基于某柴油發(fā)電機組的高原實地試驗參數(shù)匹配優(yōu)化

劉洋陽

摘 要：針對軍方客戶對產(chǎn)品高原性能參數(shù)要求，公司特地委派技術(shù)工程師前往青海高原地區(qū)對3kW柴油發(fā)電機組進行了不同海拔高度的測試。本文根據(jù)客戶所需柴油發(fā)電機組額定功率要求，結(jié)合高原下發(fā)動機臺架實地試驗的修正數(shù)據(jù)，計算出匹配的發(fā)動機曲軸輸出功率，結(jié)果完全符合客戶對高原下柴油發(fā)動機功率參數(shù)要求。本文同時修正了發(fā)動機和發(fā)電機高原匹配系數(shù)，提出了柴油發(fā)電機組在高原環(huán)境下的性能優(yōu)化方案和其他組件的工藝措施。

關(guān)鍵字：柴油發(fā)電機組、高原、實地試驗、修正、優(yōu)化

引言：

我國的高原地形具有面積廣、海拔高的特點，海拔高度在2000m～4500m的高原地區(qū)約占國土面積的37%。其中，青藏高原平均海拔超過4000m，面積約230萬平方公里，是世界上海拔最高的高原，號稱“世界脊”。青藏高原具有典型的高原氣候：大氣壓力低、空氣密度小、氣溫低、晝夜溫差大、日輻射強、蒸發(fā)量大、干燥、風沙大、水的沸點低等特點。在平原正常使用的柴油機到高原地區(qū)常出現(xiàn)排溫升高、功率不足、油耗增加的問題，嚴重時還會出現(xiàn)冒黑煙、發(fā)動機熱負荷過高、冷卻液“開鍋”、空氣濾清器堵塞等“水土不服”的問題。

隨著高原地區(qū)柴油機使用的增多，內(nèi)燃機高原適應(yīng)性問題得到越來越多的關(guān)注和研究。內(nèi)燃機高原性能研究的主要手段有：高原環(huán)境仿真計算、高原環(huán)境模擬試驗、高原環(huán)境實地試驗。前兩者難以完全勝任柴油機環(huán)境適應(yīng)性的研究工作，本文則通過實地試驗測量的數(shù)據(jù)計算分析并修正部分性能參數(shù)，同時提出了一些優(yōu)化發(fā)動機組高原性能的方案和工藝措施。

1.高原環(huán)境使用要求

1）高度啟動和帶載能力：海拔高度不小于4500m自然條件下，機組經(jīng)3次啟動應(yīng)能成功，并能在啟動后5min內(nèi)輸出規(guī)定功率。

2）高原規(guī)定功率輸出：海拔高度3000m、環(huán)境溫度30℃、相對濕度90%時，輸出額定功率3kW;海拔高度4500m時，輸出規(guī)定功率不低于額定功率的80%。

3）高原連續(xù)工作能力：海拔高度4500m時，機組應(yīng)能按規(guī)定功率、額定電壓、額定頻率、額定功率因數(shù)正常連續(xù)工作4h。

2.柴油機高原優(yōu)化方案

1）壓縮比

隨著海拔升高，大氣環(huán)境氣壓降低，柴油發(fā)動機的功率會隨著海拔的高度而損失功率，所以我們必須在生產(chǎn)過程中，需要對發(fā)動機的壓縮比做一定的調(diào)整。在不大改動原構(gòu)造的基礎(chǔ)上提高壓縮比（燃燒室容積縮小），進而提高熱效率，提高壓縮終了的溫度和壓力，增加膨脹比，加快燃燒速度。

優(yōu)化后措施：壓縮余隙由原來的70mm，調(diào)整為50mm。

2）供油提前角

考慮到高原環(huán)境下點火延遲傾向，調(diào)整柴油機的供油提前角，在高海拔的狀態(tài)下可以提高柴機油的工作性能。

優(yōu)化后措施：由原來的21度，調(diào)整為19度。

3）低溫冷起動

采用進氣預(yù)熱和氣缸燃燒室預(yù)熱可以提高進氣溫度，滿足-40℃溫度啟動要求，保證機組3次啟動成功且5分鐘內(nèi)完成規(guī)定功率。

3.柴油機高原環(huán)境實地試驗

試驗要求，海拔高度≤4500m，環(huán)境溫度30℃、相對濕度90%。

1）發(fā)動機方案優(yōu)化后，在高原環(huán)境下標定試驗結(jié)果匯總：

2）高原標定試驗性能曲線圖（見圖2）

4.高原環(huán)境功率匹配計算分析

為滿足高原環(huán)境適應(yīng)性需求，首要考慮因素為柴油發(fā)電機組的額定功率，應(yīng)根據(jù)柴油發(fā)電機組的額定功率計算柴油機的輸出持續(xù)功率，進而選擇可輸出需求持續(xù)功率的柴油機機型。

柴油發(fā)電機組的工作條件是指在規(guī)定的使用環(huán)境條件下保證輸出額定功率，并且可靠地連續(xù)運行。柴油發(fā)電機組的額定功率PH按下式計算：

式中：

Pe---柴油機持續(xù)輸出功率（柴油機曲軸輸出功率），kW;

k1---柴油機功率修正系數(shù);

k2---環(huán)境條件規(guī)定的最高海拔對應(yīng)的柴油機修正系數(shù);

η---同步交流發(fā)電機效率。

注：風冷柴油機功率修正主要取決于海拔高度和溫度，規(guī)定海拔高度不超過1000m且環(huán)境溫度不超過30℃，不需要修正功率參數(shù);海拔高度不超過1000m，環(huán)境溫度超過30℃，僅對溫度進行修正。

對于連續(xù)長期工作的機組，柴油機功率修正系數(shù)k1=0.9;對于連續(xù)工作時間不超過12h的機組k1=1.0。考慮軍用電站選用柴油機的功率儲備及連續(xù)運行，取k1=0.9。

同一海拔高度下，溫度越高，柴油機海拔修正系數(shù)越小。根據(jù)WS186FA柴油機的海拔功率修正曲線，在海拔高度3000m、環(huán)境溫度30℃時，該柴油機的輸出功率需修正（額定輸出4.3kW）;在海拔高度4500m、環(huán)境溫度30℃時，該柴油機的輸出功率為3.4kW。機組選用的電機同步交流電機效率η=87.3%，因此最高海拔修正系數(shù)K2=0.79。

根據(jù)高原環(huán)境使用要求第二條，海拔高度4500m時，輸出規(guī)定功率不低于額定功率的80%。若機組輸出功率為2.4kW最小時，根據(jù)公式柴油機曲軸輸出功率為：

修正計算后的數(shù)據(jù)與實地試驗數(shù)據(jù)完全匹配相符。因此，WS186FA柴油機的額定輸出功率為5.7kW，滿足客戶要求。

3kW機組選用的同步交流電機型號為LCN3KW360V27-D186FAD，該發(fā)電機在海拔1000m、環(huán)境溫度40℃時，額定功率為4.5kW。該電機的海拔和環(huán)境溫度功率修正如下：

海拔超過1500m，每升高500m，功率下降3%;環(huán)境溫度超過30℃，每上升5℃，功率下降3%。在海拔高度3000m、環(huán)境溫度30℃時，電機功率修正系數(shù)：η=0.88

則：發(fā)電機滿足機組功率輸出要求。

5.滿足高原適應(yīng)性要求的工藝措施

1）發(fā)電機

a）根據(jù)海拔功率修正選型發(fā)電機，確保發(fā)電機功率滿足電站的高原適應(yīng)性要求;

b）發(fā)電機機座上靠近鐵心位置安裝防潮加熱器對電機內(nèi)部除濕、烘干;

c）定子繞組埋置測溫元件檢測定子繞組溫度，絕緣等級為 H級;

d）采用真空壓力浸漆工藝，保證發(fā)電機在高原環(huán)境下的絕緣性能。

2）其他工藝措施

a）油箱等容器在設(shè)計時，確保強度，避免低氣壓膨脹或爆裂;

b）對裸露的導(dǎo)線采用具有抗紫外輻射性能尼龍軟進行防護;

c）機組外表面噴涂具有抗紫線輻射性能的氟碳漆面漆。

d）電氣元器件選型充分考慮了絕緣和耐壓等級，電氣元器件的排布增大引線間的距離;

6.結(jié)語

綜上所述：本文根據(jù)客戶對產(chǎn)品高原下的需求結(jié)合實地試驗數(shù)據(jù)，分析計算出符合發(fā)電機組相匹配的發(fā)動機曲軸輸出功率，結(jié)果完全滿足客戶要求。同時針對高原環(huán)境下的發(fā)動機組，提出了部分優(yōu)化方案及工藝措施。

參考文獻

[1]劉瑞林.柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性研究[M].北京理工大學出版社.2013.

[2]朱仙鼎.中國內(nèi)燃機工程師手冊[M].上海科學技術(shù)出版社.2000.8.

[3]周龍保.內(nèi)燃機學[M].機械工業(yè)出版社，2005.

[4]張成斌.青藏高原環(huán)境對工程機械性能的影響及對策[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟.2003，13（8）：148-149

[5]王陳生.非增壓柴油機功率標定與修正方法[J].內(nèi)燃機工程.1982.3（1）：22-25.