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新聞主題 |
高海拔和高溫因素對柴油發(fā)電機(jī)組的影響 |
摘要：在高海拔地區(qū)應(yīng)用柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)注意伴隨著海拔高度的不斷上升，大氣壓強(qiáng)、空氣含氧量及其自然環(huán)境溫度都有差異程度的下滑。對于陽光直接輻射強(qiáng)度和風(fēng)速，因為柴油發(fā)電機(jī)組是安裝在室內(nèi)應(yīng)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(jī)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(jī)，柴油發(fā)電機(jī)組因進(jìn)供氣量嚴(yán)重不足而燃燒不好，使柴油機(jī)無法產(chǎn)生原規(guī)定的校準(zhǔn)功率。即便柴油機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)造一樣，但各型柴油機(jī)校準(zhǔn)功率、排氣量、發(fā)轉(zhuǎn)速差異， 所以這些在高原地區(qū)運行的能力是有所不同的所以在高原地區(qū)長期應(yīng)用時應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)氐暮０胃叨?，適當(dāng)減小供油量。
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圖1 高原柴油發(fā)電機(jī)施工現(xiàn)場使用實景 |
圖2 高原電信基站用柴油發(fā)電機(jī)實景 |
一、高原環(huán)境對柴油發(fā)電機(jī)性能的實際影響
表1是我們對柴油發(fā)電機(jī)原動機(jī)所作的平原、高原對比試驗數(shù)據(jù)。從中可以看出，隨海拔升高，發(fā)電機(jī)組輸出功率將顯著下降，而油耗率、排溫上升，排放狀況惡化。負(fù)載越大(50～110％)，影響尤甚。
表1（A） 柴油發(fā)電機(jī)高原性能變化試驗結(jié)果
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項目 |
參數(shù) |
海拔 |
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≤500m |
2206m |
3860m |
||||
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標(biāo)定值 |
實測值 |
變化率% |
實測值 |
變化率% |
||
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自然吸氣 |
最大供油時功率kW |
117 |
96.75 |
-17.3 |
81.75 |
-30.1 |
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額定點油耗率g/kW.h |
≤227 |
263.64 |
16.1 |
327.43 |
+44 |
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額定點排溫℃ |
470℃ |
550℃ |
17 |
630℃ |
+34 |
|
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額定點煙度RB |
≤3.0 |
3.5 |
|
6.0 |
|
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50%負(fù)載時油耗率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(jī)修正系數(shù)表
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發(fā)動機(jī)型號 |
功率范圍 |
溫度基數(shù) |
高度基數(shù) |
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(shù)、水的沸點與海拔變化對應(yīng)關(guān)系
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海拔/m |
大氣壓力/kPa |
水沸點/℃ |
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 |
|
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2000 |
79.2 |
93.8 |
|
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3000 |
70 |
91.2 |
|
|
4000 |
61.6 |
88.8 |
|
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5000 |
54 |
86.7 |
|
|
6000 |
47.2 |
84.8 |
二、對策措施
根據(jù)分析研究，我們提出以下解決措施：
1、功率恢復(fù)型增壓技術(shù)
功率恢復(fù)型增壓主要是對非增壓柴油發(fā)電機(jī)在高原功率下降的情況下采取的增壓措施，它通過增壓供氣，增加氣缸的充氣密度，以提高過量空氣系數(shù)，達(dá)到缸內(nèi)燃油充分燃燒、恢復(fù)平均有效壓力的目的，使其功率恢復(fù)到原機(jī)低海拔標(biāo)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(jī)組性能恢復(fù)最重要的技術(shù)關(guān)鍵。
2、中冷措施
進(jìn)氣經(jīng)增壓后，其溫度隨壓力同時升高，影響進(jìn)氣密度及功率恢復(fù)，并造成熱負(fù)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(fù)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(fù)功率后，原機(jī)冷卻系統(tǒng)已不能滿足要求。原因在于高原環(huán)境下，空氣密度下降，冷卻水沸點降低，如若采取水中冷措施，更增加了新的熱源，為此需重新調(diào)整選配合適的水箱和風(fēng)扇參數(shù)，使柴油發(fā)電機(jī)熱平衡得到合理控制。
4、增壓型空氣濾清系統(tǒng)
柴油發(fā)電機(jī)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、保養(yǎng)易等特點。
5、高原低溫起動
高原低溫起動條件比較嚴(yán)酷。海拔4000m以內(nèi)極端溫度雖不是很低(-30℃)，但由于氣壓低，起動時壓縮終點壓力及溫度不夠，以及增壓裝置對起動進(jìn)氣的阻滯作用，因此使起動狀況不佳。但對發(fā)電機(jī)組來講，有利的方面是起動負(fù)荷相對較低，可在起動后溫度上升至適當(dāng)狀況再加載。根據(jù)多年低溫起動試驗研究，考慮采用預(yù)熱起動并輔以低溫電瓶組合措施。
6、增壓潤滑系統(tǒng)
增壓器是高溫、高速旋轉(zhuǎn)的部件，轉(zhuǎn)速高達(dá)105r/min，冷卻潤滑極為重要，其油料需專用增壓油品，并同時適用柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
三、試驗結(jié)果
針對柴油發(fā)電機(jī)，我們對其原動機(jī)實施了增壓中冷恢復(fù)功率成套高原適應(yīng)性技術(shù)措施。經(jīng)海拔2206m、3860m實地試驗研究，確定最佳方案如下：
1、增壓器匹配柴油發(fā)電機(jī)；
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、實際散熱能力較原機(jī)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(jī)大約40％；
5、采用起動預(yù)熱加熱器和低溫電瓶；
6、設(shè)計可靠的增壓器冷卻潤滑系統(tǒng)，主選試驗油品為CF40級機(jī)油。
表2、表3是采取高原適應(yīng)性技術(shù)措施后原動機(jī)、發(fā)電機(jī)與改造前的對比試驗數(shù)據(jù)。
表2 配增壓中冷性能實測結(jié)果與對比
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項目
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參數(shù)
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≤500m
|
海拔2206m
|
海拔3860m
|
恢復(fù)率％
|
|
增壓匹配
|
最大供油功率kW
|
117
|
118.5
|
119
|
100~122
|
|
額定點油耗率g/kW.h
|
≤227
|
227.5
|
227
|
等同
|
|
|
額定點排溫％
|
470
|
407(460)
|
389(460)
|
-15.7
|
|
|
50%負(fù)載時油耗率g/kW.h
|
257
|
260
|
258
|
等同
|
|
|
額定點煙度RB
|
≤3.0
|
2.5
|
2.5
|
|
|
|
額定點壓比
|
/
|
1.51
|
1.66
|
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表3 高原型發(fā)電機(jī)組電氣性能指標(biāo)結(jié)果與對比
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測試項目
|
原機(jī)實測值
|
高原實測值
|
高原型實測值
|
GB/T2819-95
規(guī)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(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率(%)
|
±4.1
|
±3.5
|
±2.6
|
±5
|
|
穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率(%)
|
±2.8
|
±3.2
|
±3
|
±5
|
|
瞬態(tài)頻率調(diào)整率(%)
|
±3.2
|
±8
|
±6
|
±10
|
|
頻率穩(wěn)定時間(s)
|
1.6
|
3.3
|
3.1
|
7
|
|
頻率波動率(%)
|
±0.2
|
±0.19
|
±0.1
|
±1.0
|
|
電壓波動率(%)
|
±0.05
|
0
|
±0.05
|
±1.5
|
|
功率因數(shù)
|
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，在實施增壓中冷等措施后，柴油發(fā)電機(jī)功率、油耗率得以很好的恢復(fù)，熱負(fù)荷得到有效地控制，75GT11柴油發(fā)電機(jī)主要電氣性能指標(biāo)完全符合GB/T2819-95的規(guī)定。經(jīng)海拔3860m、84小時變載荷(0～110％)連續(xù)運行試驗，發(fā)電機(jī)工作可靠，運轉(zhuǎn)性能良好。其低溫預(yù)熱起動裝置在海拔2850m、-20℃環(huán)境條件下實地試驗表明，起動平穩(wěn)可靠。
四、高原型發(fā)電機(jī)組主要電氣性能指標(biāo)的變化分析
1、穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率 δu
δu＝│(u1－u)/u│×100％
其中：u——空載整定電壓(V)
u1——負(fù)載變化后的穩(wěn)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(jī)都具有恒壓裝置，所以其變化程度應(yīng)與低海拔地區(qū)相同。
2、穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率δf
δf＝│(f1－f0)/f│×100％
其中：f1——負(fù)載變化后的穩(wěn)定頻率最大值或最小值(Hz) ；
f0——額定負(fù)載時的頻率(Hz) ；
f──額定頻率(Hz) 。
發(fā)電機(jī)組的頻率是由其本身結(jié)構(gòu)決定的，頻率的變化與柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。由于柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)速器為機(jī)械離心式，其工作性能不受海拔高度變化的影響，所以穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率的變化程度應(yīng)與低海拔地區(qū)相同。
3、瞬態(tài)電壓δus與瞬態(tài)頻率調(diào)整率δfs
δus＝│(us－u)/u│×100％
δfs＝│(fs－f2)/f│×100％
其中：us——負(fù)載變化時的瞬時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(fù)載變化時的瞬時頻率最大值或最小值(Hz) ；
f2——負(fù)載變化前的頻率(Hz) 。
負(fù)載的瞬時變化，必將引起柴油發(fā)電機(jī)扭矩的瞬時變化，而柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率不會發(fā)生瞬時變化。由公式Nb＝1.04×10-4Mf•nb，可知柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩成反比，柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將發(fā)生瞬時變化，這樣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也將發(fā)生瞬時變化，由此而產(chǎn)生了瞬時電壓Us與瞬時頻率fs。一般來說，這兩個指標(biāo)不受海拔高度的影響，但對于增壓型發(fā)電機(jī)組，由于增壓器響應(yīng)速度的滯后影響了柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度，這兩個指標(biāo)有所升高。
4、電壓與頻率穩(wěn)定時間
負(fù)載的突變引起柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，通過調(diào)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(jī)回到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，也改變了柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率。同樣，對于自然吸氣的柴油發(fā)電機(jī)來講，海拔高度的變化不會影響這兩個指標(biāo)。但對于增壓型柴油發(fā)電機(jī)，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)過廢氣渦輪增壓的空氣量也發(fā)生變化，由于增壓機(jī)較非增壓機(jī)在動力響應(yīng)上有一定的滯后，將使柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時間延長，即電壓穩(wěn)定時間與頻率穩(wěn)定時間延長，但這種變化將不會有太大影響。
5、電壓δub與頻率波動率δfb
其中：UBmax——負(fù)載不變時的最高電壓(V)
UBmin——負(fù)載不變時的最低電壓(V)
UBmax和UBmin取同一負(fù)載下同一次測量的最大值和最小值
fBmax——負(fù)載不變時的最高頻率(Hz)
fBmin——負(fù)載不變時的最低頻率(Hz)
fBmax和fBmin取同一負(fù)載下同一次測量的最大值和最小值。
這兩個指標(biāo)用來考查發(fā)電機(jī)組本身的原因?qū)敵鲭妷杭邦l率的影響。由于發(fā)電機(jī)組恒壓裝置和調(diào)速器的穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用，這兩個參數(shù)不會隨海拔高度而變化。但對于增壓型發(fā)電機(jī)組來說，由于增壓系統(tǒng)對進(jìn)排氣的輔助調(diào)節(jié)作用，這兩個指標(biāo)應(yīng)趨于減小。
總結(jié)：
試驗證明，柴油發(fā)電機(jī)隨海拔高度上升功率下降、油耗率上升、熱負(fù)荷升高，性能變化十分嚴(yán)重。 實施增壓中冷功率恢復(fù)等高原適應(yīng)性成套技術(shù)措施后柴油發(fā)電機(jī)各項技術(shù)性能在海拔4000m可以恢復(fù)到原出廠值，對策措施是完全有效可行的。
