新聞主題	柴油發電機組負載啟動能力指標

 

摘要：性能指標的作用從總體上或從某一方面來判斷或衡量一臺柴油發電機的性能。包括動力性指標、經濟性指標、運轉性指標（冷起動、加速性與加載性、排放性）、可靠性和耐久性指標、重量和外形尺寸指標等。其中指示指標用來評價氣缸內工作完善程度的指標，考慮磁燒的完善程度和結熱損失。有效指標是在指示指標基礎上考慮了機械損失后，在紫油機輸出軸上所得到的指標。而工作參數表征柴油機的機械負荷、熱負荷、基本結構和強化程度的參數。

 

一、柴油機性能指標

 

      柴油機的主要性能指標包括動力性和經濟性兩個方面的指標。它們既是反映柴油機工作循環完善程度的參數，更是評估柴油機性能的主要依據。動力性和經濟性指標分別從量和質兩個方面來評價柴油機的性能。它們又可以分成指示指標和有效指標兩類見表1。

表1    柴油機性能指標

      指示指標是以實測的示功圖所表示的一個循環所作的功——指示功為基礎的(從示功圖求出來的)，它們表征氣缸內部工作情況，其優劣取決于氣缸內部實際工作循環進行的完善程度(包括不完全燃燒、燃燒延遲、氣體泄漏、氣缸壁傳熱損失等)。有效指標是以在柴油機輸出軸上所得到的有效功為基礎的，它扣除了柴油機內的一切損失，其優劣取決于工作循環進行的完善程度外，還得取決于機械損失的大小，它是評定柴油機工作性能的最終指標。

1、動力性指標

（1）有效扭矩

      燃料在氣缸內燃燒放熱、膨脹作功所產生的力，除了克服柴油機本身各部件的摩擦阻力和驅動各種輔助裝置（水泵、油泵、風扇等）之外，最后通過曲軸輸出、供給外界使用的扭矩稱為有效扭矩Me，單位為N·m（或kN·m），其數值可通過柴油機實機運轉由專門的測功器測取。

（2）有效功率

      柴油機在單位時間內對外作功的量稱為有效功率Ne，是柴油機最主要的動力性能指標之一，其數值可通過有效扭矩Me和相應轉速n計算得出：Ne=Me·n/9550（kW）。柴油發動機功率參數主要有兩種，即標定功率和備用功率。其有功功角和動態特性如圖1、圖2所示。

① 標定功率

      在指定的標準大氣狀況（按國際標準，氣壓100 kPa、氣溫300 K）下，在正常修理周期內，柴油機允許連續運轉一段時間或允許長期連續運轉的最大有效功率，稱之為標定功率。我國根據柴油機的不同用途，規定有15分鐘功率、1小時功率、12小時功率和持續功率四種標定功率。其中，持續功率是指柴油機允許長期連續運轉的最大有效功率，通常用來對柴油發動機進行功率標定，并明確記載在產品銘牌和使用說明書中。

② 備用功率

      當大氣條件變化使得進入柴油機的空氣量減少時，柴油機所能發出的最大有效功率將比指定大氣條件下運轉時的功率要低。在特定的使用條件（環境溫度、大氣壓力、工況等）下，在正常修理周期內，柴油機在運用中所能達到的最大有效功率，稱之為備用功率或最大運用功率。

③ 功率修正

      在確定以上功率時，首先要考慮柴油機的設計及制造水平，這對柴油機的功率、工作可靠性及使用壽命起決定性的影響。對于某一型號的柴油機，如果功率定得大，其工作可靠性和使用壽命就會降低。只有通過持續的試驗，并對實際運用情況和結果作系統的調查研究，在切實掌握質量水平的基礎上，才能比較正確地確定以上各功率。

      由于環境狀況和使用條件的變化對柴油機的功率有很大影響，因此，需要對柴油機的功率進行修正。對柴油機供應商而言的功率修正，是將試驗大氣條件下測得的功率換算到標準大氣狀況下柴油機所應發出的功率，并作為銘牌功率標注；對柴油機用戶而言的功率修正，是根據實際使用區域的不同，將柴油機的銘牌功率修正為與使用區域的大氣狀況所對應的功率，并作為正常的使用功率。

（3）轉速

      柴油機可在較為寬廣的轉速范圍內運轉工作，在柴油機出廠銘牌和使用說明書中，一般應給出標定轉速（即，標定功率下的轉速）或最大輸出扭矩時的轉速，供用戶在運轉柴油機時作參考。實際上，柴油機工作時的轉速還受到最高允許轉速（或稱極限轉速，通常為標定轉速的110％左右）和最低空載穩定轉速（或稱最低怠速轉速）的限制。柴油機的最高允許轉速受到運動部件慣性負荷、零部件熱負荷以及燃燒過程惡化、充氣效率下降等因素的限制。若超過最高允許轉速運轉柴油機，將會使柴油機部件損壞，甚至發生事故。最低空載穩定轉速能確保柴油機連續運轉而不停機。若低于該轉速時，柴油機工作過程將由于吸氣、噴油、著火、燃燒的不穩定而使轉速和功率波動大，甚至熄火停機。

2、經濟性指標

（1）有效熱效率

      柴油機一個工作循環所發出的有效功We與得到此有效功所消耗燃料中的熱量Q之比稱為有效熱效率ηe。有效熱效率也可以通過柴油機的有效功率Ne和每小時燃油消耗量G計算得出。柴油機的有效熱效率一般在0.35～0.45之間。

（2）有效燃油消耗率

      柴油機每發出1 kW有效功率，在1 h內所消耗的燃油量G稱為有效燃油消耗率ge，簡稱燃油消耗率。顯然，柴油機對外作一定量的功所消耗的燃油量（可由柴油機臺架試驗中測得）越少，燃油消耗率越低，其經濟性就越好。燃油消耗率可按下式計算:

g_e=G/N_e×103 [g/（kW·h）]

3、排放性能指標

      柴油機的有害排放物主要包括有害氣體排放物—CO、HC、NOx和有害固體排放物—微粒。排放性能指標可用單位排氣體積中有害排放物的體積表示，如%；或用排氣中質量濃度表示，如mg/m3；或采用單位時間內或一次規定條件測試中或單位折合運行時間條件下的有害物質排放量表示，如g/h，g/一次測試等；最常用的是由柴油機發出單位功所排放的有害污染物質量表示的比排放量，即g/（kW·h）。柴油機有害排放物的測量必須在國家標準或銷售地標準規定的運轉條件下并使用標準規定的測量設備進行測量。

      不同行業、不同用途或不同功率等級的柴油機有不同的排放評價標準。柴油機在不同的工況條件下運轉時，廢氣成分的組成會有很大差異。不同的循環測試條件下的排放標準限制值是不相同的。為了綜合考察柴油機在冷啟動、熱啟動、加速、減速和勻速運轉等工況時的排放情況，同時便于對各種柴油機的排放水平進行比較，各國都是根據排放法規和臺架試驗規范各自擬定出模擬性的實驗規范。

4、可靠性耐久性指標

      可靠性是指柴油機在規定的運轉條件下，具有持續工作不致因故障而影響柴油機正常運轉的能力。耐久性是指柴油機大修前累計運行的時間。

 

圖1  發電機有功功率功角特性

圖2  發電機動態穩定性功角特性

 

二、發電機性能指標
 

1、電壓和頻率穩定時間

      發電機組負載突變時，其電壓和頻率會產生突然下降或升高的現象，從負載突變時起至電壓或頻率開始穩定所需要的時間為電壓或頻率穩定時間，以秒（s）為單位計算。電壓的穩定時間與自動調壓系統的性能有關，頻率的穩定時間與發動機調速器的調速性能有關。其中，頻率穩定時間曲線如圖3所示。

2、瞬態電壓調整率δ_us和瞬態頻率調整率δ_fs  

       發電機組在負載突變時，發動機端電壓和頻率都會出現瞬間變化。當突加或突減負載時，由于受柴油機輸入功率的突增（減）及發電機電樞反應等因素的影響，發電機端電壓和頻率會產生突然下降或升高的現象。電壓（頻率）的瞬態變化值與負載突變前的數值之差與額定值的百分比，稱為發電機組的瞬態電壓（頻率）調整率。

（1）瞬態電壓調整率計算公式：

 

式中， u_s-負載突變時瞬時電壓的最大值或最小值（取與負載突變前的穩定電壓差值較大者），V；

u₂-負載突變前的穩定電壓，V；

u-額定電壓，V。

（2）瞬態頻率調整率計算公式：

 

式中， fs-負載突變時的瞬時頻率的最大值或最小值（取與負載突變前的穩定頻率差值較大者），Hz；

f₂-負載突變前的穩定頻率，Hz；

f-額定頻率，Hz。

3、直接啟動空載異步電動機的能力

      發電機組直接啟動（四極籠型三相）異步電動機時，由于啟動電流很大以及異步電動機低功率因數的影響，發電機組輸出電壓顯著下降，這時發電機勵磁系統必須進行強勵磁，才能補償發電機組輸出電壓的下降。異步電動機容量愈大，強勵程度就愈高，其原理和啟動特性如圖4所示。因為啟動電流很大，有可能損傷繞組的絕緣。發電機組因其特性上的差別，啟動空載異步電動機的容量不得超過其額定容量的70％；而啟動有載異步電動機時，異步電動機容量不得超過其額定容量的35％，當異步電動機啟動后，由發電機組輸出的剩余功率還可供其他電氣設備使用。

 

圖3  發電機頻率穩定時間曲線

圖4  異步電動機的原理與啟動特性

 

4、發電機組的并車性能

      型號規格相同和容量比不大于3：1的發電機組在額定功率的20％～100％范圍內應能穩定地并聯運行，且可平穩轉移負載的有功功率和無功功率，其有功功率和無功功率的分配差度應不大于表2的規定；容量比大于3：1的發電機組并聯，各發電機組承擔的有功功率和無功功率分配差度按產品技術條件的規定。

表2       有功功率和無功功率的分配差度

說明：當使用該容差時，并聯運行發電機組的有功標定負載或無功標定負載的總額按容差值減小。

5、無線電干擾允許值

      根據 YD/T 502-2020《通信用低壓柴油發電機組》，用于通信電源的柴油發電機組對無線電干擾有要求時，發電機組應具有抑制無線電干擾的措施，其干擾允許值應不大于表3和表4中規定的限值。按照GB/T 20136-2006《內燃機電站通用試驗方法》603和604進行測量考核，特殊情況可提出更嚴格的要求。

表3     傳導干擾限值

表3    輻射干擾限值

 

總結：

      柴油發電機的技術性能指標，是衡量柴發機組供電質量和經濟指標的主要依據。其主要技術性能通常指柴發機組的功率因數從0.8～1.0，三相對稱負載在0～100%或100%～0額定值的范圍內漸變或突變時，應達到的性能。同時了解柴油機的相關參數和排放標準，將對更好地設計、制造、管理、使用和維修柴油機帶來積極的影響。此外，還有電壓、頻率波動率、超載運行時限、瞬態電壓、頻率調整率及直接啟動空載異步電動機等性能。隨著及時的發展，國產和引進的各類柴發機組還具有其他特殊的性能，若需了解其他技術資料，請查詢康明斯公司官網柴發技術類文章。

 

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