脈沖負載柴油發電機組的設計及試驗研究*

袁利國 曾凡明 沈 兵 趙同賓

(海軍工程大學船舶與動力學院1) 武漢 430033)(海軍工程大學電氣與信息工程學院2) 武漢 430033)

(中船重工第七一一研究所3) 上海 200090)

0 引 言

脈沖負載柴油發電機組的工作特性是:負載在空載和帶載間周期性波動,機組大部分時間運行在動態過程中,載荷幅度有時甚至超過機組額定負荷.這種負載形式的特殊性決定了在機組匹配中不能采用常規的設計方法.

1 脈沖負載柴油發電機組設計考慮因素

1)柴油機功率的確定 如果以負載的峰值功率來確定柴油機的功率,用柴油機直接拖動發電機,一方面,柴油機在工作間隙期間處于低負荷下,容易引起氣缸、增壓器等部位積炭,長時間工作會影響到柴油機的可靠性;另一方面,基于經濟性的考慮,勢必造成不必要的經濟損失[1].

2)儲能飛輪的設計 如果用柴油機直接拖動發電機,大負荷工作時,會引起柴油機瞬態轉速的較大波動.目前常用且簡單有效的解決方法是在柴油機和發電機之間增加儲能飛輪.飛輪轉動慣量的確定有兩個限制條件:如轉動慣量太小,則在突變負荷情況下,瞬態響應差,甚至會發生機組悶死的情況;取值太大,則機組在突變負荷后恢復時間拉長,對于承擔周期性波動負載的情況是不利的.

3)增壓器匹配設計 從脈沖負載機組的匹配設計實踐看,一般選用非增壓或復合增壓的柴油機作原動機,但根據目前技術發展的情況,渦輪增壓系統的性能明顯提高,采用廢氣渦輪增壓柴油機作為該型機組的動力源已成為國內外的必然趨勢.

4)調速系統的性能匹配 對于有儲能飛輪以承擔脈沖負載的廢氣渦輪增壓柴油機組,它大部分時間運行在動態過程中,此時的運行特性與穩態工況有很大的差別,一個有效的解決辦法就是選擇可調參數多、參數調整方便的調速系統,然后根據機組的具體運行工況進行系統參數整定.

此外還需考慮離合器和高彈聯軸器的選型匹配、以及配置大飛輪后引起機組啟動停機困難等其他因素[2].

2 某脈沖負載柴油發電機組設計

某一電站的負載形式如圖1所示,其中t1和t2分別為脈沖電流的持續時間和間隔時間.電站的性能要求指標包括最大脈沖負載功率、機組最大轉速超調量、脈沖電流的最大上升時間和下降時間等,其中機組最大轉速超調量要求＜10%.

圖1 脈沖電流示意圖

2.1 方案設計

首先需要確定原動機的功率.原動機功率的確定以原動機動態響應特性和儲能飛輪的轉動慣量大小為基礎.目前一般認為最大負載功率/原動機額定功率為1.5左右較為合適.陸用機組由于尺寸限制小,可取小值,船用機取大值;高增壓機取小值,非增壓或低增壓機取大值;小型機組取大值,大型機組取小值.在該機組的設計中,機組最大設計負載功率/柴油機額定功率確定為1.17.

由于電控燃油噴射系統的控制精度高、控制自由度大、控制功能齊全,能實現整個運行范圍內參數優化,同時可以較方便地調節與廢氣渦輪增壓器的匹配,所以在原動機選型時,選擇了電控泵管嘴燃油噴射、廢氣渦輪增壓柴油機.

儲能飛輪在其設計中,非常關鍵的一項內容是轉動慣量大小的計算.它與柴油機功率大小、動態響應特性以及負荷形式有關.一般按照最嚴酷的工況估算儲能飛輪轉動慣量的大小.

圖2 脈沖過程仿真圖

圖2 為首脈沖功率為最大負載功率、脈沖保持時間和脈沖間隔時間最長的一組脈沖過程中前3個脈沖的仿真圖.其中首脈沖過程是機組最惡劣的工況.設在此過程中,脈沖負載保持時間為t3,脈沖功率為 p,機組轉速從 ω1下降為 ω2.

在此過程中,機組所需要的能量為E1=p×t3,柴油機發出的能量為E2.所以,機組軸系應釋放的能量:E3=E1-E2.根據E=×I×(-ω22),機組的總慣量為 I=2E3/(-),如果軸系其他運動件的總慣量為 I1,則飛輪的轉動慣量If=I-I1.在該機組的設計中,飛輪的轉動慣量與機組其他運動件轉動慣量的比值為20.5.

最后,設計的機組組成如圖3所示.

圖3 機組組成布置圖

2.2 動態仿真校核

由于機組大部分時間運行在動態過程中,其動態性能是人們關注的主要內容之一.文中基于專業發動機仿真分析軟件GT-POWER對整個系統進行動態特性仿真校核.

由于機組大部分時間運行在瞬態工況,燃燒模型采用半預測模型和自定義修正模型:半預測模型根據氣缸壓力、燃油噴射率、噴射正時的影響來改變燃燒放熱規律;自定義修正模型借用G.沃希尼對柴油機變工況燃燒規律提出的修正模型.采用的滯然期公式為p為氣缸內壓力.此式計算的τi值與實測值的相對誤差的絕對值的平均值為3.5%[3].

在對進排氣系統建模時,采用一維交錯網格,將柴油機進排氣系統分成若干控制體積,應用FVM進行數值計算,計算格式為顯式.標量在網格中心計算,如壓力、溫度等;矢量在網格的交界面計算,如速度、質量流量等.

在機組動態仿真校核過程中,參考了文獻[4]中機組在額定轉速下由空載工況突加100%負荷的動態過程的曲線,將模型仿真結果的趨勢與之比較看其能否較好地反映動態過程,模型的仿真結果如圖4所示[5].

圖4 機組負荷突加的動態過程仿真圖

在圖4中,可以發現渦輪前廢氣溫度在某一時刻出現了急速下降,這是因為模型中采用的燃燒效率函數(求燃油的燃燒比例)由于燃油的急劇增加而迅速減小,實際情況下由于熱慣性的存在,是不會出現這種情況的.從總的趨勢看,模型反映的動態過程與文獻[4]的過程是一致的.所以,建立的模型能夠在保證一定精度的同時較好地反映機組動態特性.同時,模型的仿真結果顯示,機組的各項性能均到達了設計要求.

3 試驗研究

3.1 試驗設備

電站的試驗設備包括柴油發電機組、電站監控系統及試驗用負載裝置.

監控系統中所采用的開發軟件包括:工控組態軟件Intouch9.5、數據采集及儀器控制應用軟件LabView和Measurement Studio.監控系統的工作原理為:系統接收傳感器測量的柴油發電機組運行參數、狀態信號以及通過CAN總線傳送過來的柴油機相關參數,并通過PLC通信口傳送給監控微機,可在微機中集中顯示.

監控參數主要包括機組轉速、柴油機的每循環供油量、各缸排溫、廢氣渦輪轉速、廢氣渦輪進出口空氣溫度、空冷器出口空氣壓力、柴油機油水溫度、以及發電機的電壓和電流等.

試驗中的負載裝置采用電阻可調、最大功率為1.2倍最大負載功率的水負載.

3.2 試驗結果與分析

為了考核機組在最大脈沖工況下的能力,具體試驗方案為:(1)脈沖功率最大、脈沖保持時間最長的單脈沖試驗;(2)脈沖功率最大、脈沖保持時間和脈沖間隔時間最長的一組脈沖試驗.

圖5為脈沖功率最大、脈沖保持時間最長的單脈沖過程中脈沖電流和柴油機轉速的變化情況.其中,脈沖電流上升時間為要求上限的81%,下降時間為要求上限的72%,轉速超調量為6.8%.圖6和圖7分別為首脈沖功率為最大負載功率、脈沖保持時間和脈沖間隔時間最長的前10個脈沖過程中柴油機供油量、廢氣渦輪轉速和空冷器出口空氣壓力的變化情況.期間,廢氣渦輪增壓器未出現喘振、堵塞現象,但因負載突加時廢氣渦輪增壓器的滯后性,導致了在脈沖負載期間的前半段時間內柴油機的供氣量明顯不足.

圖5 最大功率單脈沖過程中電流和轉速變化圖

圖6 柴油機供油量和廢氣渦輪轉速變化圖

圖7 柴油機供油量和空冷器出口空氣壓力變化圖

通過合理調整電控泵管嘴燃油噴射系統的控制參數(如PID控制參數、隨轉速變化的供油量限制以及噴油提前角),廢氣渦輪增壓系統和機組的匹配以及機組動態性能得到明顯改善,機組的直接反應是排氣煙度和轉速超調率明顯減小.

4 結 論

1)機組脈沖功率可達到最大設計功率,在最惡劣工況下,機組最大轉速超調量、脈沖電流上升時間和下降時間均符合設計要求.

2)柴油機功率和儲能飛輪轉動慣量設計合理.如果柴油機功率過大,柴油機長時間工作在低負荷狀態,將會影響柴油機的可靠性;如果柴油機功率偏小,所設計的儲能飛輪轉動慣量勢必很大,將會造成機組啟動停機困難以及在負載突變后機組恢復時間會拉長等后果.

3)在機組的整個工作過程中,廢氣渦輪增壓器未出現喘振和堵塞現象,在一定程度上較好地利用了廢氣的能量.但由于廢氣渦輪增壓系統的延遲特性,使得在脈沖負載初期,柴油機的供氣量明顯不足.改善這一缺點的具體措施有:優化進排氣系統結構、采用小轉動慣量渦輪增壓器、采用變截面渦輪增壓器以及增加補氣裝置,這也是脈沖負載發電機組后續開發和進一步性能優化的重點工作.

4)電控燃油噴射系統的使用大大改善了機組動態性能.在機組試驗中,通過合理調整電控燃油噴射系統的控制參數,機組的動態性能得到明顯改善.所以,在運行工況異常惡劣的脈沖負載柴油發電機組中,采用電控燃油噴射系統是科學合理的選擇.

[1]丁東東.帶脈沖負載的柴油機動力裝置總體優化設計[D].武漢:海軍工程大學船舶與動力學院,2002.

[2] 陳國鈞,曾凡明.現代艦船輪機工程[M].長沙:國防科技大學出版社,2001.

[3]顧宏中.渦輪增壓柴油機性能研究[M].上海:上海交通大學出版社,1998.

[4]Benson R S,Ledger JD,Whiterhouse N D.et al.Comparison of experimental and simu lated transient responses of a turbocharged diesel engine[J].SAE730666,2024-2447.

[5]李煜暉,崔可潤,魯凱生.柴油機動態過程仿真研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2003,27(3):288-290.