(yīng)于發(fā)電機組控制面板。觀察門旁設(shè)置有急停開關(guān)。箱體兩側(cè)合理位置設(shè)置進排風(fēng)口開口。保溫材料采用聚氨酯板，厚度為100mm，鋼材選用高耐寒結(jié)構(gòu)鋼Q345GNHL，鋁材選用6063，可滿足極地條件對保溫、對材料低溫環(huán)境的強度、焊接性能等的要求。

（8）為了提高發(fā)電機組可靠性及減少維護工作量，設(shè)置有燃油過濾系統(tǒng)，發(fā)電機組配套了保證燃油清的油水分離器，可以減少發(fā)電機組在工作時燃油油管堵塞的幾率。安裝機油過濾器，保證潤滑油路燃油質(zhì)量。設(shè)置溫度低于-40℃到-5℃的啟動輔助設(shè)備，配備自動控溫系統(tǒng)的燃油加熱器可對箱體內(nèi)部整體預(yù)熱。

（9）排煙系統(tǒng)為防止風(fēng)雪從排煙口進入及逆風(fēng)影響，排煙口采用水平短管中部貫穿焊接垂直管的形式，排煙口分置箱體兩側(cè)并下陷安裝，保證排煙口安裝后尺寸不超出箱體尺寸。

 

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