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性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明 |
柴油發(fā)電機組的結構與特點(diǎn) |
摘要：柴油發(fā)電機組主要由柴油機、同步發(fā)電機、油箱、控制系統四個(gè)部分組成，利用柴油為燃料，柴油內燃機組控制柴油在汽缸內有序燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣，當燃氣膨脹時(shí)推動(dòng)活塞使曲軸旋轉，產(chǎn)生機械能，通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)同步交流發(fā)電機旋轉，將機械能轉換為電能輸出，給各用電負載提供電源。例如康明斯柴油發(fā)電機以其堅固耐用性、穩定性、性能強勁、經(jīng)濟性而被眾多企業(yè)所選擇，成為其主要的電力來(lái)源。卓越的燃油效率是柴油發(fā)電機的主要優(yōu)勢，由于其出色的設計和壓縮空氣允許的效率，它們可以比相同功率的汽油、天然氣等其他類(lèi)型發(fā)電機運行更長(cháng)的時(shí)間，提供更多的電力。
一、柴油發(fā)電機組的發(fā)展歷史
柴油發(fā)電機組是一種能源轉換設備（外形如圖1所示），它是將熱能（燃油通過(guò)燃燒）轉化為機械能（發(fā)動(dòng)機旋轉），再將機械能轉換為電能的設備，燃油是其原料，電能是其產(chǎn)品。1897年全世界第一臺柴油發(fā)電機誕生于德國的奧格斯堡（Augsburg），是由MAN公司的創(chuàng )始人 Rudolf Diesel 發(fā)明的。目前，柴油機的英文名字即為創(chuàng )始人的姓名 Diesel。
從1897年第一臺柴油發(fā)電機組誕生到現在的一百多年時(shí)間里，柴油發(fā)電機組的技術(shù)發(fā)展一直與柴油發(fā)動(dòng)機的技術(shù)發(fā)展及控制技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。前50年技術(shù)進(jìn)步相對緩慢。后50年來(lái)隨著(zhù)柴油機技術(shù)水平的快速發(fā)展和機組控制技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，柴油發(fā)電機組從20世紀60年代使用的手啟動(dòng)、機房固定安裝的普通機組，到70年代研制成功了自啟動(dòng)機組，80年代研制成功了微型計算機控制的自動(dòng)化無(wú)人值守機組，到90年代開(kāi)始研制低噪聲排放的機組，2000年后注重噪聲和尾氣排放環(huán)境保護。最近幾年，隨著(zhù)云計算技術(shù)的發(fā)展，柴油發(fā)電機組智能控制也朝云監控方向發(fā)展。從而使柴油發(fā)電機組的技術(shù)裝備水平不斷提高，現代柴油發(fā)電機組具有靈活、方便、自動(dòng)化程度高、噪聲小和排放低等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新技術(shù)、新成果的應用使得現代柴油發(fā)電機組具有更高的適用性、可靠性、安全性以及良好的環(huán)保特性，將不斷滿(mǎn)足現代社會(huì )對柴油發(fā)電機組的更高要求。
作為一臺發(fā)電機組，最重要就是柴油機動(dòng)力部分（外形如圖2所示）。柴油發(fā)動(dòng)機則與汽油發(fā)動(dòng)機不同，主要有兩個(gè)原因。
（1）空氣被單獨壓縮——這個(gè)過(guò)程不需要燃料，這允許更高水平的空氣壓縮，從而產(chǎn)生更高的燃料效率和更低的燃料成本。
（2）更多的壓縮空氣等于更熱的空氣。事實(shí)上，它產(chǎn)生了更熱的空氣，當添加柴油燃料時(shí)，點(diǎn)火是自動(dòng)產(chǎn)生的。這意味著(zhù)不需要單獨的火花塞，并且減少了維護要求與次數，可以節省大量后期可能需要的維護費用。
現在，很多企業(yè)都傾向于配置柴油發(fā)電機，因為柴油發(fā)電機更可靠。事實(shí)上，自從魯道夫·迪塞爾于1878年發(fā)明了柴油發(fā)動(dòng)機，因為柴油發(fā)動(dòng)機的效率極高，且柴油發(fā)動(dòng)機比汽油、天然氣發(fā)動(dòng)機使用相同的體積的燃料，卻能產(chǎn)生更高的效率與動(dòng)力。時(shí)至今日，柴油發(fā)電機仍被認為是最高效、最具成本效益的選擇，柴油發(fā)電機旨在在更長(cháng)的時(shí)間里提供大量電力，而無(wú)需頻繁停機。
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圖1 柴油發(fā)電機組側視圖 |
圖2 柴油發(fā)動(dòng)機三維模型圖 |
二、柴油發(fā)電機組的結構
柴油發(fā)電機組是一種機電一體化設備，它由柴油發(fā)動(dòng)機、交流發(fā)電機和機組控制系統三大部件組成，包括前端的供油系統和后端的輸配電系統，組成一個(gè)完整的電站系統。其技術(shù)涉及機械動(dòng)力學(xué)、電學(xué)、自動(dòng)化控制等各個(gè)領(lǐng)域。柴油發(fā)電機組一般有如下構成的組件：
1、柴油發(fā)動(dòng)機
以康明斯發(fā)動(dòng)機型號QSL8.9系列為例，柴油機的基本結構包括曲柄連桿機構、配氣機構、傳動(dòng)機構、燃油供給系統、潤滑系統、冷卻系統、起動(dòng)系統，俗稱(chēng)三大機構四大系統。這些系統和機構的良好配合，是柴油機能夠產(chǎn)生動(dòng)力并對外輸出動(dòng)力的關(guān)鍵。
（1）曲柄連桿機構： 機體部件：氣缸體、氣缸蓋、氣缸套、主軸承、主軸承蓋等。
（2）主運動(dòng)部件：曲軸、連桿、活塞、活塞環(huán)、飛輪、皮帶輪等。 配氣機構：配氣定時(shí)齒輪、凸輪軸、隨動(dòng)臂、推桿、搖臂、搖臂軸、進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)、氣門(mén)彈簧、氣門(mén)導套、氣門(mén)鎖銷(xiāo)、空氣濾清器、渦輪增壓器、消音器、中冷器等。
（3）傳動(dòng)機構：如驅動(dòng)配氣機構、噴油泵、風(fēng)扇、機油泵、輸油泵等以及其他輔助部件等。
（4）燃油系統：燃油箱、輸油泵、濾油器、油水分離器、噴油泵、噴油嘴等。 潤滑系統：油底殼、油泵、油冷器、濾油器、活塞冷卻噴嘴等。
（5）冷卻系統：散熱器、水泵、風(fēng)扇、節溫器等。 起動(dòng)系統：蓄電池、發(fā)電機、起動(dòng)馬達、起動(dòng)開(kāi)關(guān)、蓄電池繼電器等。
四大系統中，曲柄連桿機構、配氣機構和燃油供給系統，是柴油機的三個(gè)最基本的部分，它們互相配合，完成柴油機的工作循環(huán)，實(shí)現能量轉換。 在使用過(guò)程中，三者技術(shù)狀態(tài)的好壞及相互之間配合的正確與否，對柴油機的性能具有決定性的影響。潤滑系統和冷卻系統為柴油機的輔助系統，是柴油機長(cháng)期正常工作不可缺少的重要部分。如果潤滑系統或冷卻系統工作不正常，那么柴油機就會(huì )發(fā)生故障，也不能正常工作。
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圖3 康明斯QSL8.9型柴油機的結構側視圖 |
圖4 康明斯QSL8.9型柴油機的結構后視圖 |
2、交流無(wú)刷同步發(fā)電機
發(fā)電機的主機是旋轉磁場(chǎng)式，通過(guò)發(fā)電機的定子向外輸出電能。發(fā)電機的轉子往往有隱極與凸極兩種結構型式。因為此類(lèi)發(fā)電機的運行工況一般均和電網(wǎng)并聯(lián)運行，從而對發(fā)電機的電壓品質(zhì)要求較高。轉子為隱極結構的發(fā)電機波形的畸變率小、正弦性好。主機勵磁電流的由勵磁機通過(guò)旋轉的整流器來(lái)提供的，勵磁機為旋轉電樞式的三相同步發(fā)電機，勵磁機的勵磁是由發(fā)電機控制器來(lái)提供的。
（1）通風(fēng)散熱
為了提高材料利用率，采用較高的電磁負荷，所以需要提高發(fā)電機的散熱能力。發(fā)電機采用軸向的通風(fēng)結構，大部分損耗所產(chǎn)生的熱量從定子鐵芯傳給機座，再通過(guò)內部風(fēng)扇與外部環(huán)境所帶來(lái)的冷卻氣體進(jìn)行冷卻。而其余的損耗熱量主要是轉子損耗與部分定子繞組端部的損耗，都是由內部風(fēng)扇所帶來(lái)的冷卻氣流進(jìn)行冷卻。
發(fā)電機的冷卻方式一般可分為自然冷卻、強迫風(fēng)循環(huán)冷卻、自力通風(fēng)冷卻。自然冷卻多用于1KW以下的發(fā)電機，強迫風(fēng)循環(huán)冷卻需在發(fā)電機和風(fēng)機之間設置專(zhuān)門(mén)的風(fēng)路，結構復雜、體積龐大，維護維修不便。中壓發(fā)電機功率不是很大，選用自力通風(fēng)冷卻是最為合理的，將風(fēng)扇安裝在發(fā)電機的轉軸上，風(fēng)扇所消耗的功率由轉軸的機械功率進(jìn)行供給。
（2）絕緣
發(fā)電機的絕緣結構所采用的材料，在溫度作用下，其機械、電氣、物理等性能都將會(huì )逐漸變壞，且當溫度升高到一定程度時(shí)，絕緣材料的特性將會(huì )發(fā)生本質(zhì)的變化，導致失去絕緣能力。
為提高發(fā)電機的絕緣等級，發(fā)電機的電磁線(xiàn)采用漆膜厚度2級、耐熱等級為200級的聚酯亞胺/聚酰亞胺復合漆包圓銅線(xiàn)；槽的絕緣為耐熱等級為180級的聚酯亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復合材料；引接線(xiàn)采用銅芯交聯(lián)聚烯烴絕緣發(fā)電機繞組的引接線(xiàn)電纜、電線(xiàn)，連續運行導體的最高溫度為125℃;槽楔為耐熱等級為180級的聚胺酰亞胺層壓的玻璃布板：160無(wú)溶劑浸漬絕緣漆為連續真空壓力絕緣。整體的絕緣耐熱等級為H級，最高可允許的工作溫度為180℃。所以，發(fā)電機的絕緣性能優(yōu)良可靠，防潮能力強，機械強度好。
（3）勵磁系統
中壓無(wú)刷同步發(fā)電機通常采用單機勵磁，勵磁系統有三種方案：
① 可控相復勵勵磁：動(dòng)態(tài)、穩態(tài)性能好；難于與高壓發(fā)電機一體化，高低壓導線(xiàn)混雜，可靠性差。
② 諧波勵磁：動(dòng)態(tài)性能好，穩態(tài)性能稍差；低壓諧波繞組易被擊穿，可靠性差。
③ 副勵磁機勵磁：動(dòng)態(tài)性能稍差，穩態(tài)性能好，增加副勵磁機，使發(fā)電機軸向尺寸增大。
第三種方案雖然動(dòng)態(tài)性能稍差，但可靠性高，是最為可行的。因此一般在選擇副勵磁機勵磁方案時(shí)，副勵磁機為發(fā)電機控制器所提供的工作電源，以及勵磁機用的勵磁電源：信號取樣裝置TA、TV是發(fā)電機控制器所提供控制用的信號取樣的輸入。
3、控制系統
柴油發(fā)電機組現場(chǎng)由一臺主控制柜和若干發(fā)電機分控制柜組成。主控制柜使用PLC-觸摸屏結構。每臺柴油發(fā)電機組都配有一臺專(zhuān)業(yè)控制器，裝在分控制柜中，負責對應發(fā)電機的啟動(dòng)、停機、參數采集、故障檢測，并且多臺發(fā)電機之間或與市電之間自動(dòng)同期并網(wǎng)。
PLC是控制系統的核心，其輸入信號來(lái)自ATS和上位機，輸出信號給專(zhuān)業(yè)控制器，按照之前制定好的控制規則來(lái)控制機組的動(dòng)作，滿(mǎn)足供電線(xiàn)路在不同情況下的多樣閉合要求，整合所有專(zhuān)業(yè)控制器中的柴油發(fā)電機各項參數，以供上位機和現場(chǎng)觸摸屏讀取。上位機可通過(guò)TCP/IP或現場(chǎng)總線(xiàn)讀取PLC中的數據，將機組的運行參數與狀態(tài)直觀(guān)顯示，實(shí)施對整個(gè)系統的狀態(tài)監測，同時(shí)還可實(shí)現對整個(gè)系統遙控。其中，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已日趨成熟，如Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)，傳輸距離遠，通訊速率高，支持光線(xiàn)，非常適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應用，實(shí)現實(shí)時(shí)監控功能
柴油發(fā)電機組有多種分類(lèi)方法，按柴油機的轉速可分為高速機組（1500~1800rpm）、中速機組（1000rpm）和低速機組（600rpm以下）；按柴油機的冷卻方式可分為水冷和風(fēng)冷機組；按柴油機柴油調速方式可分為機械調速、電子調速、液壓調速和電子噴油管理控制調速系統（簡(jiǎn)稱(chēng)電噴或ECU）；按機組使用的連續性可分為長(cháng)用機組和備用機組；柴油發(fā)電機組通常采用三相交流同步無(wú)刷勵磁發(fā)電機，按發(fā)電機的勵磁方式可分為自勵式和他勵式。
三、柴油發(fā)電機組的特點(diǎn)
柴油發(fā)電機組是集柴油機、發(fā)電機和自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域相交叉的技術(shù)。柴油發(fā)電機組是以柴油機為動(dòng)力的發(fā)電設備，它與常用的蒸汽發(fā)電機組、水輪發(fā)電機組、燃氣渦輪發(fā)電機組、原子能發(fā)電機組等發(fā)電設備相比較，具有結構緊湊、占地面積小、熱效率高、啟動(dòng)迅速、控制靈活以及燃料儲存容易等優(yōu)點(diǎn)。其外形平面和后視圖分別如圖5、圖6所示。
1、單機容量等級多
柴油發(fā)電機組的單機容量從幾千瓦至幾萬(wàn)千瓦，目前國產(chǎn)機組最大單機容量為幾千千瓦。用作船舶、郵電、高層建筑、工礦企業(yè)、軍事設施的常用、應急和備用發(fā)電機組的單機容量，可選擇的容量范圍大，具有適用于多種容量用電負荷的優(yōu)勢。
采用柴油發(fā)電機組作為應急和備用電源時(shí)，可采用一臺或多臺機組，裝機容量根據實(shí)際需要靈活配置。
2、體積小，占地面積小
配套設備結構緊湊、單位功率重量輕、安裝地點(diǎn)靈活。柴油發(fā)電機組的配套設備比較簡(jiǎn)單、輔助設備少、體積小、重量輕。以高速柴油機為例，功率重量比一般在8～20kg/kW，而蒸汽動(dòng)力裝置比柴油發(fā)電機的這項指標大4倍以上。與水輪機組需建水壩、蒸汽機組需配置鍋爐、燃料儲備和水處理系統等比較，柴油發(fā)電機組具有占地面積小、建設速度快和投資費用低的優(yōu)點(diǎn)。
常用發(fā)電機組通常采用獨立配置方式，一般不與外（市）電網(wǎng)并聯(lián)運行。而備用發(fā)電機組或應急發(fā)電機組一般與變配電設備配合使用。機組占地面積小，安裝地點(diǎn)靈活。
3、熱效率高，燃油消耗低
柴油機是目前熱效率最高的熱力發(fā)動(dòng)機，其有效熱效率為30％～46％，高壓蒸汽輪機約為20％～40％，燃氣輪機約為20％～30％，因此柴油發(fā)電機組的燃油消耗較低。
4、啟動(dòng)迅速、并能很快達到全功率
柴油機的啟動(dòng)一般只需幾秒鐘，在應急狀態(tài)下可在1min內達到全負載運行；在正常工作狀態(tài)下約在5～30min內達到全負載，而蒸汽動(dòng)力裝置從啟動(dòng)到全負載一般需要3～4h。柴油機的停機過(guò)程也很短，緊急狀態(tài)可即時(shí)停機，正常狀態(tài)的停機過(guò)程不超過(guò)3min，可以頻繁起停。所以柴油發(fā)電機組很適合作為應急發(fā)電機組或備用發(fā)電機組。
5、維護操作簡(jiǎn)單
因其操作非常容易，從而僅需一名操作人員，并且在備用期間的維護保養相對簡(jiǎn)單。
6、建設與發(fā)電的綜合成本最低
柴油發(fā)電機組中的柴油機一般為四沖程、水冷、中高速內燃機。燃用不可再生的柴油或在柴油中摻燒乙醇、生物柴油、壓縮天然氣（CNG）和液化石油氣（LPG）等可再生能源以節省能源和保護環(huán)境。柴油機燃燒后的排放物主要為CO、HC、PM（顆粒）污染環(huán)境，而且排氣噪聲較大。盡管如此，柴油發(fā)電機組與水力、風(fēng)力、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電以及核能、火力發(fā)電等相比較，具有非常明顯的優(yōu)勢：柴油發(fā)電機組的建設與發(fā)電的綜合成本最低。
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圖5 柴油發(fā)電機組平面圖 |
圖6 柴油發(fā)電機組后視圖 |
總結：
柴油發(fā)電機組是一種成套發(fā)電設備。柴油機電站可以是單臺柴油發(fā)電機組自成體系獨立發(fā)電、供電，也可多臺柴油發(fā)電機組并列發(fā)電、供電。在這個(gè)系統中，只要保證燃油供應，就可不間斷地輸出電能。 在柴油發(fā)電機組的各主要部件中，柴油機有著(zhù)最為重要的地位，這不僅是因為柴油發(fā)動(dòng)機的價(jià)值最高，而且也是因為柴油發(fā)動(dòng)機是整個(gè)柴油發(fā)電機組的心臟，在能源轉換過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)主要的作用?？得魉构菊J為只有優(yōu)質(zhì)的發(fā)動(dòng)機、優(yōu)質(zhì)的發(fā)電機、優(yōu)質(zhì)的控制系統和優(yōu)質(zhì)的成套工藝才能組成最優(yōu)質(zhì)的發(fā)電機組。
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