柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用研究和高溫性能測試

作為發(fā)電設(shè)備，柴油發(fā)電機(jī)組有著一些獨特的優(yōu)點：體積相對較小，靈活便捷；操作方便，簡單易控制；能源原料（燃油）來源廣泛，啟動快，可以快速供電和快速停止發(fā)電；供電平穩(wěn)，供電質(zhì)量可以通過技術(shù)改進(jìn)得以提高，可以對負(fù)載進(jìn)行點對點的直接供電；受各種自然氣候和地理環(huán)境影響較小，能全天發(fā)電。毫無疑問，根據(jù)這些優(yōu)點，其作為備用電源、移動電源和自備電源的優(yōu)勢在短期內(nèi)是無可取代的。而人類社會越發(fā)展，對電力供應(yīng)的需求越高，對供電保障的要求越高，因而對備用電源、移動電源和自備電源的使用也會水漲船高。所以，筆者專門研究了這一低成本、高性能又環(huán)保的發(fā)電機(jī)組。
一、技術(shù)路線
針對康明斯的280kw型號為kc280gf發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)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)，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一40 ℃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/t 282舊一2009中電站性能等級的分類，按照g2級要求進(jìn)行設(shè)計柴油機(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 c,2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％，突加功率時一10％，頻率恢復(fù)時間／5 s。
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)計制作，控制器原理見圖1。
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0一／+，也有雙向的一／一／+；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《匚作轉(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)的理論計算，在原來已有試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將柴油發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇直徑設(shè)計為700 mm,水箱散熱面積設(shè)計為 93 m2，然過測試互召值，來評估高溫下柴油發(fā)電機(jī)能否正常工作。
3、低溫啟動性能
為了滿足發(fā)電機(jī)組在一40 ℃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、柴油采用滿足一40 ℃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)能順利實現(xiàn)啟動。
二、試驗結(jié)果和結(jié)果分析
1、高溫性能試驗數(shù)據(jù)
高溫性能試驗在發(fā)電機(jī)組滿載的狀態(tài)下進(jìn)行試驗，實驗數(shù)據(jù)見表3。
表3高溫性能實驗數(shù)據(jù)
累計時間[min
環(huán)境空氣柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)溫度/℃ 水溫度/ ℃
柴油發(fā)電機(jī)出水溫度／℃
0
10
20
30
40
60
70
90
36，2 36· 1
36．3
36．4
36．5
36．6
36 · 5
36 · 7
36 · 6
36 · 5
60．6
67．7 72 · 2
74 · 2
75．6 75 ·9
76．9
77 · 5
77 · 3
77 ·4
68 · 6
75 · 6
80．1
82．0
83 ·4
83 · 7
84· 7
85 · 3
85
85 · 2
在高溫性能試驗中，由于柴油發(fā)電機(jī)的散熱器蒸汽閥工作壓力為70 kpa,此時水的沸點在1巧℃ 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)定運轉(zhuǎn)完全滿足要求。
2、性能曲線
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 min,試驗數(shù)據(jù)。
通過分析以上試驗數(shù)據(jù)及下面的特性曲線圖可以得出以下結(jié)論：
a.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。
b.柴油機(jī)運轉(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。
三、應(yīng)用情況 發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)經(jīng)過嚴(yán)格的出廠試驗及現(xiàn)場調(diào)試，已經(jīng)在康明斯公司成功實現(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施，可為類似用途柴油機(jī)的方案設(shè)計提供參考。

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