基于某柴油發(fā)電機(jī)組的高原實(shí)地試驗(yàn)參數(shù)匹配優(yōu)化

劉洋陽(yáng)

摘 要：針對(duì)軍方客戶對(duì)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(duì)3kW柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了不同海拔高度的測(cè)試。本文根據(jù)客戶所需柴油發(fā)電機(jī)組額定功率要求，結(jié)合高原下發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)地試驗(yàn)的修正數(shù)據(jù)，計(jì)算出匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出功率，結(jié)果完全符合客戶對(duì)高原下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率參數(shù)要求。本文同時(shí)修正了發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)高原匹配系數(shù)，提出了柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組、高原、實(shí)地試驗(yàn)、修正、優(yōu)化

引言：

我國(guó)的高原地形具有面積廣、海拔高的特點(diǎn)，海拔高度在2000m～4500m的高原地區(qū)約占國(guó)土面積的37%。其中，青藏高原平均海拔超過(guò)4000m，面積約230萬(wàn)平方公里，是世界上海拔最高的高原，號(hào)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(qiáng)、蒸發(fā)量大、干燥、風(fēng)沙大、水的沸點(diǎn)低等特點(diǎn)。在平原正常使用的柴油機(jī)到高原地區(qū)常出現(xiàn)排溫升高、功率不足、油耗增加的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)冒黑煙、發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷過(guò)高、冷卻液“開鍋”、空氣濾清器堵塞等“水土不服”的問(wèn)題。

隨著高原地區(qū)柴油機(jī)使用的增多，內(nèi)燃機(jī)高原適應(yīng)性問(wèn)題得到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。內(nèi)燃機(jī)高原性能研究的主要手段有：高原環(huán)境仿真計(jì)算、高原環(huán)境模擬試驗(yàn)、高原環(huán)境實(shí)地試驗(yàn)。前兩者難以完全勝任柴油機(jī)環(huán)境適應(yīng)性的研究工作，本文則通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算分析并修正部分性能參數(shù)，同時(shí)提出了一些優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)和帶載能力：海拔高度不小于4500m自然條件下，機(jī)組經(jīng)3次啟動(dòng)應(yīng)能成功，并能在啟動(dòng)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(duì)濕度90%時(shí)，輸出額定功率3kW;海拔高度4500m時(shí)，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(shí)，機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)的功率會(huì)隨著海拔的高度而損失功率，所以我們必須在生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比做一定的調(diào)整。在不大改動(dòng)原構(gòu)造的基礎(chǔ)上提高壓縮比（燃燒室容積縮?。?，進(jìn)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(lái)的70mm，調(diào)整為50mm。

2）供油提前角

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

優(yōu)化后措施：由原來(lái)的21度，調(diào)整為19度。

3）低溫冷起動(dòng)

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

3.柴油機(jī)高原環(huán)境實(shí)地試驗(yàn)

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

1）發(fā)動(dòng)機(jī)方案優(yōu)化后，在高原環(huán)境下標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果匯總：

2）高原標(biāo)定試驗(yàn)性能曲線圖（見圖2）

4.高原環(huán)境功率匹配計(jì)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(jī)組的額定功率，應(yīng)根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率計(jì)算柴油機(jī)的輸出持續(xù)功率，進(jìn)而選擇可輸出需求持續(xù)功率的柴油機(jī)機(jī)型。

柴油發(fā)電機(jī)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(yùn)行。柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率PH按下式計(jì)算：

式中：

Pe---柴油機(jī)持續(xù)輸出功率（柴油機(jī)曲軸輸出功率），kW;

k1---柴油機(jī)功率修正系數(shù);

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

η---同步交流發(fā)電機(jī)效率。

注：風(fēng)冷柴油機(jī)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(guò)1000m且環(huán)境溫度不超過(guò)30℃，不需要修正功率參數(shù);海拔高度不超過(guò)1000m，環(huán)境溫度超過(guò)30℃，僅對(duì)溫度進(jìn)行修正。

對(duì)于連續(xù)長(zhǎng)期工作的機(jī)組，柴油機(jī)功率修正系數(shù)k1=0.9;對(duì)于連續(xù)工作時(shí)間不超過(guò)12h的機(jī)組k1=1.0?？紤]軍用電站選用柴油機(jī)的功率儲(chǔ)備及連續(xù)運(yùn)行，取k1=0.9。

同一海拔高度下，溫度越高，柴油機(jī)海拔修正系數(shù)越小。根據(jù)WS186FA柴油機(jī)的海拔功率修正曲線，在海拔高度3000m、環(huán)境溫度30℃時(shí)，該柴油機(jī)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(shí)，該柴油機(jī)的輸出功率為3.4kW。機(jī)組選用的電機(jī)同步交流電機(jī)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(shí)，輸出規(guī)定功率不低于額定功率的80%。若機(jī)組輸出功率為2.4kW最小時(shí)，根據(jù)公式柴油機(jī)曲軸輸出功率為：

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

3kW機(jī)組選用的同步交流電機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)CN3KW360V27-D186FAD，該發(fā)電機(jī)在海拔1000m、環(huán)境溫度40℃時(shí)，額定功率為4.5kW。該電機(jī)的海拔和環(huán)境溫度功率修正如下：

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

則：發(fā)電機(jī)滿足機(jī)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(jī)

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

b）發(fā)電機(jī)機(jī)座上靠近鐵心位置安裝防潮加熱器對(duì)電機(jī)內(nèi)部除濕、烘干;

c）定子繞組埋置測(cè)溫元件檢測(cè)定子繞組溫度，絕緣等級(jí)為 H級(jí);

d）采用真空壓力浸漆工藝，保證發(fā)電機(jī)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(jì)時(shí)，確保強(qiáng)度，避免低氣壓膨脹或爆裂;

b）對(duì)裸露的導(dǎo)線采用具有抗紫外輻射性能尼龍軟進(jìn)行防護(hù);

c）機(jī)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(jí)，電氣元器件的排布增大引線間的距離;

6.結(jié)語(yǔ)

綜上所述：本文根據(jù)客戶對(duì)產(chǎn)品高原下的需求結(jié)合實(shí)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算出符合發(fā)電機(jī)組相匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出功率，結(jié)果完全滿足客戶要求。同時(shí)針對(duì)高原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)組，提出了部分優(yōu)化方案及工藝措施。

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