柴油发电机组的应用研究和高温性能测试

作为发电设备，柴油发电机组有着一些独特的优点：体积相对较小，灵活便捷；操作方便，简单易控制；能源原料（燃油）来源广泛，启动快，可以快速供电和快速停止发电；供电平稳，供电质量可以通过技术改进得以提高，可以对负载进行点对点的直接供电；受各种自然气候和地理环境影响较小，能全天发电。毫无疑问，根据这些优点，其作为备用电源、移动电源和自备电源的优势在短期内是无可取代的。而人类社会越发展，对电力供应的需求越高，对供电保障的要求越高，因而对备用电源、移动电源和自备电源的使用也会水涨船高。所以，笔者专门研究了这一低成本、高性能又环保的发电机组。
一、技术路线
针对康明斯的280kw型号为kc280gf发电机组用柴油机的应用研究，主要依托于康明斯m11系列6缸四气门柴油机，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一40 ℃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/t 282旧一2009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 c,2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％，突加功率时一10％，频率恢复时间／5 s。
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，控制器原理见图1。
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0一／+，也有双向的一／一／+；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《匚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700 mm,水箱散热面积设计为 93 m2，然过测试互召值，来评估高温下柴油发电机能否正常工作。
3、低温启动性能
为了满足发电机组在一40 ℃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、柴油采用满足一40 ℃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。
二、试验结果和结果分析
1、高温性能试验数据
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3高温性能实验数据
累计时间[min
环境空气柴油发电机进温度/℃ 水温度/ ℃
柴油发电机出水温度／℃
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1巧℃ 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、性能曲线
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 min,试验数据。
通过分析以上试验数据及下面的特性曲线图可以得出以下结论：
a.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。
b.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。
三、应用情况 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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