4×250 kW發電機組低溫環境適應性試驗研究

（中國人民解放軍63956部隊，北京 100093）

4×250 kW發電機組低溫環境適應性試驗研究

朱汗青，田睿，馬廣順

（中國人民解放軍63956部隊，北京 100093）

目的 研究某大功率發電機組的低溫環境適應性。方法 將發電機組放置于高低溫綜合環境模擬試驗室，室溫降至–55 ℃，保溫48 h，而后升溫至–40 ℃，保溫12 h，恢復常溫。結果 經檢查，機組用時11′20″低溫啟動成功，其低溫持續工作的穩態電壓調整率為–0.880%，穩態頻率調整率為–0.036%，穩態電壓波動率為0.175%，穩態頻率波動率為0.080%。試驗過程中，樣機塑料件、橡膠件、金屬件未出現故障。結論 該發電機組的啟動性能、電氣性能、結構材料等滿足低溫環境適應性要求，也為其他發電機組的低溫環境適應性考核提供了指導方法。

柴油發電機；環境適應性；低溫啟動；電氣性能

我國幅員遼闊，其中北方地區和西部高原地區面積占總面積的近3/5，–40 ℃低溫極值的出現概率大于 20%，低溫環境對發電機組的啟動性能、發電機及控制系統、材料結構等性能影響較大[1]，因此研究發電機組的低溫環境適應性具有較強的現實意義。低溫環境對大功率風冷柴油機影響更為明顯，低溫啟動性能較好的國產大功率風冷柴油機一般可以在 20 min 左右啟動成功，德國道依茨 BF8L513型柴油機在低溫啟動性能方面具有領先水平，–41 ℃環境條件下，預熱8 min啟動后，暖機在2～8 min可達到規定負載。

發電機組低溫環境適應性考核包括實地試驗和試驗室模擬試驗。前者在氣候、地理等試驗條件方面接近裝備實際使用情況，但試驗環境條件不可控，試驗周期長，試驗經費高；后者相對而言環境條件穩定、可控，重復性好，能夠實現對機組相關性能的量化測試。條件所限，國內對大功率發電機組的低溫環境模擬試驗研究還很不充分，文中以鄭州佛光發電設備有限公司某4×250 kW發電機組為例，研究試驗方法，驗證低溫環境適應性能。

1 低溫環境對發電機組的影響

1.1對啟動性能的影響

低溫環境對發電機組啟動性能的影響主要包括進排氣溫度、氣缸內壓縮比、啟動功率、蓄電池工作能力等方面[2—3]。低溫環境下潤滑油黏度增加，使柴油機啟動轉速降低而難以啟動，經寒區部隊對同一臺柴油發動機進行啟動試驗，在–23 ℃情況下，用SAE10W機油僅需3.7 kW的啟動功率；用SAE20W機油需7.4 kW的啟動功率；用SAE30W機油竟需11.8 kW的啟動功率。低溫環境還會增大柴油的黏度和密度，據測定，當氣溫從40 ℃降到–10 ℃時，柴油的黏度提高83%，密度增大8%，柴油的流動性變差，霧化不良，導致缸內混合氣體壓力和溫度不足，造成柴油機啟動困難。此外，低溫環境下普通蓄電池的輸出功率大為降低，一般蓄電池的標稱容量是在30 ℃放電10 h的情況下來確定的。當電池溫度低于30 ℃時，每降低1 ℃其容量降低1%～1.5%，–40 ℃條件下，其容量不足30 ℃容量的50%，導致啟動機無力拖動柴油機旋轉[4—8]。

1.2對發電機及控制系統的影響

在低溫環境下，發電機導線溫升增高，因熱膨脹伸長過多而造成絕緣部分裂損；轉子銅鐵溫差過大，可能引起轉子線圈永久變形；軸承脂黏度變差，影響潤滑效果；產生結露，降低電機的絕緣電阻。此外，電路系統焊腳與電路板可能脫離[9]。

1.3對結構材料的影響

低溫環境下各種材料因熱脹冷縮影響公差配合與使用壽命。工程塑料變硬、變脆、韌性消失；橡膠材料的硬度上升，抗拉伸強度提高，伸長率下降，易發生脆性損壞，使輪胎彈性變微，密封件失效；聚酯薄膜、玻璃漆布、層壓及粉壓塑料等機械強度降低，當同時經受外界機械力作用會脆裂[10]。

2 試驗方案[11—15]

根據GJB 150A—2009 《軍用裝備實驗室環境試驗方法》、GJB 1488—92 《軍用內燃機電站通用試驗方法》以及《4×250 kW發電機組低溫環境適應性試驗大綱》等相關標準和規定要求，合理確定試驗目的、試驗條件、試驗程序。

2.1 目的方法

該試驗考核發電機組低溫環境適應性：經-55 ℃條件下貯存后，發電機組無損壞，恢復常溫后工作正常。

發電機組在–40 ℃條件下，在20 min內啟動成功，在空載、額定電壓和額定頻率下運行1 min，加50%負載運行1 min，加至額定負載運行1 min，之后維持運行狀態2 h。

2.2 條件

試驗在高低溫綜合環境模擬試驗室中進行。該實驗室型號規格為 GDTHP-1400；內部尺寸為 17.5 m×14 m×6 m；溫度范圍為–55～70 ℃；溫度變化速率≤3 /min℃

2.3 測試設備

軍用電源性能測試評價系統由工中頻負載、數據采集處理單元、控制操作臺和軟件系統組成。可自動完成發電機的穩態電氣性能試驗、瞬態電氣性能試驗、連續性能試驗等。

2.4 試驗程序

試驗的具體流程如圖1所示。

1）機組已加滿-50#低溫柴油、0W-40潤滑油、防凍液、配好容量充裕的蓄電池。

2）機組進入試驗室后，調節室溫至–55 ℃，保持此貯存溫度24 h。對電站進行全面的目視檢查，記錄檢查結果，并與試驗前數據比較。

3）調節室溫至–40 ℃，保持12 h。

4）啟動機組預熱裝置（燃油液體加熱器及進氣加熱器），20 min內啟動機組；

5）啟動成功后，空載額定電壓和額定頻率各運行1 min，加50%負載運行1 min，額定負載運行1 min，之后維持運行狀態2 h。

6）按照 GJB 1488—92 《軍用內燃機電站通用試驗方法》有關要求，測量并記錄機組在0%，25%，50%，75%，100%負載下的電壓與頻率變化，計算穩態電壓調整率、穩態頻率調整率、電壓波動率和頻率波動率等性能指標。

7）檢查塑料件、橡膠件、金屬件，觀察有否斷裂現象，記錄檢查結果。

8）將試驗室氣溫度調節到標準大氣條件下的溫度，待機組達到溫度穩定后，重復步驟5）—8）。

3 結果分析

以2#機組為例，在–55 ℃環境下貯存48 h后，樣機塑料件、橡膠件、金屬件無斷裂現象，恢復常溫后能夠正常工作。樣機2#機組用時11′20″啟動成功，21′44″加至額定負載，連續運行2 h，電站工作正常。2#機組電氣性能測試數據：穩態電壓調整率為–0.880%，穩態頻率調整率為–0.036%，穩態電壓波動率為0.175%，穩態頻率波動率為0.080%。2#機組低溫貯存與低溫工作試驗的考核結果見表1，不同負載條件下機組的輸出電壓與頻率值如圖2所示。

分析表1和圖2可得出以下結論。

1）啟動性能。–40 ℃環境條件下，樣機經燃油加熱器加熱及進氣預熱后，用時 11′20″啟動成功，空載、半載、滿載狀態各運行1 min后連續運行2 h。

2）低溫工作特性。實現了低溫條件下大功率發電機組連續運行的電氣性能量化考核。經計算，其穩態電壓調整率為–0.880%，穩態頻率調整率為–0.036%，穩態電壓波動率為0.175%，穩態頻率波動率為0.080%，滿足相關規定和使用要求。

3）結構材料性能。試驗過程中，樣機塑料件、橡膠件、金屬件無斷裂現象。

圖2 不同負載下電壓頻率值

表1 2#機組低溫試驗數據

4 結語

分析了低溫環境對發電機組的影響，針對某4×250 kW大功率發電機組進行了–55 ℃低溫貯存試驗與–40 ℃低溫工作試驗。研究確定了試驗方法，重點檢查了低溫環境下發電機組的啟動性能、電氣性能及結構材料等性能參數。結果表明，該發電機組滿足低溫環境適應性要求，也為其他大功率發電機組的低溫環境適應性考核提供了指導方法。

[1] 高允國, 張玉奎, 郭紅莉, 等. 低溫對柴油發電機組的影響分析及對策研究[J]. 移動電源與車輛, 2015 (4): 36—39.

[2] 魏廣華. 柴油機的低溫啟動措施[J]. 工程機械與維修, 2011(1): 164—166.

[3] 王忠, 葉飛飛, 馬金榮, 等. 柴油機冷啟動阻力矩試驗研究[J]. 車用發動機, 2008(2): 10—12.

[4] 胡明江, 王忠, 祁利巧. 車用蓄電池低溫啟動容量的研究[J]. 車用發動機, 2008(3): 13—16.

[5] 葉飛飛. 低溫環境下車用起動系統分析與試驗研究[D]. 鎮江: 江蘇大學, 2009.

[6] 李秀珍, 周桂鳳. 車輛低溫環境下啟動的探討與試驗[J]. 內燃機, 2007(2): 30—33.

[7] 胡玉貴, 栗彥輝. 柴油機低溫啟動的影響因素和改善措施[J]. 移動電源與車輛, 2004(1): 29—32.

[8] BUCK W H, LOHUIS J R. Lubricant Effects on Low Temperature Diesel Engine Cold Starting[C]// 1994 Subzero Engineering Conditions Conference and Exposition. SAE Paper, 1994.

[9] 陳應芳. 電源車輛性能[M]. 甘肅: 甘肅科學出版社, 1995.

[10] 和穆, 王憲成, 楊瑩, 等. 極限環境溫度對柴油機氣缸套磨損的影響[J]. 中國工程機械學報, 2012, 10(2): 212—214.

[11] 程培源, 楊旭峰, 張強, 等. 某型柴油發電機組測試控制系統的研制[J]. 移動電源與車輛, 2007(4): 24—28.

[12] 田睿, 萬瑞升. 某型軍用電源車高低溫環境試驗方法探討[J]. 裝備環境工程, 2012, 9(1): 102—104.

[13] GJB 235A—97, 軍用交流移動電站通用規范[S].

[14] GJB 150—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].

[15] GJB 1488—92, 軍用內燃機電站通用試驗方法[S].

Experimental Study on Low-temperature Environment Adaptability of 4×250 kW Generator Set

ZHU Han-qing,TIAN Rui,MA Guang-shun
(Unit 63956 of PLA, Beijing 100093, China)

Objective To test the low temperature environment adaptability of a high power generator set. Methods The generator set was placed in a comprehensive environmental simulation laboratory of high-low temperature. The room temperature was reduced to –55 ℃and kept for 48 h. Then it was increased to –40 ℃and kept for 12 h before it was restored to the normal temperature. Results The generator set started successfully in 11′20″ at low temperature. Its voltage regulation factor for continuing working at low temperature was –0.880%; its steady-state frequency control rate was –0.036%; its state voltage fluctuation rate was 0.175% and its state frequency fluctuation rate was 0.080%. No failure occurred to plastic parts, rubber articles and metal piece of the model machine. Conclusion The results show that starting performance, electrical performance, and material properties of the generator set meet the requirements on low-temperature environment adaptability. Furthermore, it provides a guidance to assess low-temperature environment adaptability of other generator set.

diesel generator; environment adaptability; start at low temperature; electrical performance

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.011

TJ06

A

1672-9242(2017)01-0041-04

2016-07-12；

2016-10-03

朱汗青（1987—），男，河北保定人，碩士，主要研究方向為裝備測試與診斷。