極寒高海拔地區(qū)柴油發(fā)電機(jī)組電站設(shè)計(jì)方法

尹章俊 高水華 梅映新

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所， 武漢 430223）

0 引言

隨著國際南極研究的不斷深入，我國僅靠現(xiàn)有的兩個(gè)南極大陸邊緣地帶的考察站，已經(jīng)不能滿足深入開展對(duì)南極考察研究的需要。我國在南極大陸冰穹A地區(qū)設(shè)立考察站，并設(shè)立柴油發(fā)電機(jī)組電站提供生活，科研用電，而南極冰穹A區(qū)屬于極端地質(zhì)環(huán)境，要求柴油發(fā)電機(jī)組電站工作在環(huán)境溫度在-35 ℃～50 ℃，海拔高度5000 m以上，同時(shí)在我國青藏高原地區(qū)也有海拔4000 m，極寒的環(huán)境，在這些極端環(huán)境地區(qū)的柴油發(fā)電機(jī)組電站的設(shè)計(jì)不能按常規(guī)環(huán)境溫度和常規(guī)海拔高度進(jìn)行設(shè)計(jì)，有很多地方必須要特殊設(shè)計(jì)。

海拔高度為1000 m時(shí)，大氣壓力位90 kPa;

海拔高度為2000 m時(shí)，大氣壓力位79.5 kPa;

海拔高度為3000 m時(shí)，大氣壓力位70.1 kPa;

海拔高度為4000 m時(shí)，大氣壓力為61.7 kPa;

海拔高度為5000 m時(shí)，大氣壓力位54 kPa。

由以上可以看出，在海拔高度為4000 m時(shí)，大氣壓力與0 m大氣壓相比下降了39.09%，5000米時(shí)下降了46.7。

2）高海拔地區(qū)絕對(duì)濕度下降明顯

在海拔高度為4000 m時(shí)，絕對(duì)濕度只有0 m時(shí)的24.5%，在海拔高度為5000 m時(shí)，絕對(duì)濕度只有0 m時(shí)的15.5%，空氣變得越來越干燥。

1 高海拔地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)

2 高海拔環(huán)境對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電站影響。

1）高海拔地區(qū)大氣壓力下降非常明顯，在4000米以下，幾乎每升高 1000 m，大氣壓力下降約10%，超過4000 m，大氣壓力下降更多。

海拔高度為0 m時(shí)，大氣壓力為101.3 kPa;

柴油發(fā)電機(jī)組電站主要由柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)，機(jī)帶控制屏，配電屏，電池系統(tǒng)，油路系統(tǒng)等組成。高海拔環(huán)境對(duì)這些子系統(tǒng)都有一定的影響。

1）高海拔地區(qū)柴油機(jī)功率的影響

由于高海拔地區(qū)大氣壓力下降非常明顯，空氣密度下降，空氣中的含氧量降低很多，柴油機(jī)的燃油燃燒不充分，驅(qū)動(dòng)功率下降，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組的功率下降，一般來說增壓型的柴油機(jī)比自然進(jìn)氣的柴油機(jī)功率下降幅度稍小，但是無論如何必須考慮柴油機(jī)在高海拔地區(qū)的功率折算。例如道依茨柴油機(jī)海拔高度超過 1000 m后，每升高100 m，功率下降0.9%，如果在4000 m海拔地區(qū)，柴油機(jī)的輸出功率下降幅度達(dá)27%，5000 m輸出功率下降幅度高達(dá)36%。

2）高海拔地區(qū)對(duì)燃油消耗率的影響

一般情況下，柴油機(jī)出廠時(shí)都是按照常規(guī)環(huán)境即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓整定的供油量，柴油機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，柴油機(jī)會(huì)隨著負(fù)載的變化引起的轉(zhuǎn)速變化自動(dòng)調(diào)整供油量，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在穩(wěn)定值。但是在高海拔環(huán)境下，同樣的負(fù)載變化，由于空氣中的含氧量過少，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)的幅度比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下要大，為了穩(wěn)定柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，柴油機(jī)的供油量也會(huì)相應(yīng)的增大，這樣燃油消耗率就會(huì)增加，但是過多的燃油和大氣中較少的氧氣，就使得燃油燃燒不充分，柴油機(jī)會(huì)冒黑煙，排放變差，整機(jī)的熱效率降低。因此如果是在高海拔地區(qū)使用的柴油機(jī)，出廠前必須按照相應(yīng)的高海拔對(duì)應(yīng)的大氣壓力整定噴油量，使其達(dá)到平原地區(qū)的使用效果。

3）高海拔地區(qū)對(duì)發(fā)電機(jī)功率的影響

一般情況下，海拔越高，最高環(huán)境溫度越低，在海拔1000 m以上，每升高100 m，最高環(huán)境溫度將下降0.5 ℃；同時(shí)由于海拔升高以后，空氣的密度降低，發(fā)電機(jī)的散熱效果變差，而發(fā)電機(jī)的溫升升高一般是隨著海拔高度每升高100 m，溫升將升高0.5 ℃.這樣發(fā)電機(jī)的溫升限制正好可以不作修正，輸出功率也不需修正，但是，如果在是在高海拔地區(qū)的室內(nèi)使用機(jī)組，最高環(huán)境溫度可能并不是按每升高100 m下降0.5 ℃，則發(fā)電機(jī)的輸出功率就必須做修正。

4）高海拔地區(qū)對(duì)電器設(shè)備的影響。

由于海拔升高后，空氣密度降低，造成繼電器，接觸器，空氣開關(guān)等采用空氣作為滅弧介質(zhì)的開關(guān)電器滅弧時(shí)間延長，開關(guān)通斷能力下降，電氣壽命縮短，觸頭容易燒壞。因此要選用高原性開關(guān)器件。

海拔的升高，環(huán)境溫度降低可以部分或全部補(bǔ)償因海拔升高引起的產(chǎn)品溫升增加值，一般對(duì)電器器件的溫升可不作要求。

海拔的升高，空氣密度降低，空氣中的介質(zhì)絕緣強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)降低，這樣電器的絕緣外表及空氣間隙之間的擊穿電壓也會(huì)降低，一般來講，海拔每升高100 m，空氣絕緣強(qiáng)度就會(huì)降低1%，因此在電器器件的額定電壓不變得情況下，即電氣間隙之間的絕緣距離不變得情況下，在高海拔地區(qū)使用時(shí)，電器的最高使用電壓均要降低。對(duì)此，可以考慮按提高額定電壓等級(jí)的方法來選用電器，選用電器的額定電壓可采用如下公式

UN：選用電器的額定電壓；U1：電器的最高工作電壓；H：海拔高度。

如電器元件的工作電壓為 400 V，在海拔5000 m時(shí)選用的電器元件的額定電壓為 400×（100+（5000-1000）/1000）%=400×1.4=560 V,即選用電器器件的額定電壓要超過560 V。如果某些器件已經(jīng)提供了高海拔地區(qū)的降容系數(shù)，則設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮，如施耐德的NS系列空氣斷路器手冊(cè)中已提供了降容系數(shù)，如在 2000 m時(shí)平均絕緣電壓為 750 V, 最高使用電壓為 690 V,而在5000 m時(shí)，平均絕緣電壓為500 V, 最高使用電壓僅為420 V。

在高海拔地區(qū)電器器件的額定工作電流也必須考慮是否修正，一般情況下，由于海拔高度增加，最高環(huán)境溫度會(huì)下降能自動(dòng)補(bǔ)償器件的工作溫升，但是對(duì)于斷路器的額定電流會(huì)有降容，如三菱WS系列斷路器的額定電流在2000 m時(shí)的額定電流為100 A時(shí)，在海拔高度為5000米時(shí)的額定電流為94 A。

在配電柜和控制柜等電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮電氣間隙的修正，在電氣間隙不變的情況下，耐壓水平隨海拔高度每升高100 m，耐壓水平降低1%，因此必須將電氣間隙和爬電距離增大1%來進(jìn)行修正補(bǔ)償。具體可參見國標(biāo)《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》和IEC標(biāo)準(zhǔn)《低壓系統(tǒng)的絕緣配合包括設(shè)備的空氣間隙和弧電距離》。對(duì)額定電壓400 V/230 V系統(tǒng)，沖擊耐受電壓峰值為（1000 V+2×400）×0.8×1.414=2036 V,在2000 m時(shí)最小空氣間隙為1.6 mm，5000 m的修正系數(shù)為 1.67，則間隙應(yīng)為 1.67×1.6=2.67 mm。而按照J(rèn)B8587-1997規(guī)定大于300 V，小于660 V，額定電流>60 A時(shí)的電氣間隙為10 mm,因此采用10 mm間隙可滿足高海拔的設(shè)計(jì)要求。

3 極寒環(huán)境下對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電站設(shè)計(jì)的影響

1） 極寒環(huán)境對(duì)柴油機(jī)啟動(dòng)用的蓄電池的影響在環(huán)境溫度在-35 ℃～50 ℃下，普通蓄電池性能會(huì)下降很多，在選型設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮。普通鉛酸蓄電池在-40 ℃工作時(shí)，電解液粘度與在0 ℃相比增加了3-4倍，電阻率與常溫相比增加7倍，容量只有原來的1/5, 因此，在極寒地區(qū)，蓄電池可以采用由于卷繞式蓄電池，這種蓄電池采用了螺旋卷繞技術(shù)，其極板與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(jié)構(gòu)緊密，在低溫下，其沒有液態(tài)酸可冰凍，因此也不存在電流輸出減少的問題，根據(jù)美國SAE測試標(biāo)準(zhǔn)，卷繞式蓄電池可在-55 ℃-75 ℃范圍內(nèi)安全快速起動(dòng)和牽引工作。

2）極寒環(huán)境對(duì)電器器件的影響

溫度降低后，電器器件中的線圈電阻會(huì)降低，線圈吸合需要的安匝數(shù)增加較大，導(dǎo)致觸頭容易彈跳，降低了電器機(jī)械壽命，容易出現(xiàn)誤報(bào)警和誤操作。整個(gè)系統(tǒng)的可靠性也會(huì)降低。此時(shí)，電器系統(tǒng)應(yīng)配有加熱措施和減振措施，以免影響器件性能。

3） 極寒及高海拔環(huán)境對(duì)柴油機(jī)啟動(dòng)性能的影響在高海拔極寒地區(qū)，柴油機(jī)通常啟動(dòng)極為困難，原因主要是：

a除了溫度極低外，高海拔助燃空氣的密度低，柴油機(jī)壓燃柴油點(diǎn)火非常困難，通常情況下，海拔越高，柴油機(jī)啟動(dòng)越困難。特別增壓型柴油機(jī)，在啟動(dòng)瞬間，增壓器使得柴油機(jī)更加難以啟動(dòng)成功。

b由于高海拔地區(qū)散熱效果變差，為了保證冷卻散熱效果，冷卻風(fēng)扇功率也隨之增大，這樣啟動(dòng)負(fù)荷也隨之增大。

c 高海拔，低氣壓，低溫導(dǎo)致柴油機(jī)的自吸泵自吸能力下降，吸入柴油機(jī)的柴油壓力下降，柴油的粘度也增加，這些方面都導(dǎo)致柴油機(jī)的啟動(dòng)更加困難。

通過以上幾點(diǎn)分析，可以采用機(jī)油加熱，缸套水加熱，進(jìn)氣加熱等輔助低溫預(yù)加熱系統(tǒng)使柴油機(jī)更容易啟動(dòng)。另外還可以采用加大啟動(dòng)蓄電池容量，加大啟動(dòng)馬達(dá)等措施，實(shí)踐證明，采用這些方法后，柴油機(jī)在高海拔地區(qū)，溫度極低的環(huán)境下啟動(dòng)性能得到很大的提高。

4 結(jié)論

高海拔和極寒環(huán)境因數(shù)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電站的設(shè)計(jì)有非常大的影響，與常規(guī)環(huán)境下的設(shè)計(jì)方法有很大不同，涉及到結(jié)構(gòu)，電氣等多個(gè)方面，并且容易被忽視。如果設(shè)計(jì)方法不正確，可能導(dǎo)致整個(gè)電站無法在此極端環(huán)境下正常工作，并且柴油發(fā)電機(jī)組電站在高海拔極寒環(huán)境下目前使用還不普遍，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，會(huì)有更多的此類特殊電站投入使用，本文提到的設(shè)計(jì)方法具有一定的參考價(jià)值。

[1]正之. 關(guān)于低壓電器耐壓試驗(yàn)的海拔修正問題的探討. 上海: 上海電器科學(xué)研究所, 1984.

[2]JB/T7573-1994.高原環(huán)境條件下電工產(chǎn)品通用技術(shù)條件.