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柴油發(fā)電機(jī)組高溫運(yùn)行和冷啟動性能測試 |
摘要:作為現(xiàn)代最常用的發(fā)電設(shè)備,柴油發(fā)電機(jī)組有著一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到用戶喜愛。比如柴油發(fā)電機(jī)組體積相對較小,靈活便捷;操作方便,簡單易控制;能源原料來源廣泛,啟動快,可以快速供電;供電平穩(wěn),可以對負(fù)載進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直接供電。毫無疑問,根據(jù)這些優(yōu)點(diǎn)使其無論作為備用電源,還是移動電源和自備電源的優(yōu)勢在短期內(nèi)是無可取代的。由于在一些特殊環(huán)境條件下,柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用顯然受限。所以,康明斯專門推出一款針對性的應(yīng)對高溫和低溫環(huán)境下使用的柴油發(fā)電機(jī)組。
一、技術(shù)路線
以康明斯的280KW型號KC280GF發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)為例的應(yīng)用研究,主要依托于康明斯M11系列6缸四氣門柴油機(jī)配套斯坦發(fā)電機(jī)成套機(jī)組(如圖1所示,帶靜音箱外罩),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用研究,提高調(diào)速性能要求,滿足公用電力類用電設(shè)備的需要,滿足在 50 ℃環(huán)境溫度下的正常工作要求及-40 ℃低溫下的正常啟動要求。
1、柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)
由于發(fā)電機(jī)組的使用范圍為公用電力類型的備用應(yīng)急電站,依據(jù)GB/T2828.1一2009中電站性能等級的分類,按照G2級要求進(jìn)行設(shè)計(jì)柴油機(jī)調(diào)速性能就可以滿足發(fā)電機(jī)組要求。GB02820.5一2009中規(guī)定 G2級電站調(diào)速要求如下:頻率降5%,穩(wěn)態(tài)頻率帶17%,瞬態(tài)頻率偏差:100%突減功率時12%,突加功率時10%,頻率恢復(fù)時間5s。
為了滿足這一調(diào)速性能要求,柴油發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)采用電子調(diào)速器。柴油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器按控制方式分為模擬式和數(shù)字式兩種,基本原理采用的都是 PID閉環(huán)控制,PID控制方法是工業(yè)過程控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種方法。由于柴油發(fā)電機(jī)速度系統(tǒng)基本上可以看成是一個慣性加小純滯后系統(tǒng),近似線性系統(tǒng),所以采用PID方式控制柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,在很寬的范圍內(nèi)可以保證柴油發(fā)電機(jī)具有良好的速度特性。
此次應(yīng)用研究的柴油發(fā)電機(jī)采用康明斯公司的電子調(diào)速器,首先柴油發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、控制器、執(zhí)行器通過一定的連接構(gòu)成一個速度閉合環(huán)路,由控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器檢測到的柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號對柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。其中最為關(guān)鍵的部件是控制器,此處采用眾智6110系列控制器,眾智系列控制器就是采用PID控制原理設(shè)計(jì)制作。
控制器由模擬放大電路、微分電路、積分電路、PWM等電路組成。它的輸人信號是轉(zhuǎn)速傳感器輸出的正弦波信號,輸出信號是驅(qū)動執(zhí)行器的 PWM方波校正功率信號它的工作過程是:首先在控制器內(nèi)部的基準(zhǔn)電路單元上設(shè)置標(biāo)定轉(zhuǎn)速,然后對輸人工作轉(zhuǎn)速信號與設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,兩者的差作為偏差信號。該偏差信號經(jīng)過PID運(yùn)算,變成相應(yīng)的校正信號,校正信號放大后輸出給執(zhí)行器(功率輸出信號有單向的,也有雙向的;對應(yīng)單、雙向執(zhí)行器)。偏差越大,輸出的校正信號電壓越高,校正偏差的速度越快;隨著偏差的減小,校正電壓逐漸減小。當(dāng)輸人轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時,輸出電壓為零。由于柴油發(fā)電機(jī)自身質(zhì)量和摩擦以及負(fù)載變化等原因,使得偏差始終存在,因此調(diào)節(jié)過程會連續(xù)不斷地進(jìn)行,最終使工作轉(zhuǎn)速恒定在沒定轉(zhuǎn)速上。
2、高溫工作性能
對于該發(fā)電機(jī)組要求滿足環(huán)境溫度50 ℃條件下正常使用的要求,我們通過對柴油發(fā)電機(jī)散熱系統(tǒng)的理論計(jì)算,在原來已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將柴油發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇直徑設(shè)計(jì)為700mm,水箱散熱面積設(shè)計(jì)為93m2,然過測試溫升值,來評估高溫下柴油發(fā)電機(jī)能否正常工作。帶散熱水箱的柴油機(jī)外觀模型如圖2所示。
3、低溫啟動性能
為了滿足發(fā)電機(jī)組在-40 ℃環(huán)境溫度下的應(yīng)急備用能力,對柴油發(fā)電機(jī)采用缸套水預(yù)熱的方式,在備用期間用220 v/380 v的市電通過預(yù)熱裝置對缸套水進(jìn)行加熱。通過發(fā)電機(jī)組的控制模塊設(shè)定預(yù)熱裝置的工作溫度范圍為36、50 ℃,水溫低于36 ℃時,啟動加熱;水溫高于50 ℃時,加熱停止,使柴油發(fā)電機(jī)水套的溫度始終保持在36、50 ℃左右,柴油發(fā)電機(jī)處于熱備用狀態(tài)。機(jī)油、柴油采用滿足-40 ℃環(huán)境溫度使用條件的油品,從而保證柴油發(fā)電機(jī)在17s內(nèi)能順利實(shí)現(xiàn)啟動。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)組帶靜音箱外罩模型 |
圖2 柴油機(jī)帶散熱水箱模型 |
二、試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)果分析
1、高溫性能試驗(yàn)
高溫試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組在高溫環(huán)境中(40℃或45℃,按技術(shù)條件要求規(guī)定)靜置6h后,在額定工況下連續(xù)運(yùn)行至熱態(tài)。之后,按前面有關(guān)條文的規(guī)定測定繞組溫升、電壓與頻率的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率和波動率。在連續(xù)運(yùn)行期間,每隔0.5h記錄一次有關(guān)數(shù)據(jù)(同熱試驗(yàn))。試驗(yàn)過程中,對機(jī)組的要求同12h連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。
高溫性能試驗(yàn)在發(fā)電機(jī)組滿載的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。
表1 高溫性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
累計(jì)時間
min
|
環(huán)境進(jìn)氣溫度
℃
|
冷卻水溫度
℃
|
出水溫度
℃
|
0
|
36.2
|
60.6
|
68·6
|
10
|
36.1
|
67.7
|
75·6
|
20
|
36.3
|
72·2
|
80.1
|
30
|
36.4
|
74·2
|
82.0
|
40
|
36.5
|
75.6
|
83·4
|
60
|
36.6
|
75·9
|
83·7
|
70
|
36.5
|
76.9
|
84·7
|
90
|
36.7
|
77·5
|
85·3
|
在高溫性能試驗(yàn)中,由于柴油發(fā)電機(jī)的散熱器蒸汽閥工作壓力為70 kPa,此時水的沸點(diǎn)在117℃ 左右,受柴油發(fā)電機(jī)所能承受的熱負(fù)荷限制,柴油發(fā)電機(jī)僅能在短時間內(nèi)能承受110 ℃的冷卻水溫,考慮到發(fā)電機(jī)組需要持續(xù)工作,柴油發(fā)電機(jī)需要穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)
2、低溫性能試驗(yàn)
低溫試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示。發(fā)電機(jī)組加滿低溫用燃油、機(jī)油和防凍冷卻液(柴油機(jī)為水冷者),配備好容量充裕的啟動用蓄電池(柴油機(jī)為電啟動者)后,將發(fā)電機(jī)組靜置于規(guī)定的低溫(-40°℃25℃或-15℃,按技術(shù)條件要求規(guī)定)環(huán)境中達(dá)12h以上(對額定功率在12kW以上者)或6h以上(對額定功率在12KW以下者)。
表2 主要試驗(yàn)儀器和設(shè)備
名稱
|
型號
|
名稱
|
型號
|
制冷機(jī)組
|
DJ14.3/85
|
示波器
|
YB54000
|
環(huán)境溫度巡測儀
|
SKE-32AD
|
數(shù)字式轉(zhuǎn)速表
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DSZ-6
|
數(shù)據(jù)采集分析件
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DASY
lab5
|
變頻器
|
FRN30G
11S-400V
|
環(huán)境溫度傳感器
|
Pt100
|
變頻異步電動機(jī)
|
YVP系列(IP44)
|
環(huán)境溫度變送器
|
Pt100
|
轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀
|
NJ型
|
(1)-18℃低溫起動能力施壓:
完全充電的蓄電池,放置在帶有空氣循環(huán)低溫箱或低溫室中,溫度保持在-18℃±1℃,時間不低于24h,蓄電池在低溫箱或低溫室取出后,迅速接好接線端,時間不超過2min。以規(guī)定的-18℃冷啟動電流Icc電流放電30s,在放電過程中電流值的變化應(yīng)不超過正±0.5%,分別記錄放電10s和30s時蓄電池端電壓。然后停止放電,靜置20s,之后以0.6Icc電流放電40s,在放電過程中電流值的變化應(yīng)不超過±0.5%,記錄40s時蓄電池端電壓。全部實(shí)驗(yàn)在90s內(nèi)完成。蓄電池放電到10s時端電壓不小于7.5v,30s端電壓不小于7.2v,90s端電壓不小于6v。Icc值可以查標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品目錄。
(2)起動阻力矩
不同環(huán)境溫度時,起動阻力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系轉(zhuǎn)速高于170r/min時,平均起動阻力矩隨轉(zhuǎn)速的環(huán)境溫度增大。轉(zhuǎn)速提高50r/min,平均起動阻力矩增加3~8N·m。試驗(yàn)測得環(huán)境溫度為-20℃的阻力矩,在嚴(yán)寒條件下柴油機(jī)的起動阻力矩,可以運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式,預(yù)測更低環(huán)境溫度時柴油機(jī)的起動阻力矩。環(huán)境溫度為-35℃的預(yù)測柴油機(jī)起動阻力矩,如圖4所示。
圖3 柴油機(jī)低溫啟動試驗(yàn)系統(tǒng)框圖 |
圖4 柴油機(jī)起動阻力矩預(yù)測曲線 |
表3 -25℃時不同起動機(jī)的起動試驗(yàn)數(shù)據(jù)
起
動
機(jī)
|
溫度/℃
|
蓄電池
|
電壓/V
|
柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速
/(r/min)
|
起動時間
/s
|
起動
與否
|
||||
機(jī)油
|
進(jìn)氣
|
冷卻液
|
蓄電池
|
初始
|
最低
|
|||||
康
明
斯
|
-24.5
|
-25.3
|
-24.1
|
-25.8
|
駱駝135Ah
|
12.61
|
7.99
|
1186
|
18
|
是
|
-24.5
|
-25.3
|
-24.1
|
-25.8
|
11.53
|
8.5
|
884
|
3
|
是
|
||
-24.5
|
-26.0
|
-25.5
|
-25.8
|
11.68
|
8.3
|
87
|
>30
|
否
|
||
-24.5
|
-26.0
|
-25.5
|
常溫
|
12.76
|
8.8
|
858
|
35
|
是
|
3、性能曲線
柴油機(jī)在不同的工況下,各主要指標(biāo)是變化的。要找出它們的變化規(guī)律,必須在發(fā)動機(jī)測功器上進(jìn)行試驗(yàn),測出在不同工況下的數(shù)據(jù),并繪制成曲線表示其變化關(guān)系。這些曲線稱為柴油機(jī)的特性曲線。在衡量柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性時,常用的特性曲線有外特性曲線、速度特性曲線和調(diào)速特性曲線等。
(1)速度特性曲線
當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時候,其功率、扭矩和耗油量這三個基本性能指標(biāo)都會隨著負(fù)荷的變化而變化。這些變化遵循一定的規(guī)律,將這些有規(guī)律的變化描繪成曲線,就有了反映柴油機(jī)特性的曲線圖。根據(jù)柴油機(jī)的各種特性曲線,可以全面地判斷柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。反映柴油機(jī)運(yùn)行狀況常用速度特性曲線。
柴油機(jī)的速度特性曲線表示有效功率N(千瓦)、扭矩M(牛頓米)、比燃料消耗量g(克/千瓦小時)隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n而連續(xù)變化的表現(xiàn)。柴油機(jī)的速度特性是在制動試驗(yàn)臺架上測出的。保持柴油機(jī)在一定節(jié)氣門開度情況下,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,測取在這一工況下的功率、比耗油等,然后調(diào)整被測機(jī)載荷(扭距變化),使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速改變,再測得另一轉(zhuǎn)速下的功率、比耗油。按照一定轉(zhuǎn)速間隔依次進(jìn)行上述步驟。就能測出在不同轉(zhuǎn)速下的數(shù)值,將這些數(shù)值點(diǎn)連點(diǎn)地組成連續(xù)曲線,就產(chǎn)生了功率曲線、扭矩曲線和比燃料消耗量曲線,它們與相應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)?yīng)。
(2)外特性曲線
當(dāng)柴油機(jī)噴油泵在最大供油量時的速度特性,稱為柴油機(jī)的外特性,它表示柴油機(jī)所能得到的最大動力性能。從外特性曲線上可以看到柴油機(jī)所能輸出的最大功率、最大扭矩以及它們相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和燃料消耗量,發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品介紹書上大都采用柴油機(jī)外特性曲線圖,如圖3所示。但一般只標(biāo)出功率和扭矩曲線。
(3)調(diào)速特性
柴油機(jī)的外特性曲線很平緩,這說明柴油機(jī)較小的負(fù)荷變化,可引起相當(dāng)大的轉(zhuǎn)速變化。這種現(xiàn)象對發(fā)電機(jī)組的工作非常不利,容易引起發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速過快(飛車),或者使發(fā)動機(jī)熄火。但如果在柴油機(jī)上裝有一個能根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化而自動調(diào)節(jié)供油量的專門裝置一一調(diào)速器,就可控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在有限范圍內(nèi)變化,從而改善其使用條件。裝有調(diào)速器的柴油機(jī)的速度特性曲線稱為調(diào)速特性,如圖2所示。
4、結(jié)論
柴油發(fā)電機(jī)啟動在規(guī)定的環(huán)境溫度下進(jìn)行,連續(xù)啟動3次,每次間隔5分鐘,試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(1)采用以上配置的柴油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)G2級電站的調(diào)速要求,能夠滿足環(huán)境溫度50 ℃時的正常使用要求,在一40 ℃下能夠?qū)崿F(xiàn)順利啟動。
(2)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,并具有良好的經(jīng)濟(jì)性,非常適合于公用電力類備用應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的使用要求。
圖5 柴油發(fā)動機(jī)功率輸出曲線 |
圖6 柴油機(jī)均轉(zhuǎn)速變化曲線 |
總結(jié):
康明斯發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)經(jīng)過嚴(yán)格的出廠試驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試,已經(jīng)在康明斯公司成功實(shí)現(xiàn)批量化配套應(yīng)用,產(chǎn)品已經(jīng)出口銷售到中東、俄羅斯等地區(qū),并在國內(nèi)其他多家發(fā)電機(jī)組公司得到應(yīng)用。以低溫啟動可靠,運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,在高溫下可靠工作,得到用戶的青睞。此應(yīng)用研究和方案的成功實(shí)施,可為類似用途柴油機(jī)的方案設(shè)計(jì)提供參考。
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