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特殊环境条件下柴油发电机组的应用 |
摘要：特殊环境条件一般指高温环境、低温环境和高原环境。当环境温度过低时（特指环境温度低于-10℃），燃料的黏度增大，当温度从40℃到-10℃时，柴油的黏度将提高36％，相对密度将提高3％，燃料的蒸发和雾化能力较差，喷入气缸内未能及时蒸发的燃料附着在燃烧室表面，影响了后续燃油的蒸发，导致可燃混合气体品质恶化。燃烧不良导致柴油机输出功率下降，而废气浓度上升，尾气排放恶化。另外，润滑油在低温时黏度增大，润滑效果降低，各运动部件摩擦阻力变大，造成启动时阻力力矩增大。另外，过于频繁地冷启动柴油机，会降低柴油机的使用寿命。
一、 极端高温条件下的柴发应用
极端高温环境是指环境温度超过40℃，在高温环境下，空气密度降低，充气系数低，柴油机燃烧时氧气量减少，燃烧效率降低，柴油机的动力性、经济性及可靠性都会下降。同时，发动机冷却系统的散热温差小，散热能力差，冷却效果下降，发动机容易过热，高温使润滑油黏度下降，润滑效果变差，严重时会影响发电机组的正常运行，高水温和高机油温度可能导致拉缸，甚至使发动机损坏。
1、高温环境对柴发的影响
（1）发动机充气效率下降。
充气效率是衡量发动机性能和进气过程的重要指标。它定义为每缸每循环实际吸入气缸的新鲜空气质量与标准状态下充满气缸工作容积的理论空气质量的比值。气温越高，空气密度越小，发动机的实际进气量减少，造成发动机功率下降。在一些带防音罩壳的发电机组，其通风条件更差一些。由于发动机过热，发动机罩壳内温度更高，发动机吸入高温空气造成实际进气量的减少对发电机组的出力影响更为明显。
（2）发动机燃烧不正常。
大气温度高，燃油的温度升高，进入气缸的混合气温度也高，发动机整个工作循环的温度升高，高温环境散热器的散热效率又低，使发动机处于过热状态。另外，过热的发动机易造成可燃混合气体的早燃，这种不正常的燃烧，更加剧了发动机的过热现象，同时燃油的高温回油使油箱燃油温度不断升高，吸入气缸的燃油温度再升高，更进一步加热进气温度，形成恶性循环。
（3）加快运动部件的磨损。
发动机的润滑油在高温、高压下工作，使润滑油的抗氧化稳定性变差，引起润滑油变质。另外，由于润滑油温度高，黏度下降，使润滑油变稀，油性变差，滑油压力降低，影响润滑效果，加快了运动部件的磨损。同时，金属零件由于高温热膨胀较大，零件之间正常配合间隙变小，这些都会加速机件的磨损，严重影响发动机的使用寿命。
（4）启动蓄电池易损坏。
温度高，蓄电池电化学反应加快，电解液蒸发快，极板易损坏，同时易产生过充电现象，严重影响蓄电池的使用寿命。
（5）发电机加快老化。
高温环境使发电机绕组温度升高，冷却效果不良，绕组温升超过额定允许温升将对绕组绝缘造成破坏，加快发电机的老化。
2、高温条件下的柴发应对措施
（1）良好的机房通风
为使柴油发电机组在高温环境条件下能正常工作，必须保持机房良好的通风条件。良好的机房通风系统必须保证有足够的空气流入和流出，并可在机房内实现自由循环。因此，机房内应有足够大的空间，确保气温保持均衡空气顺畅的流通。在无特殊安装条件限制时，通风系统通常应采用直进直出型。并绝对避免发电机组排放的热空气通过进风口再次进入机房。
进风口应位于灰尘浓度小和周围无异物的合理位置，当条件许可时，应采用靠近发电机组控制屏侧的斜上部进风方式，并加设百叶窗和金属防护网帘，以避免异物进入，确保正常的空气对流。为防止热空气回流，发电机组进风口应尽可能远离排风口，空气在机房内直流，进风口应加以保护以防止雨水及其他异物进入。
对于闭式循环水冷却型柴油发电机组，进风口净面积应大于发电机组散热器芯有效面积的2倍，如进风口面积太小，实际进风量太少而导致机体温度过高，影响发电机组的正常使用、降低发电机组的功率输出、缩短维护周期及减少使用寿命。
当排风口安装有百叶窗及金属防护网帘时，应确保排风口净面积最小不低于散热器芯有效面积的1.4倍，排风口的中心位置应尽可能与发电机组散热器芯的中心位置一致，排风口的宽高比也尽可能与散热器芯的宽高比相同。为防止热空气回流及机械振动向外传递，应在散热器与排风口之间加装弹性减振喇叭形导风槽。
装有罩壳的低噪声发电机组，外形如图1所示，内部结构如图2所示。由于整体结构比较紧凑，进排风条件比机房安装的发电机组要差。在进行整体设计时要对机箱的进排风口有效面积、进排风量和风速进行计算，优先满足发电机组进排风量的需要，如果进排风口面积无法满足进排风量的要求，需采取增加轴流风机强制进排风的措施，然后再考虑降噪的要求。
（2）增加发动机的有效散热
水冷发动机的散热水箱一般按环境温度40℃配置。在极端高温环境，必须增大散热水箱的散热量，可选配50℃或55℃散热水箱。由于散热量增大，水箱风扇消耗的功率也相应增大，使发动机的输出功率减少，这一点在进行发电机组温度折损时必须加以考虑。
装有涡轮增压器的发动机，一般都会考虑增加中冷器对增压后的空气进行冷却，以增加气缸进气量。
在高温环境，可采取增加燃油冷却器和润滑油冷却器的方法，来增加发电机组的散热效果。目前已有四合一冷却水箱产品，集成了缸体散热、涡轮增压器中冷、燃油冷却和润滑油冷却4个功能，提高了发电机组在高温环境的冷却效果。
同时，机房内要对排烟管、波纹减振节、消声器等发热部件进行隔热包扎。对装有罩壳的低噪声发电机组，除了机箱内对排烟管、波纹减振节进行隔热包扎以外，消声器装在水箱散热器前面或外置装在机箱外，以利于散热。启动蓄电池安装在进风通道温度较低的地方。
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图1 高原型集装箱柴油发电机组外罩形状 |
图2 高原型集装箱柴油发电机组内部结构 |
3、高温环境柴发的功率折损
当环境条件与标准规定不同时，发电机组功率应进行修正见第1章相关内容，同时由于设计的不同，各品牌柴油机和发电机的输出功率的修正参数也不一致；同一品牌，不同型号、不同调速系统，其修正的参数也有区别。一般要以原柴油机生产厂家的修正参数为准。通常可按照环境温度超过40℃时，每升高5℃，输出功率下降3％～4％来进行功率损失的计算，但要注意的是，有些厂家的发电机组标称功率是基于环境温度20℃时的输出功率。图3和图4分为康明斯发电机组在高原下备用功率、常用功率的修正曲线图。
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图3 康明斯发电机组高原备用功率下降曲线（50HZ） |
图4 康明斯发电机组高原常用功率下降曲线（50HZ） |
二、极端低温条件下的柴发应用
1、低温环境对柴发的影响
低温环境对柴油发电机组的影响主要是启动困难。柴油发电机组顺利启动的必备条件有：首先，燃油与空气在气缸内要形成一定数量的可燃混合气体，其次气缸内的混合气体要达到可燃点，最后着火温度要保持足够长的时间。这三个条件缺一不可，然而在低温条件下，受很多因素的影响，导致启动条件不满足，柴油机难以启动成功。低温条件对柴油机启动的影响主要表现在以下几个方面：
（1）柴油机着火困难，环境温度低，气缸套、活塞等零件温度降低，进入气缸的空气温度降低，使柴油机在冷启动时压缩终点，气缸内压力降低，温度达不到柴油着火温度，造成冷启动困难。
（2）启动阻力增大，冷机启动时，润滑油黏度大，流动性能变差，曲轴与轴瓦等摩擦机件之间的润滑不良，摩擦阻力增大，使启动阻力力矩增大。
（3）蓄电池容量下降，蓄电池容量会随着环境温度的降低而下降。研究表明，普通铅酸蓄电池在-40℃时，电解液黏度比0℃增加了3～4倍，电阻率与常温相比增加7倍，容量只有原来的1/5。此外，蓄电池的充电能力也会随着气温的降低而下降。在正常情况下，剩余电量为50％的蓄电池经过6h的充电，可达到额定容量，而在-10℃时，同样放电的蓄电池，只能充电到60％的额定容量。
另外，低温条件下，电器元件中的线圈电阻会降低，线圈吸合需要的安匝数增加较大，导致触头容易弹跳，降低了电器机械寿命，容易出现误报警和误操作，使整个系统的可靠性降低。控制模块的液晶显示屏在-40℃出现黑屏，控制系统无法正常工作。
2、改善柴发冷启动性能的措施
（1）辅助加热措施
辅助加热措施是柴油发电机组冷启动的最常用方法，分为进气预热、火焰预热、水套加热器、燃油加热器和机油加热器等。
① 进气预热装置
在进气歧管内安装进气预热装置以提高进气温度，可采用PTC陶瓷加热器对进气进行预热。PTC陶瓷加热器（外形结构如图5所示）具有热效率高、电功耗低、结构紧凑、自动控温、发热低、不易氧化和使用寿命长等优点。发电机组在-40℃的低温环境也能启动成功。
② 火焰预热装置
火焰预热启动装置一般由电子控制器、电磁阀、温度传感器、火焰预热塞及油管和导线等几部分组成，系统如图6所示。工作过程是：先将电热塞加热到850～950℃，然后接通启动电机，电磁阀自动打开油路，通过油管向电热塞供油，最后进行火焰预热启动。
③ 水套加热器
在冷却系统中，安装水套加热器以提高冷却液温度，水套加热器能把加热到45～50℃的冷却液循环到发动机的缸体水套，使发动机处于暖机状态。
④ 燃油和机油加热器
在燃油系统和润滑油系统加装燃油加热器和润滑油加热器，以此加热发动机，提高发电机组的冷启动性能。
（2）低温型蓄电池
在极寒地区，启动电池采用卷绕式蓄电池，这种蓄电池采用螺旋卷绕技术，板栅合金也由全新的铅合金取代了平板电瓶的铅钙合金，其极板之间的间隙极小，酸是固体酸，并能被玻璃纤维网所吸附，结构紧密，在低温下，没有液态酸可冰冻，因此电流输出下降较少。启动电流是普通电瓶的3倍；启动时间最快为0.6s，具有平稳的高输出电压、更高的能量密度。使用寿命通常为普通平板电瓶的1.5倍以上。
（3）低温油料和冷却液
使用与环境温度相适应的低温柴油、冷却液、低温润滑油。一般低温柴油、低温润滑油、冷却液的标号至少要比环境温度低5℃以上。
（4）防潮加热器
在电控系统的电控箱加装防潮加热器，以改善电控系统的低温条件。
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图5 柴油机PTC陶瓷加热器 |
图6 柴油机火焰预热系统 |
总结：
根据以上所述，我们得知当在高原地区使用时，由于空气稀薄不能象在海平面高度那样燃烧那么多的燃料而损失一些功率，对于自然进气的发动机，一般海拔每升高 300m 功率损失约 3％~4%左右。因此，在高原工作时，柴油发电机组必须选用常用功率的，不能选备用功率的柴油发电机，否则有可能达不到自身设备启动时所需的功率，从而造成损失。另外，由于高原柴油发电机组使用地的特殊性，要经常更换它的空气滤芯，机油滤芯和柴油滤芯，以保证发电机组的最大输出功率。
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