性能特點和作用說明

柴油發電機組的結構與特點

 

摘要：柴油發電機組主要由柴油機、同步發電機、油箱、控制系統四個部分組成，利用柴油為燃料，柴油內燃機組控制柴油在汽缸內有序燃燒，產生高溫、高壓的燃氣，當燃氣膨脹時推動活塞使曲軸旋轉，產生機械能，通過傳動裝置帶動同步交流發電機旋轉，將機械能轉換為電能輸出，給各用電負載提供電源。例如康明斯柴油發電機以其堅固耐用性、穩定性、性能強勁、經濟性而被眾多企業所選擇，成為其主要的電力來源。卓越的燃油效率是柴油發電機的主要優勢，由于其出色的設計和壓縮空氣允許的效率，它們可以比相同功率的汽油、天然氣等其他類型發電機運行更長的時間，提供更多的電力。

 

一、柴油發電機組的發展歷史

 

      柴油發電機組是一種能源轉換設備（外形如圖1所示），它是將熱能（燃油通過燃燒）轉化為機械能（發動機旋轉），再將機械能轉換為電能的設備，燃油是其原料，電能是其產品。1897年全世界第一臺柴油發電機誕生于德國的奧格斯堡（Augsburg），是由MAN公司的創始人 Rudolf Diesel 發明的。目前，柴油機的英文名字即為創始人的姓名 Diesel。

      從1897年第一臺柴油發電機組誕生到現在的一百多年時間里，柴油發電機組的技術發展一直與柴油發動機的技術發展及控制技術的發展密切相關。前50年技術進步相對緩慢。后50年來隨著柴油機技術水平的快速發展和機組控制技術的不斷更新換代，柴油發電機組從20世紀60年代使用的手啟動、機房固定安裝的普通機組，到70年代研制成功了自啟動機組，80年代研制成功了微型計算機控制的自動化無人值守機組，到90年代開始研制低噪聲排放的機組，2000年后注重噪聲和尾氣排放環境保護。最近幾年，隨著云計算技術的發展，柴油發電機組智能控制也朝云監控方向發展。從而使柴油發電機組的技術裝備水平不斷提高，現代柴油發電機組具有靈活、方便、自動化程度高、噪聲小和排放低等優點。隨著科學技術的不斷發展，一些新技術、新成果的應用使得現代柴油發電機組具有更高的適用性、可靠性、安全性以及良好的環保特性，將不斷滿足現代社會對柴油發電機組的更高要求。

      作為一臺發電機組，最重要就是柴油機動力部分（外形如圖2所示）。柴油發動機則與汽油發動機不同，主要有兩個原因。

（1）空氣被單獨壓縮——這個過程不需要燃料，這允許更高水平的空氣壓縮，從而產生更高的燃料效率和更低的燃料成本。

圖1  柴油發電機組側視圖

圖2  柴油發動機三維模型圖

 

二、柴油發電機組的結構

 

      柴油發電機組是一種機電一體化設備，它由柴油發動機、交流發電機和機組控制系統三大部件組成，包括前端的供油系統和后端的輸配電系統，組成一個完整的電站系統。其技術涉及機械動力學、電學、自動化控制等各個領域。柴油發電機組一般有如下構成的組件：

1、柴油發動機

2、交流無刷同步發電機

      發電機的主機是旋轉磁場式，通過發電機的定子向外輸出電能。發電機的轉子往往有隱極與凸極兩種結構型式。因為此類發電機的運行工況一般均和電網并聯運行，從而對發電機的電壓品質要求較高。轉子為隱極結構的發電機波形的畸變率小、正弦性好。主機勵磁電流的由勵磁機通過旋轉的整流器來提供的，勵磁機為旋轉電樞式的三相同步發電機，勵磁機的勵磁是由發電機控制器來提供的。

（1）通風散熱

      為了提高材料利用率，采用較高的電磁負荷，所以需要提高發電機的散熱能力。發電機采用軸向的通風結構，大部分損耗所產生的熱量從定子鐵芯傳給機座，再通過內部風扇與外部環境所帶來的冷卻氣體進行冷卻。而其余的損耗熱量主要是轉子損耗與部分定子繞組端部的損耗，都是由內部風扇所帶來的冷卻氣流進行冷卻。

      發電機的冷卻方式一般可分為自然冷卻、強迫風循環冷卻、自力通風冷卻。自然冷卻多用于1KW以下的發電機，強迫風循環冷卻需在發電機和風機之間設置專門的風路，結構復雜、體積龐大，維護維修不便。中壓發電機功率不是很大，選用自力通風冷卻是最為合理的，將風扇安裝在發電機的轉軸上，風扇所消耗的功率由轉軸的機械功率進行供給。

（2）絕緣

      發電機的絕緣結構所采用的材料，在溫度作用下，其機械、電氣、物理等性能都將會逐漸變壞，且當溫度升高到一定程度時，絕緣材料的特性將會發生本質的變化，導致失去絕緣能力。

      為提高發電機的絕緣等級，發電機的電磁線采用漆膜厚度2級、耐熱等級為200級的聚酯亞胺/聚酰亞胺復合漆包圓銅線；槽的絕緣為耐熱等級為180級的聚酯亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復合材料；引接線采用銅芯交聯聚烯烴絕緣發電機繞組的引接線電纜、電線，連續運行導體的最高溫度為125℃;槽楔為耐熱等級為180級的聚胺酰亞胺層壓的玻璃布板：160無溶劑浸漬絕緣漆為連續真空壓力絕緣。整體的絕緣耐熱等級為H級，最高可允許的工作溫度為180℃。所以，發電機的絕緣性能優良可靠，防潮能力強，機械強度好。

（3）勵磁系統

       中壓無刷同步發電機通常采用單機勵磁，勵磁系統有三種方案：

① 可控相復勵勵磁：動態、穩態性能好；難于與高壓發電機一體化，高低壓導線混雜，可靠性差。

② 諧波勵磁：動態性能好，穩態性能稍差；低壓諧波繞組易被擊穿，可靠性差。

③ 副勵磁機勵磁：動態性能稍差，穩態性能好，增加副勵磁機，使發電機軸向尺寸增大。

     第三種方案雖然動態性能稍差，但可靠性高，是最為可行的。因此一般在選擇副勵磁機勵磁方案時，副勵磁機為發電機控制器所提供的工作電源，以及勵磁機用的勵磁電源：信號取樣裝置TA、TV是發電機控制器所提供控制用的信號取樣的輸入。

3、控制系統

      柴油發電機組現場由一臺主控制柜和若干發電機分控制柜組成。主控制柜使用PLC-觸摸屏結構。每臺柴油發電機組都配有一臺專業控制器，裝在分控制柜中，負責對應發電機的啟動、停機、參數采集、故障檢測，并且多臺發電機之間或與市電之間自動同期并網。

    PLC是控制系統的核心，其輸入信號來自ATS和上位機，輸出信號給專業控制器，按照之前制定好的控制規則來控制機組的動作，滿足供電線路在不同情況下的多樣閉合要求，整合所有專業控制器中的柴油發電機各項參數，以供上位機和現場觸摸屏讀取。上位機可通過TCP/IP或現場總線讀取PLC中的數據，將機組的運行參數與狀態直觀顯示，實施對整個系統的狀態監測，同時還可實現對整個系統遙控。其中，現場總線技術已日趨成熟，如Profibus現場總線，傳輸距離遠，通訊速率高，支持光線，非常適合在惡劣的工業環境中應用，實現實時監控功能

       柴油發電機組有多種分類方法，按柴油機的轉速可分為高速機組（1500~1800rpm）、中速機組（1000rpm）和低速機組（600rpm以下）；按柴油機的冷卻方式可分為水冷和風冷機組；按柴油機柴油調速方式可分為機械調速、電子調速、液壓調速和電子噴油管理控制調速系統（簡稱電噴或ECU）；按機組使用的連續性可分為長用機組和備用機組；柴油發電機組通常采用三相交流同步無刷勵磁發電機，按發電機的勵磁方式可分為自勵式和他勵式。

 

三、柴油發電機組的特點

 

       柴油發電機組是集柴油機、發電機和自動控制等多個學科領域相交叉的技術。柴油發電機組是以柴油機為動力的發電設備，它與常用的蒸汽發電機組、水輪發電機組、燃氣渦輪發電機組、原子能發電機組等發電設備相比較，具有結構緊湊、占地面積小、熱效率高、啟動迅速、控制靈活以及燃料儲存容易等優點。其外形平面和后視圖分別如圖5、圖6所示。

1、單機容量等級多

      柴油發電機組的單機容量從幾千瓦至幾萬千瓦，目前國產機組最大單機容量為幾千千瓦。用作船舶、郵電、高層建筑、工礦企業、軍事設施的常用、應急和備用發電機組的單機容量，可選擇的容量范圍大，具有適用于多種容量用電負荷的優勢。

      采用柴油發電機組作為應急和備用電源時，可采用一臺或多臺機組，裝機容量根據實際需要靈活配置。

2、體積小，占地面積小

      配套設備結構緊湊、單位功率重量輕、安裝地點靈活。柴油發電機組的配套設備比較簡單、輔助設備少、體積小、重量輕。以高速柴油機為例，功率重量比一般在8～20kg/kW，而蒸汽動力裝置比柴油發電機的這項指標大4倍以上。與水輪機組需建水壩、蒸汽機組需配置鍋爐、燃料儲備和水處理系統等比較，柴油發電機組具有占地面積小、建設速度快和投資費用低的優點。

      常用發電機組通常采用獨立配置方式，一般不與外（市）電網并聯運行。而備用發電機組或應急發電機組一般與變配電設備配合使用。機組占地面積小，安裝地點靈活。

3、熱效率高，燃油消耗低

      柴油機是目前熱效率最高的熱力發動機，其有效熱效率為30％～46％，高壓蒸汽輪機約為20％～40％，燃氣輪機約為20％～30％，因此柴油發電機組的燃油消耗較低。

4、啟動迅速、并能很快達到全功率

      柴油機的啟動一般只需幾秒鐘，在應急狀態下可在1min內達到全負載運行；在正常工作狀態下約在5～30min內達到全負載，而蒸汽動力裝置從啟動到全負載一般需要3～4h。柴油機的停機過程也很短，緊急狀態可即時停機，正常狀態的停機過程不超過3min，可以頻繁起停。所以柴油發電機組很適合作為應急發電機組或備用發電機組。

5、維護操作簡單

      因其操作非常容易，從而僅需一名操作人員，并且在備用期間的維護保養相對簡單。

6、建設與發電的綜合成本最低

      柴油發電機組中的柴油機一般為四沖程、水冷、中高速內燃機。燃用不可再生的柴油或在柴油中摻燒乙醇、生物柴油、壓縮天然氣（CNG）和液化石油氣（LPG）等可再生能源以節省能源和保護環境。柴油機燃燒后的排放物主要為CO、HC、PM（顆粒）污染環境，而且排氣噪聲較大。盡管如此，柴油發電機組與水力、風力、太陽能等可再生能源發電以及核能、火力發電等相比較，具有非常明顯的優勢：柴油發電機組的建設與發電的綜合成本最低。

 

圖5  柴油發電機組平面圖

圖6  柴油發電機組后視圖

 

總結：

      柴油發電機組是一種成套發電設備。柴油機電站可以是單臺柴油發電機組自成體系獨立發電、供電，也可多臺柴油發電機組并列發電、供電。在這個系統中，只要保證燃油供應，就可不間斷地輸出電能。 在柴油發電機組的各主要部件中，柴油機有著最為重要的地位，這不僅是因為柴油發動機的價值最高，而且也是因為柴油發動機是整個柴油發電機組的心臟，在能源轉換過程中發揮著主要的作用。康明斯公司認為只有優質的發動機、優質的發電機、優質的控制系統和優質的成套工藝才能組成最優質的發電機組。

 

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