柴油發電機組的應用研究和高溫性能測試

作為發電設備，柴油發電機組有著一些獨特的優點：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電；供電平穩，供電質量可以通過技術改進得以提高，可以對負載進行點對點的直接供電；受各種自然氣候和地理環境影響較小，能全天發電。毫無疑問，根據這些優點，其作為備用電源、移動電源和自備電源的優勢在短期內是無可取代的。而人類社會越發展，對電力供應的需求越高，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、高性能又環保的發電機組。
一、技術路線
針對康明斯的280kw型號為kc280gf發電機組用柴油機的應用研究，主要依托于康明斯m11系列6缸四氣門柴油機，在此基礎上進行應用研究，提高調速性能要求，滿足公用電力類用電設備的需要，滿足在 50 ℃環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、柴油機的調速系統
由于發電機組的使用范圍為公用電力類型的備用應急電站，依據gb/t 282舊一2009中電站性能等級的分類，按照g2級要求進行設計柴油機調速性能就可以滿足發電機組要求。gb02820．5一2009中規定 c,2級電站調速要求如下：頻率降5％，穩態頻率帶17％，瞬態頻率偏差：100％突減功率時12％，突加功率時一10％，頻率恢復時間／5 s。
為了滿足這一調速性能要求，柴油發電機的調速系統采用電子調速器。柴油發電機電子調速器按控制方式分為模擬式和數字式兩種，基本原理采用的都是 pid閉環控制，pid控制方法是工業過程控制領域中廣泛應用的一種方法。由于柴油發電機速度系統基本上可以看成是一個慣性加小純滯后系統，近似線性系統，所以采用pid方式控制柴油發電機轉速，在很寬的范圍內可以保證柴油發電機具有良好的速度特性。
此次應用研究的柴油發電機采用康明斯公司的電子調速器，首先柴油發電機、轉速傳感器、控制器、執行器通過一定的連接構成一個速度閉合環路，由控制器根據轉速傳感器檢測到的柴油發電機轉速信號對柴油發電機轉速進行控制。其中最為關鍵的部件是控制器，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。它的輸人信號是轉速傳感器輸出的正弦波信號，輸出信號是驅動執行器的 pwm方波校正功率信號它的工作過程是：首先在控制器內部的基準電路單元上設置標定轉速，然后對輸人工作轉速信號與設定轉速進行比較，兩者的差作為偏差信號。該偏差信號經過pid運算，變成相應的校正信號，校正信號放大后輸出給執行器（功率輸出信號有單向的0一／+，也有雙向的一／一／+；對應單、雙向執行器）。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。當輸人轉速高于設定轉速時，輸出電壓為零。由于柴油發電機自身質量和摩擦以及負載變化等原因，使得偏差始終存在，因此調節過程會連續不斷地進行，最終使《匚作轉速恒定在沒定轉速上。
2、高溫工作性能
對于該發電機組要求滿足環境溫度50 ℃條件下正常使用的要求，我們通過對柴油發電機散熱系統的理論計算，在原來已有試驗數據的基礎上，將柴油發電機的風扇直徑設計為700 mm,水箱散熱面積設計為 93 m2，然過測試互召值，來評估高溫下柴油發電機能否正常工作。
3、低溫啟動性能
為了滿足發電機組在一40 ℃環境溫度下的應急備用能力，對柴油發電機采用缸套水預熱的方式，在備用期間用220 v/380 v的市電通過預熱裝置對缸套水進行加熱。通過發電機組的控制模塊設定預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，使柴油發電機水套的溫度始終保持在36、50 ℃左右，柴油發電機處于熱備用狀態。機油、柴油采用滿足一40 ℃環境溫度使用條件的油品，從而保證柴油發電機在17s內能順利實現啟動。
二、試驗結果和結果分析
1、高溫性能試驗數據
高溫性能試驗在發電機組滿載的狀態下進行試驗，實驗數據見表3。
表3高溫性能實驗數據
累計時間[min
環境空氣柴油發電機進溫度/℃ 水溫度/ ℃
柴油發電機出水溫度／℃
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，由于柴油發電機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，受柴油發電機所能承受的熱負荷限制，柴油發電機僅能在短時間內能承受110 ℃的冷卻水溫，考慮到發電機組需要持續工作，柴油發電機需要穩定運轉完全滿足要求。
2、性能曲線
柴油發電機啟動在規定的環境溫度下進行，連續啟動3 次，每次間隔5 min,試驗數據。
通過分析以上試驗數據及下面的特性曲線圖可以得出以下結論：
a.采用以上配置的柴油機能夠實現g2級電站的調速要求，能夠滿足環境溫度50 ℃時的正常使用要求，在一40 ℃下能夠實現順利啟動。
b.柴油機運轉穩定，并具有良好的經濟性，非常適合于公用電力類備用應急發電機組的使用要求。
三、應用情況 發電機組用柴油機經過嚴格的出廠試驗及現場調試，已經在康明斯公司成功實現批量化配套應用，產品已經出口銷售到中東、俄羅斯等地區，并在國內其他多家發電機組公司得到應用。以低溫啟動可靠，運轉穩定，在高溫下可靠工作，得到用戶的青睞。此應用研究和方案的成功實施，可為類似用途柴油機的方案設計提供參考。

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