新聞主題	特殊環(huán)境條件下柴油發(fā)電機組的應用

 

摘要：特殊環(huán)境條件一般指高溫環(huán)境、低溫環(huán)境和高原環(huán)境。當環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)（特指環(huán)境溫度低于-10℃），燃料的黏度增大，當溫度從40℃到-10℃時(shí)，柴油的黏度將提高36％，相對密度將提高3％，燃料的蒸發(fā)和霧化能力較差，噴入氣缸內未能及時(shí)蒸發(fā)的燃料附著(zhù)在燃燒室表面，影響了后續燃油的蒸發(fā)，導致可燃混合氣體品質(zhì)惡化。燃燒不良導致柴油機輸出功率下降，而廢氣濃度上升，尾氣排放惡化。另外，潤滑油在低溫時(shí)黏度增大，潤滑效果降低，各運動(dòng)部件摩擦阻力變大，造成啟動(dòng)時(shí)阻力力矩增大。另外，過(guò)于頻繁地冷啟動(dòng)柴油機，會(huì )降低柴油機的使用壽命。

 

一、 極端高溫條件下的柴發(fā)應用

 

      極端高溫環(huán)境是指環(huán)境溫度超過(guò)40℃，在高溫環(huán)境下，空氣密度降低，充氣系數低，柴油機燃燒時(shí)氧氣量減少，燃燒效率降低，柴油機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及可靠性都會(huì )下降。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機冷卻系統的散熱溫差小，散熱能力差，冷卻效果下降，發(fā)動(dòng)機容易過(guò)熱，高溫使潤滑油黏度下降，潤滑效果變差，嚴重時(shí)會(huì )影響發(fā)電機組的正常運行，高水溫和高機油溫度可能導致拉缸，甚至使發(fā)動(dòng)機損壞。

1、高溫環(huán)境對柴發(fā)的影響

（1）發(fā)動(dòng)機充氣效率下降。

      充氣效率是衡量發(fā)動(dòng)機性能和進(jìn)氣過(guò)程的重要指標。它定義為每缸每循環(huán)實(shí)際吸入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與標準狀態(tài)下充滿(mǎn)氣缸工作容積的理論空氣質(zhì)量的比值。氣溫越高，空氣密度越小，發(fā)動(dòng)機的實(shí)際進(jìn)氣量減少，造成發(fā)動(dòng)機功率下降。在一些帶防音罩殼的發(fā)電機組，其通風(fēng)條件更差一些。由于發(fā)動(dòng)機過(guò)熱，發(fā)動(dòng)機罩殼內溫度更高，發(fā)動(dòng)機吸入高溫空氣造成實(shí)際進(jìn)氣量的減少對發(fā)電機組的出力影響更為明顯。

（2）發(fā)動(dòng)機燃燒不正常。

      大氣溫度高，燃油的溫度升高，進(jìn)入氣缸的混合氣溫度也高，發(fā)動(dòng)機整個(gè)工作循環(huán)的溫度升高，高溫環(huán)境散熱器的散熱效率又低，使發(fā)動(dòng)機處于過(guò)熱狀態(tài)。另外，過(guò)熱的發(fā)動(dòng)機易造成可燃混合氣體的早燃，這種不正常的燃燒，更加劇了發(fā)動(dòng)機的過(guò)熱現象，同時(shí)燃油的高溫回油使油箱燃油溫度不斷升高，吸入氣缸的燃油溫度再升高，更進(jìn)一步加熱進(jìn)氣溫度，形成惡性循環(huán)。

（3）加快運動(dòng)部件的磨損。

     發(fā)動(dòng)機的潤滑油在高溫、高壓下工作，使潤滑油的抗氧化穩定性變差，引起潤滑油變質(zhì)。另外，由于潤滑油溫度高，黏度下降，使潤滑油變稀，油性變差，滑油壓力降低，影響潤滑效果，加快了運動(dòng)部件的磨損。同時(shí)，金屬零件由于高溫熱膨脹較大，零件之間正常配合間隙變小，這些都會(huì )加速機件的磨損，嚴重影響發(fā)動(dòng)機的使用壽命。

（4）啟動(dòng)蓄電池易損壞。

      溫度高，蓄電池電化學(xué)反應加快，電解液蒸發(fā)快，極板易損壞，同時(shí)易產(chǎn)生過(guò)充電現象，嚴重影響蓄電池的使用壽命。

（5）發(fā)電機加快老化。

     高溫環(huán)境使發(fā)電機繞組溫度升高，冷卻效果不良，繞組溫升超過(guò)額定允許溫升將對繞組絕緣造成破壞，加快發(fā)電機的老化。

2、高溫條件下的柴發(fā)應對措施

（1）良好的機房通風(fēng)

      為使柴油發(fā)電機組在高溫環(huán)境條件下能正常工作，必須保持機房良好的通風(fēng)條件。良好的機房通風(fēng)系統必須保證有足夠的空氣流入和流出，并可在機房?jì)葘?shí)現自由循環(huán)。因此，機房?jì)葢凶銐虼蟮目臻g，確保氣溫保持均衡空氣順暢的流通。在無(wú)特殊安裝條件限制時(shí)，通風(fēng)系統通常應采用直進(jìn)直出型。并絕對避免發(fā)電機組排放的熱空氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)口再次進(jìn)入機房。

      進(jìn)風(fēng)口應位于灰塵濃度小和周?chē)鸁o(wú)異物的合理位置，當條件許可時(shí)，應采用靠近發(fā)電機組控制屏側的斜上部進(jìn)風(fēng)方式，并加設百葉窗和金屬防護網(wǎng)簾，以避免異物進(jìn)入，確保正常的空氣對流。為防止熱空氣回流，發(fā)電機組進(jìn)風(fēng)口應盡可能遠離排風(fēng)口，空氣在機房?jì)戎绷?，進(jìn)風(fēng)口應加以保護以防止雨水及其他異物進(jìn)入。

      對于閉式循環(huán)水冷卻型柴油發(fā)電機組，進(jìn)風(fēng)口凈面積應大于發(fā)電機組散熱器芯有效面積的2倍，如進(jìn)風(fēng)口面積太小，實(shí)際進(jìn)風(fēng)量太少而導致機體溫度過(guò)高，影響發(fā)電機組的正常使用、降低發(fā)電機組的功率輸出、縮短維護周期及減少使用壽命。

      當排風(fēng)口安裝有百葉窗及金屬防護網(wǎng)簾時(shí)，應確保排風(fēng)口凈面積最小不低于散熱器芯有效面積的1.4倍，排風(fēng)口的中心位置應盡可能與發(fā)電機組散熱器芯的中心位置一致，排風(fēng)口的寬高比也盡可能與散熱器芯的寬高比相同。為防止熱空氣回流及機械振動(dòng)向外傳遞，應在散熱器與排風(fēng)口之間加裝彈性減振喇叭形導風(fēng)槽。

      裝有罩殼的低噪聲發(fā)電機組，外形如圖1所示，內部結構如圖2所示。由于整體結構比較緊湊，進(jìn)排風(fēng)條件比機房安裝的發(fā)電機組要差。在進(jìn)行整體設計時(shí)要對機箱的進(jìn)排風(fēng)口有效面積、進(jìn)排風(fēng)量和風(fēng)速進(jìn)行計算，優(yōu)先滿(mǎn)足發(fā)電機組進(jìn)排風(fēng)量的需要，如果進(jìn)排風(fēng)口面積無(wú)法滿(mǎn)足進(jìn)排風(fēng)量的要求，需采取增加軸流風(fēng)機強制進(jìn)排風(fēng)的措施，然后再考慮降噪的要求。

（2）增加發(fā)動(dòng)機的有效散熱

      水冷發(fā)動(dòng)機的散熱水箱一般按環(huán)境溫度40℃配置。在極端高溫環(huán)境，必須增大散熱水箱的散熱量，可選配50℃或55℃散熱水箱。由于散熱量增大，水箱風(fēng)扇消耗的功率也相應增大，使發(fā)動(dòng)機的輸出功率減少，這一點(diǎn)在進(jìn)行發(fā)電機組溫度折損時(shí)必須加以考慮。

      裝有渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機，一般都會(huì )考慮增加中冷器對增壓后的空氣進(jìn)行冷卻，以增加氣缸進(jìn)氣量。

      在高溫環(huán)境，可采取增加燃油冷卻器和潤滑油冷卻器的方法，來(lái)增加發(fā)電機組的散熱效果。目前已有四合一冷卻水箱產(chǎn)品，集成了缸體散熱、渦輪增壓器中冷、燃油冷卻和潤滑油冷卻4個(gè)功能，提高了發(fā)電機組在高溫環(huán)境的冷卻效果。

      同時(shí)，機房?jì)纫獙ε艧煿?、波紋減振節、消聲器等發(fā)熱部件進(jìn)行隔熱包扎。對裝有罩殼的低噪聲發(fā)電機組，除了機箱內對排煙管、波紋減振節進(jìn)行隔熱包扎以外，消聲器裝在水箱散熱器前面或外置裝在機箱外，以利于散熱。啟動(dòng)蓄電池安裝在進(jìn)風(fēng)通道溫度較低的地方。

 

圖1  高原型集裝箱柴油發(fā)電機組外罩形狀

圖2  高原型集裝箱柴油發(fā)電機組內部結構

 

3、高溫環(huán)境柴發(fā)的功率折損

       當環(huán)境條件與標準規定不同時(shí)，發(fā)電機組功率應進(jìn)行修正見(jiàn)第1章相關(guān)內容，同時(shí)由于設計的不同，各品牌柴油機和發(fā)電機的輸出功率的修正參數也不一致；同一品牌，不同型號、不同調速系統，其修正的參數也有區別。一般要以原柴油機生產(chǎn)廠(chǎng)家的修正參數為準。通?？砂凑窄h(huán)境溫度超過(guò)40℃時(shí)，每升高5℃，輸出功率下降3％～4％來(lái)進(jìn)行功率損失的計算，但要注意的是，有些廠(chǎng)家的發(fā)電機組標稱(chēng)功率是基于環(huán)境溫度20℃時(shí)的輸出功率。圖3和圖4分為康明斯發(fā)電機組在高原下備用功率、常用功率的修正曲線(xiàn)圖。

 

圖3  康明斯發(fā)電機組高原備用功率下降曲線(xiàn)（50HZ）

圖4  康明斯發(fā)電機組高原常用功率下降曲線(xiàn)（50HZ）

 

二、極端低溫條件下的柴發(fā)應用

 

1、低溫環(huán)境對柴發(fā)的影響

      低溫環(huán)境對柴油發(fā)電機組的影響主要是啟動(dòng)困難。柴油發(fā)電機組順利啟動(dòng)的必備條件有：首先，燃油與空氣在氣缸內要形成一定數量的可燃混合氣體，其次氣缸內的混合氣體要達到可燃點(diǎn)，最后著(zhù)火溫度要保持足夠長(cháng)的時(shí)間。這三個(gè)條件缺一不可，然而在低溫條件下，受很多因素的影響，導致啟動(dòng)條件不滿(mǎn)足，柴油機難以啟動(dòng)成功。低溫條件對柴油機啟動(dòng)的影響主要表現在以下幾個(gè)方面：

（1）柴油機著(zhù)火困難，環(huán)境溫度低，氣缸套、活塞等零件溫度降低，進(jìn)入氣缸的空氣溫度降低，使柴油機在冷啟動(dòng)時(shí)壓縮終點(diǎn)，氣缸內壓力降低，溫度達不到柴油著(zhù)火溫度，造成冷啟動(dòng)困難。

（2）啟動(dòng)阻力增大，冷機啟動(dòng)時(shí)，潤滑油黏度大，流動(dòng)性能變差，曲軸與軸瓦等摩擦機件之間的潤滑不良，摩擦阻力增大，使啟動(dòng)阻力力矩增大。

（3）蓄電池容量下降，蓄電池容量會(huì )隨著(zhù)環(huán)境溫度的降低而下降。研究表明，普通鉛酸蓄電池在-40℃時(shí)，電解液黏度比0℃增加了3～4倍，電阻率與常溫相比增加7倍，容量只有原來(lái)的1/5。此外，蓄電池的充電能力也會(huì )隨著(zhù)氣溫的降低而下降。在正常情況下，剩余電量為50％的蓄電池經(jīng)過(guò)6h的充電，可達到額定容量，而在-10℃時(shí)，同樣放電的蓄電池，只能充電到60％的額定容量。

      另外，低溫條件下，電器元件中的線(xiàn)圈電阻會(huì )降低，線(xiàn)圈吸合需要的安匝數增加較大，導致觸頭容易彈跳，降低了電器機械壽命，容易出現誤報警和誤操作，使整個(gè)系統的可靠性降低?？刂颇K的液晶顯示屏在-40℃出現黑屏，控制系統無(wú)法正常工作。

2、改善柴發(fā)冷啟動(dòng)性能的措施

（1）輔助加熱措施

      輔助加熱措施是柴油發(fā)電機組冷啟動(dòng)的最常用方法，分為進(jìn)氣預熱、火焰預熱、水套加熱器、燃油加熱器和機油加熱器等。

① 進(jìn)氣預熱裝置

      在進(jìn)氣歧管內安裝進(jìn)氣預熱裝置以提高進(jìn)氣溫度，可采用PTC陶瓷加熱器對進(jìn)氣進(jìn)行預熱。PTC陶瓷加熱器（外形結構如圖5所示）具有熱效率高、電功耗低、結構緊湊、自動(dòng)控溫、發(fā)熱低、不易氧化和使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)電機組在-40℃的低溫環(huán)境也能啟動(dòng)成功。

② 火焰預熱裝置

      火焰預熱啟動(dòng)裝置一般由電子控制器、電磁閥、溫度傳感器、火焰預熱塞及油管和導線(xiàn)等幾部分組成，系統如圖6所示。工作過(guò)程是：先將電熱塞加熱到850～950℃，然后接通啟動(dòng)電機，電磁閥自動(dòng)打開(kāi)油路，通過(guò)油管向電熱塞供油，最后進(jìn)行火焰預熱啟動(dòng)。

③ 水套加熱器

      在冷卻系統中，安裝水套加熱器以提高冷卻液溫度，水套加熱器能把加熱到45～50℃的冷卻液循環(huán)到發(fā)動(dòng)機的缸體水套，使發(fā)動(dòng)機處于暖機狀態(tài)。

④ 燃油和機油加熱器

      在燃油系統和潤滑油系統加裝燃油加熱器和潤滑油加熱器，以此加熱發(fā)動(dòng)機，提高發(fā)電機組的冷啟動(dòng)性能。

（2）低溫型蓄電池

      在極寒地區，啟動(dòng)電池采用卷繞式蓄電池，這種蓄電池采用螺旋卷繞技術(shù)，板柵合金也由全新的鉛合金取代了平板電瓶的鉛鈣合金，其極板之間的間隙極小，酸是固體酸，并能被玻璃纖維網(wǎng)所吸附，結構緊密，在低溫下，沒(méi)有液態(tài)酸可冰凍，因此電流輸出下降較少。啟動(dòng)電流是普通電瓶的3倍；啟動(dòng)時(shí)間最快為0.6s，具有平穩的高輸出電壓、更高的能量密度。使用壽命通常為普通平板電瓶的1.5倍以上。

（3）低溫油料和冷卻液

      使用與環(huán)境溫度相適應的低溫柴油、冷卻液、低溫潤滑油。一般低溫柴油、低溫潤滑油、冷卻液的標號至少要比環(huán)境溫度低5℃以上。

（4）防潮加熱器

      在電控系統的電控箱加裝防潮加熱器，以改善電控系統的低溫條件。

 

圖5  柴油機PTC陶瓷加熱器

圖6  柴油機火焰預熱系統

 

總結：

      根據以上所述，我們得知當在高原地區使用時(shí)，由于空氣稀薄不能象在海平面高度那樣燃燒那么多的燃料而損失一些功率，對于自然進(jìn)氣的發(fā)動(dòng)機，一般海拔每升高 300m 功率損失約 3％~4%左右。因此，在高原工作時(shí)，柴油發(fā)電機組必須選用常用功率的，不能選備用功率的柴油發(fā)電機，否則有可能達不到自身設備啟動(dòng)時(shí)所需的功率，從而造成損失。另外，由于高原柴油發(fā)電機組使用地的特殊性，要經(jīng)常更換它的空氣濾芯，機油濾芯和柴油濾芯，以保證發(fā)電機組的最大輸出功率。

 

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