新闻主题	柴油发电机组高温运行和冷启动性能测试

 

摘要：作为现代最常用的发电设备，柴油发电机组有着一些独特的优点而受到用户喜爱。比如柴油发电机组体积相对较小，灵活便捷；操作方便，简单易控制；能源原料来源广泛，启动快，可以快速供电；供电平稳，可以对负载进行点对点的直接供电。毫无疑问，根据这些优点使其无论作为备用电源，还是移动电源和自备电源的优势在短期内是无可取代的。由于在一些特殊环境条件下，柴油发电机组应用显然受限。所以，康明斯专门推出一款针对性的应对高温和低温环境下使用的柴油发电机组。

 

一、技术路线

     以康明斯的280KW型号KC280GF发电机组用柴油机为例的应用研究，主要依托于康明斯M11系列6缸四气门柴油机配套斯坦发电机成套机组（如图1所示，带静音箱外罩），在此基础上进行应用研究，提高调速性能要求，满足公用电力类用电设备的需要，满足在 50 ℃环境温度下的正常工作要求及-40 ℃低温下的正常启动要求。

1、柴油机的调速系统

      由于发电机组的使用范围为公用电力类型的备用应急电站，依据GB/T2828.1一2009中电站性能等级的分类，按照G2级要求进行设计柴油机调速性能就可以满足发电机组要求。GB02820．5一2009中规定 G2级电站调速要求如下：频率降5％，稳态频率带17％，瞬态频率偏差：100％突减功率时12％，突加功率时10％，频率恢复时间5s。

      为了满足这一调速性能要求，柴油发电机的调速系统采用电子调速器。柴油发电机电子调速器按控制方式分为模拟式和数字式两种，基本原理采用的都是 PID闭环控制，PID控制方法是工业过程控制领域中广泛应用的一种方法。由于柴油发电机速度系统基本上可以看成是一个惯性加小纯滞后系统，近似线性系统，所以采用PID方式控制柴油发电机转速，在很宽的范围内可以保证柴油发电机具有良好的速度特性。

      此次应用研究的柴油发电机采用康明斯公司的电子调速器，首先柴油发电机、转速传感器、控制器、执行器通过一定的连接构成一个速度闭合环路，由控制器根据转速传感器检测到的柴油发电机转速信号对柴油发电机转速进行控制。其中最为关键的部件是控制器，此处采用众智6110系列控制器，众智系列控制器就是采用PID控制原理设计制作。

       控制器由模拟放大电路、微分电路、积分电路、PWM等电路组成。它的输人信号是转速传感器输出的正弦波信号，输出信号是驱动执行器的 PWM方波校正功率信号它的工作过程是：首先在控制器内部的基准电路单元上设置标定转速，然后对输人工作转速信号与设定转速进行比较，两者的差作为偏差信号。该偏差信号经过PID运算，变成相应的校正信号，校正信号放大后输出给执行器（功率输出信号有单向的，也有双向的；对应单、双向执行器）。偏差越大，输出的校正信号电压越高，校正偏差的速度越快；随着偏差的减小，校正电压逐渐减小。当输人转速高于设定转速时，输出电压为零。由于柴油发电机自身质量和摩擦以及负载变化等原因，使得偏差始终存在，因此调节过程会连续不断地进行，最终使工作转速恒定在没定转速上。

2、高温工作性能

      对于该发电机组要求满足环境温度50 ℃条件下正常使用的要求，我们通过对柴油发电机散热系统的理论计算，在原来已有试验数据的基础上，将柴油发电机的风扇直径设计为700mm，水箱散热面积设计为93m²，然过测试温升值，来评估高温下柴油发电机能否正常工作。带散热水箱的柴油机外观模型如图2所示。

3、低温启动性能

      为了满足发电机组在-40 ℃环境温度下的应急备用能力，对柴油发电机采用缸套水预热的方式，在备用期间用220 v/380 v的市电通过预热装置对缸套水进行加热。通过发电机组的控制模块设定预热装置的工作温度范围为36、50 ℃，水温低于36 ℃时，启动加热；水温高于50 ℃时，加热停止，使柴油发电机水套的温度始终保持在36、50 ℃左右，柴油发电机处于热备用状态。机油、柴油采用满足-40 ℃环境温度使用条件的油品，从而保证柴油发电机在17s内能顺利实现启动。

图1  柴油发电机组带静音箱外罩模型

图2  柴油机带散热水箱模型

 

 

二、试验结果和结果分析

1、高温性能试验

      高温试验发电机组在高温环境中（40℃或45℃，按技术条件要求规定）静置6h后，在额定工况下连续运行至热态。之后，按前面有关条文的规定测定绕组温升、电压与频率的稳态调整率和波动率。在连续运行期间，每隔0.5h记录一次有关数据（同热试验）。试验过程中，对机组的要求同12h连续运行试验。

      高温性能试验在发电机组满载的状态下进行试验，实验数据见表3。

表1    高温性能实验数据

      在高温性能试验中，由于柴油发电机的散热器蒸汽阀工作压力为70 kPa，此时水的沸点在117℃ 左右，受柴油发电机所能承受的热负荷限制，柴油发电机仅能在短时间内能承受110 ℃的冷却水温，考虑到发电机组需要持续工作，柴油发电机需要稳定运转完全满足要求。

2、低温性能试验

      低温试验系统框图如图3所示。发电机组加满低温用燃油、机油和防冻冷却液（柴油机为水冷者），配备好容量充裕的启动用蓄电池（柴油机为电启动者）后，将发电机组静置于规定的低温（-40°℃25℃或-15℃，按技术条件要求规定）环境中达12h以上（对额定功率在12kW以上者）或6h以上（对额定功率在12KW以下者）。

表2    主要试验仪器和设备

（1）-18℃低温起动能力施压：

      完全充电的蓄电池，放置在带有空气循环低温箱或低温室中，温度保持在-18℃±1℃，时间不低于24h，蓄电池在低温箱或低温室取出后，迅速接好接线端，时间不超过2min。以规定的-18℃冷启动电流Icc电流放电30s，在放电过程中电流值的变化应不超过正±0.5%，分别记录放电10s和30s时蓄电池端电压。然后停止放电，静置20s，之后以0.6Icc电流放电40s，在放电过程中电流值的变化应不超过±0.5%，记录40s时蓄电池端电压。全部实验在90s内完成。蓄电池放电到10s时端电压不小于7.5v，30s端电压不小于7.2v，90s端电压不小于6v。Icc值可以查标准或产品目录。

（2）起动阻力矩

      不同环境温度时，起动阻力矩与转速的关系转速高于170r/min时，平均起动阻力矩随转速的环境温度增大。转速提高50r/min，平均起动阻力矩增加3～8N·m。试验测得环境温度为-20℃的阻力矩，在严寒条件下柴油机的起动阻力矩，可以运用经验公式，预测更低环境温度时柴油机的起动阻力矩。环境温度为-35℃的预测柴油机起动阻力矩，如图4所示。

 

图3  柴油机低温启动试验系统框图

图4  柴油机起动阻力矩预测曲线

 

表3    -25℃时不同起动机的起动试验数据

 

 

3、性能曲线

      柴油机在不同的工况下，各主要指标是变化的。要找出它们的变化规律，必须在发动机测功器上进行试验，测出在不同工况下的数据，并绘制成曲线表示其变化关系。这些曲线称为柴油机的特性曲线。在衡量柴油机的动力性和经济性时，常用的特性曲线有外特性曲线、速度特性曲线和调速特性曲线等。

（1）速度特性曲线

      当柴油机运转的时候，其功率、扭矩和耗油量这三个基本性能指标都会随着负荷的变化而变化。这些变化遵循一定的规律，将这些有规律的变化描绘成曲线，就有了反映柴油机特性的曲线图。根据柴油机的各种特性曲线，可以全面地判断柴油机的动力性和经济性。反映柴油机运行状况常用速度特性曲线。

      柴油机的速度特性曲线表示有效功率N（千瓦）、扭矩M（牛顿米）、比燃料消耗量g（克/千瓦小时）随柴油机转速n而连续变化的表现。柴油机的速度特性是在制动试验台架上测出的。保持柴油机在一定节气门开度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油等，然后调整被测机载荷（扭距变化），使柴油机转速改变，再测得另一转速下的功率、比耗油。按照一定转速间隔依次进行上述步骤。就能测出在不同转速下的数值，将这些数值点连点地组成连续曲线，就产生了功率曲线、扭矩曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相应的转速区域对应。

（2）外特性曲线

      当柴油机喷油泵在最大供油量时的速度特性，称为柴油机的外特性，它表示柴油机所能得到的最大动力性能。从外特性曲线上可以看到柴油机所能输出的最大功率、最大扭矩以及它们相应的转速和燃料消耗量，发电机组产品介绍书上大都采用柴油机外特性曲线图，如图3所示。但一般只标出功率和扭矩曲线。

（3）调速特性

      柴油机的外特性曲线很平缓，这说明柴油机较小的负荷变化，可引起相当大的转速变化。这种现象对发电机组的工作非常不利，容易引起发动机的转速过快（飞车），或者使发动机熄火。但如果在柴油机上装有一个能根据发动机负荷变化而自动调节供油量的专门装置一一调速器，就可控制发动机的转速在有限范围内变化，从而改善其使用条件。装有调速器的柴油机的速度特性曲线称为调速特性，如图2所示。

4、结论

      柴油发电机启动在规定的环境温度下进行，连续启动3次，每次间隔5分钟，试验数据。通过分析以上试验数据及图5、图6的特性曲线图可以得出以下结论：

（1）采用以上配置的柴油机能够实现G2级电站的调速要求，能够满足环境温度50 ℃时的正常使用要求，在一40 ℃下能够实现顺利启动。

（2）柴油机运转稳定，并具有良好的经济性，非常适合于公用电力类备用应急发电机组的使用要求。

图5  柴油发动机功率输出曲线

图6  柴油机均转速变化曲线

 

 

总结：

      康明斯发电机组用柴油机经过严格的出厂试验及现场调试，已经在康明斯公司成功实现批量化配套应用，产品已经出口销售到中东、俄罗斯等地区，并在国内其他多家发电机组公司得到应用。以低温启动可靠，运转稳定，在高温下可靠工作，得到用户的青睐。此应用研究和方案的成功实施，可为类似用途柴油机的方案设计提供参考。

 

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