柴油发电机组发烫运转和冷起动性能测试

摘要：作为现代较常用的发电设备，柴油发电机组有着一些独特的优点而受到用户喜爱。比如柴油发电机组体积相对较小，灵活便捷；使用方便，简单易控制；能源原料来源广泛，启动快，可以快速供电；供电平稳，可以对负荷进行点对点的直接供电。毫无疑问，根据这些特征使其无论作为备用电源，还是移动电源和自备电源的优点在短期内是无可取代的。因为在一些特殊环境条件下，柴油发电机组运用显然受限。故而，康明斯专门推出一款针对性的应对发热和低温环境下使用的柴油

     以康明斯的280千瓦类型KC280GF发电机组用柴油发电机为例的运用探讨，详细依托于康明斯M11系列6缸四气门柴油发电机配套斯坦发电机成套机组（如图1所示，带超静音外罩），在此基本上进行应用探讨，提升调速性能要求，满足公用电力类用电设备的需要，满足在 50 ℃环境温度下的正常作业要求及-40 ℃低温下的正常启动要求。

      因为发电机组的操作范围为公用电力分类的备用应急电站，依据GB/T2828.1一2009中电站性能等级的类别，按照G2级要求进行规划柴油发电机调速性能就可以满足发电机组要求。GB02820．5一2009中规定 G2级电站调速要求如下：频率降5％，稳态频率带17％，瞬间频率偏差：100％突减容量时12％，突加功率时10％，频率恢复时间5s。

      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板。柴油发电机电子速度控制器按控制程序分为模拟式和数字式两种，基础机理采用的都是 PID闭环控制，PID控制举措是工业程序控制领域中广泛应用的一种策略。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，故而采用PID程序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转速特性。

      此次运用探求的柴油发电机采用康明斯公司的电子速度控制器，首先柴油发电机、转速探头、控制系统、执行器通过一定的连接组成一个转速闭合环路，由控制器根据速度传感器检测到的柴油发电机速度信号对柴油发电机速度进行控制。其中较为关键的部件是控制界面，此处采用众智6110系列操作系统，众智系列控制屏就是采用PID控制原理设计制作。

       控制器由模拟放电网路、微分电路、积分电路、PWM等电路组成。它的输人信号是转速感应器输出的正弦波信号，输出信号是驱动执行器的 PWM方波校正容量信号它的工作流程是：首先在控制屏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速度进行比较，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，也有双向的；对应单、双向执行器）。偏差越大，输出的调校信号电压越高，校正偏差的转速越快；随着偏差的减轻，校正电压逐渐减小。当输人转速高于设定速度时，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因由，使得偏差始终存在，因此调节过程会连续不断地进行，较终使工作速度恒定在没定速度上。

      对于该发电机组要求满足环境温度50 ℃因素下正常操作的要求，深圳发电机出租公司通过对柴油发电机散热系统的理论计算，在原来已有试验参数的基础上，将柴油发电机的风扇直径布置为700mm，水箱散热面积规划为93m2，然过测试温升值，来评估发烫下柴油发电机能否正常工作。带水箱散热器的柴油发电机外观模型如图2所示。

      为了满足发电机组在-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程序，在备用期间用220 v/380 v的电网通过预热系统对缸套水进行加热。通过发电机组的操作系统设定预热装置的作业温度范围为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载状态。机油、柴油采用满足-40 ℃环境温度操作因素的油品，从而保证柴油发电机在17s内能顺利实现启动。

      高温试验发电机组在发烫环境中（40℃或45℃，按技术要素要求规定）静置6h后，在额定工况下持续运行至热态。之后，按前面有关条文的规定测定绕组温升、电压与频率的稳态调节率和波动率。在持续运转期间，每隔0.5h记录一次有关数据（同热试验）。试验步骤中，对机组的要求同12h持续运转试验。

      发烫性能试验在发电机组满载的状态下进行试验，实验参数见表3。

      在发热性能试验中，因为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117℃ 左右，受柴油发电机所能承受的热负载限制，柴油发电机仅能在短时间内能承受110 ℃的防冻液温，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。

      低温试验系统框图如图3所示。发电机组加满低温用燃油、机油和防冻防冻液（柴油发电机为水冷者），配备好容量充裕的启动用蓄电池（柴油发电机为电启动者）后，将发电机组静置于规定的低温（-40°℃25℃或-15℃，按技术因素要求规定）环境中达12h以上（对额定容量在12kW以上者）或6h以上（对额定容量在12千瓦以下者）。

      完全充电的电瓶，放置在带有空气循环低温箱或低温室中，温度保持在-18℃±1℃，时间不低于24h，蓄电池在低温箱或低温室取出后，迅速接好接线℃冷起动电流Icc电流放电30s，在放电流程中电流值的变化应不超过正±0.5%，分别记录放电10s和30s时电瓶端电压。然后停止放电，静置20s，之后以0.6Icc电流放电40s，在放电过程中电流值的变化应不超过±0.5%，记录40s时电瓶端电压。全部实验在90s内完成。蓄电池放电到10s时端电压不小于7.5v，30s端电压不小于7.2v，90s端电压不小于6v。Icc值可以查标准或产品目录。

      不一样环境温度时，启动阻力矩与速度的关系速度高于170转/分时，平均起动阻力矩随速度的环境温度增大。速度提高50转/分，平均启动阻力矩增加3～8N·m。试验测得环境温度为-20℃的阻力矩，在严寒要素下柴油发电机的起动阻力矩，可以运用经验公式，预测更低环境温度时柴油发电机的起动阻力矩。环境温度为-35℃的预测柴油发电机启动阻力矩，如图4所示。

      柴油发电机在不一样的工况下，各具体指标是变化的。要找出它们的变化规律，必须在发电机测功器上进行试验，测出在不一样工况下的数据，并绘制成曲线表示其变化关系。这些曲线称为柴油发电机的特征曲线。在衡量柴油发电机的动力性和经济性时，常载的特性曲线有外特点曲线、转速特征曲线和调速特征曲线）速度特点曲线

      当柴油发电机运行的时候，其容量、功率和耗油率这三个基础性能指标都会随着负荷的变化而变化。这些变化遵循一定的规律，将这些有规律的变化描绘成曲线，就有了反映柴油发电机特征的曲线图。根据柴油发电机的各种特征曲线，可以全面地判断柴油发电机的动力性和经济性。反映柴油发电机运行现状常载转速特点曲线。

      柴油发电机的转速特征曲线表示高效容量N（KW）、功率M（牛顿米）、比燃料消耗量g（克/千瓦小时）随柴油发电机转速n而持续变化的表现。柴油发电机的速度特征是在制动试验台架上测出的。保持柴油发电机在一定节气门开度情况下，稳定速度，测取在这一工况下的容量、比耗油等，然后调整被测机载荷（扭距变化），使柴油发电机速度改变，再测得另一速度下的容量、比耗油。按照一定转速间隔依次进行上述步骤。就能测出在不一样速度下的数值，将这些数值点连点地构造持续曲线，就发生了容量曲线、功率曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相应的转速区域对应。

      当柴油发电机喷油泵在较大供油量时的转速特征，称为柴油发电机的外特征，它表示柴油发电机所能得到的较大动力性能。从外特点曲线上可以看到柴油发电机所能输出的较大容量、最大功率以及它们相应的转速和燃料消耗量，发电机组产品讲解书上大都采用柴油发电机外特征曲线所示。但一般只标出容量和功率曲线）调速特性

      柴油发电机的外特征曲线很平缓，这说明柴油发电机较小的负载变化，可引起相当大的速度变化。这种现状对发电机组的工作非常不利，容易致使发电机的速度过快（转速失去控制），或者使发电机熄火。但如果在柴油发电机上装有一个能根据发电机负载变化而自动调节供油量的专门系统一一调速器，就可控制发电机的转速在有限范围内变化，从而改进其操作因素。

      柴油发电机起动在规定的环境温度下进行，连续起动3次，每次间隔5分钟，试验数据。通过总述以上试验参数及图5、图6的特征曲线图可以得出以下结论：

（1）采用以上配置的柴油发电机能够实现G2级电站的调速要求，能够满足环境温度50 ℃时的正常操作规程，在一40 ℃下能够实现顺利启动。

      柴油发电机组用柴油发电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运用，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，运行稳定，在发烫下可靠工作，得到用户的青睐。此运用研究和对策的成功实施，可为类似用途柴油发电机的举措布置供应参考。