新聞主題	特殊環(huán)境條件下柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

 

摘要：特殊環(huán)境條件一般指高溫環(huán)境、低溫環(huán)境和高原環(huán)境。當(dāng)環(huán)境溫度過低時（特指環(huán)境溫度低于-10℃），燃料的黏度增大，當(dāng)溫度從40℃到-10℃時，柴油的黏度將提高36％，相對密度將提高3％，燃料的蒸發(fā)和霧化能力較差，噴入氣缸內(nèi)未能及時蒸發(fā)的燃料附著在燃燒室表面，影響了后續(xù)燃油的蒸發(fā)，導(dǎo)致可燃混合氣體品質(zhì)惡化。燃燒不良導(dǎo)致柴油機(jī)輸出功率下降，而廢氣濃度上升，尾氣排放惡化。另外，潤滑油在低溫時黏度增大，潤滑效果降低，各運動部件摩擦阻力變大，造成啟動時阻力力矩增大。另外，過于頻繁地冷啟動柴油機(jī)，會降低柴油機(jī)的使用壽命。

 

一、 極端高溫條件下的柴發(fā)應(yīng)用

 

      極端高溫環(huán)境是指環(huán)境溫度超過40℃，在高溫環(huán)境下，空氣密度降低，充氣系數(shù)低，柴油機(jī)燃燒時氧氣量減少，燃燒效率降低，柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性都會下降。同時，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱溫差小，散熱能力差，冷卻效果下降，發(fā)動機(jī)容易過熱，高溫使?jié)櫥宛ざ认陆担瑵櫥Ч儾睿瑖?yán)重時會影響發(fā)電機(jī)組的正常運行，高水溫和高機(jī)油溫度可能導(dǎo)致拉缸，甚至使發(fā)動機(jī)損壞。

1、高溫環(huán)境對柴發(fā)的影響

（1）發(fā)動機(jī)充氣效率下降。

      充氣效率是衡量發(fā)動機(jī)性能和進(jìn)氣過程的重要指標(biāo)。它定義為每缸每循環(huán)實際吸入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論空氣質(zhì)量的比值。氣溫越高，空氣密度越小，發(fā)動機(jī)的實際進(jìn)氣量減少，造成發(fā)動機(jī)功率下降。在一些帶防音罩殼的發(fā)電機(jī)組，其通風(fēng)條件更差一些。由于發(fā)動機(jī)過熱，發(fā)動機(jī)罩殼內(nèi)溫度更高，發(fā)動機(jī)吸入高溫空氣造成實際進(jìn)氣量的減少對發(fā)電機(jī)組的出力影響更為明顯。

（2）發(fā)動機(jī)燃燒不正常。

      大氣溫度高，燃油的溫度升高，進(jìn)入氣缸的混合氣溫度也高，發(fā)動機(jī)整個工作循環(huán)的溫度升高，高溫環(huán)境散熱器的散熱效率又低，使發(fā)動機(jī)處于過熱狀態(tài)。另外，過熱的發(fā)動機(jī)易造成可燃混合氣體的早燃，這種不正常的燃燒，更加劇了發(fā)動機(jī)的過熱現(xiàn)象，同時燃油的高溫回油使油箱燃油溫度不斷升高，吸入氣缸的燃油溫度再升高，更進(jìn)一步加熱進(jìn)氣溫度，形成惡性循環(huán)。

（3）加快運動部件的磨損。

     發(fā)動機(jī)的潤滑油在高溫、高壓下工作，使?jié)櫥偷目寡趸€(wěn)定性變差，引起潤滑油變質(zhì)。另外，由于潤滑油溫度高，黏度下降，使?jié)櫥妥兿?，油性變差，滑油壓力降低，影響潤滑效果，加快了運動部件的磨損。同時，金屬零件由于高溫?zé)崤蛎涊^大，零件之間正常配合間隙變小，這些都會加速機(jī)件的磨損，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的使用壽命。

（4）啟動蓄電池易損壞。

      溫度高，蓄電池電化學(xué)反應(yīng)加快，電解液蒸發(fā)快，極板易損壞，同時易產(chǎn)生過充電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命。

（5）發(fā)電機(jī)加快老化。

     高溫環(huán)境使發(fā)電機(jī)繞組溫度升高，冷卻效果不良，繞組溫升超過額定允許溫升將對繞組絕緣造成破壞，加快發(fā)電機(jī)的老化。

2、高溫條件下的柴發(fā)應(yīng)對措施

（1）良好的機(jī)房通風(fēng)

      為使柴油發(fā)電機(jī)組在高溫環(huán)境條件下能正常工作，必須保持機(jī)房良好的通風(fēng)條件。良好的機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)必須保證有足夠的空氣流入和流出，并可在機(jī)房內(nèi)實現(xiàn)自由循環(huán)。因此，機(jī)房內(nèi)應(yīng)有足夠大的空間，確保氣溫保持均衡空氣順暢的流通。在無特殊安裝條件限制時，通風(fēng)系統(tǒng)通常應(yīng)采用直進(jìn)直出型。并絕對避免發(fā)電機(jī)組排放的熱空氣通過進(jìn)風(fēng)口再次進(jìn)入機(jī)房。

      進(jìn)風(fēng)口應(yīng)位于灰塵濃度小和周圍無異物的合理位置，當(dāng)條件許可時，應(yīng)采用靠近發(fā)電機(jī)組控制屏側(cè)的斜上部進(jìn)風(fēng)方式，并加設(shè)百葉窗和金屬防護(hù)網(wǎng)簾，以避免異物進(jìn)入，確保正常的空氣對流。為防止熱空氣回流，發(fā)電機(jī)組進(jìn)風(fēng)口應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離排風(fēng)口，空氣在機(jī)房內(nèi)直流，進(jìn)風(fēng)口應(yīng)加以保護(hù)以防止雨水及其他異物進(jìn)入。

      對于閉式循環(huán)水冷卻型柴油發(fā)電機(jī)組，進(jìn)風(fēng)口凈面積應(yīng)大于發(fā)電機(jī)組散熱器芯有效面積的2倍，如進(jìn)風(fēng)口面積太小，實際進(jìn)風(fēng)量太少而導(dǎo)致機(jī)體溫度過高，影響發(fā)電機(jī)組的正常使用、降低發(fā)電機(jī)組的功率輸出、縮短維護(hù)周期及減少使用壽命。

      當(dāng)排風(fēng)口安裝有百葉窗及金屬防護(hù)網(wǎng)簾時，應(yīng)確保排風(fēng)口凈面積最小不低于散熱器芯有效面積的1.4倍，排風(fēng)口的中心位置應(yīng)盡可能與發(fā)電機(jī)組散熱器芯的中心位置一致，排風(fēng)口的寬高比也盡可能與散熱器芯的寬高比相同。為防止熱空氣回流及機(jī)械振動向外傳遞，應(yīng)在散熱器與排風(fēng)口之間加裝彈性減振喇叭形導(dǎo)風(fēng)槽。

      裝有罩殼的低噪聲發(fā)電機(jī)組，外形如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于整體結(jié)構(gòu)比較緊湊，進(jìn)排風(fēng)條件比機(jī)房安裝的發(fā)電機(jī)組要差。在進(jìn)行整體設(shè)計時要對機(jī)箱的進(jìn)排風(fēng)口有效面積、進(jìn)排風(fēng)量和風(fēng)速進(jìn)行計算，優(yōu)先滿足發(fā)電機(jī)組進(jìn)排風(fēng)量的需要，如果進(jìn)排風(fēng)口面積無法滿足進(jìn)排風(fēng)量的要求，需采取增加軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制進(jìn)排風(fēng)的措施，然后再考慮降噪的要求。

（2）增加發(fā)動機(jī)的有效散熱

      水冷發(fā)動機(jī)的散熱水箱一般按環(huán)境溫度40℃配置。在極端高溫環(huán)境，必須增大散熱水箱的散熱量，可選配50℃或55℃散熱水箱。由于散熱量增大，水箱風(fēng)扇消耗的功率也相應(yīng)增大，使發(fā)動機(jī)的輸出功率減少，這一點在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組溫度折損時必須加以考慮。

      裝有渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)，一般都會考慮增加中冷器對增壓后的空氣進(jìn)行冷卻，以增加氣缸進(jìn)氣量。

      在高溫環(huán)境，可采取增加燃油冷卻器和潤滑油冷卻器的方法，來增加發(fā)電機(jī)組的散熱效果。目前已有四合一冷卻水箱產(chǎn)品，集成了缸體散熱、渦輪增壓器中冷、燃油冷卻和潤滑油冷卻4個功能，提高了發(fā)電機(jī)組在高溫環(huán)境的冷卻效果。

      同時，機(jī)房內(nèi)要對排煙管、波紋減振節(jié)、消聲器等發(fā)熱部件進(jìn)行隔熱包扎。對裝有罩殼的低噪聲發(fā)電機(jī)組，除了機(jī)箱內(nèi)對排煙管、波紋減振節(jié)進(jìn)行隔熱包扎以外，消聲器裝在水箱散熱器前面或外置裝在機(jī)箱外，以利于散熱。啟動蓄電池安裝在進(jìn)風(fēng)通道溫度較低的地方。

 

圖1  高原型集裝箱柴油發(fā)電機(jī)組外罩形狀

圖2  高原型集裝箱柴油發(fā)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

3、高溫環(huán)境柴發(fā)的功率折損

       當(dāng)環(huán)境條件與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同時，發(fā)電機(jī)組功率應(yīng)進(jìn)行修正見第1章相關(guān)內(nèi)容，同時由于設(shè)計的不同，各品牌柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的輸出功率的修正參數(shù)也不一致；同一品牌，不同型號、不同調(diào)速系統(tǒng)，其修正的參數(shù)也有區(qū)別。一般要以原柴油機(jī)生產(chǎn)廠家的修正參數(shù)為準(zhǔn)。通常可按照環(huán)境溫度超過40℃時，每升高5℃，輸出功率下降3％～4％來進(jìn)行功率損失的計算，但要注意的是，有些廠家的發(fā)電機(jī)組標(biāo)稱功率是基于環(huán)境溫度20℃時的輸出功率。圖3和圖4分為康明斯發(fā)電機(jī)組在高原下備用功率、常用功率的修正曲線圖。

 

圖3  康明斯發(fā)電機(jī)組高原備用功率下降曲線（50HZ）

圖4  康明斯發(fā)電機(jī)組高原常用功率下降曲線（50HZ）

 

二、極端低溫條件下的柴發(fā)應(yīng)用

 

1、低溫環(huán)境對柴發(fā)的影響

      低溫環(huán)境對柴油發(fā)電機(jī)組的影響主要是啟動困難。柴油發(fā)電機(jī)組順利啟動的必備條件有：首先，燃油與空氣在氣缸內(nèi)要形成一定數(shù)量的可燃混合氣體，其次氣缸內(nèi)的混合氣體要達(dá)到可燃點，最后著火溫度要保持足夠長的時間。這三個條件缺一不可，然而在低溫條件下，受很多因素的影響，導(dǎo)致啟動條件不滿足，柴油機(jī)難以啟動成功。低溫條件對柴油機(jī)啟動的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）柴油機(jī)著火困難，環(huán)境溫度低，氣缸套、活塞等零件溫度降低，進(jìn)入氣缸的空氣溫度降低，使柴油機(jī)在冷啟動時壓縮終點，氣缸內(nèi)壓力降低，溫度達(dá)不到柴油著火溫度，造成冷啟動困難。

（2）啟動阻力增大，冷機(jī)啟動時，潤滑油黏度大，流動性能變差，曲軸與軸瓦等摩擦機(jī)件之間的潤滑不良，摩擦阻力增大，使啟動阻力力矩增大。

（3）蓄電池容量下降，蓄電池容量會隨著環(huán)境溫度的降低而下降。研究表明，普通鉛酸蓄電池在-40℃時，電解液黏度比0℃增加了3～4倍，電阻率與常溫相比增加7倍，容量只有原來的1/5。此外，蓄電池的充電能力也會隨著氣溫的降低而下降。在正常情況下，剩余電量為50％的蓄電池經(jīng)過6h的充電，可達(dá)到額定容量，而在-10℃時，同樣放電的蓄電池，只能充電到60％的額定容量。

      另外，低溫條件下，電器元件中的線圈電阻會降低，線圈吸合需要的安匝數(shù)增加較大，導(dǎo)致觸頭容易彈跳，降低了電器機(jī)械壽命，容易出現(xiàn)誤報警和誤操作，使整個系統(tǒng)的可靠性降低。控制模塊的液晶顯示屏在-40℃出現(xiàn)黑屏，控制系統(tǒng)無法正常工作。

2、改善柴發(fā)冷啟動性能的措施

（1）輔助加熱措施

      輔助加熱措施是柴油發(fā)電機(jī)組冷啟動的最常用方法，分為進(jìn)氣預(yù)熱、火焰預(yù)熱、水套加熱器、燃油加熱器和機(jī)油加熱器等。

① 進(jìn)氣預(yù)熱裝置

      在進(jìn)氣歧管內(nèi)安裝進(jìn)氣預(yù)熱裝置以提高進(jìn)氣溫度，可采用PTC陶瓷加熱器對進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱。PTC陶瓷加熱器（外形結(jié)構(gòu)如圖5所示）具有熱效率高、電功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、自動控溫、發(fā)熱低、不易氧化和使用壽命長等優(yōu)點。發(fā)電機(jī)組在-40℃的低溫環(huán)境也能啟動成功。

② 火焰預(yù)熱裝置

      火焰預(yù)熱啟動裝置一般由電子控制器、電磁閥、溫度傳感器、火焰預(yù)熱塞及油管和導(dǎo)線等幾部分組成，系統(tǒng)如圖6所示。工作過程是：先將電熱塞加熱到850～950℃，然后接通啟動電機(jī)，電磁閥自動打開油路，通過油管向電熱塞供油，最后進(jìn)行火焰預(yù)熱啟動。

③ 水套加熱器

      在冷卻系統(tǒng)中，安裝水套加熱器以提高冷卻液溫度，水套加熱器能把加熱到45～50℃的冷卻液循環(huán)到發(fā)動機(jī)的缸體水套，使發(fā)動機(jī)處于暖機(jī)狀態(tài)。

④ 燃油和機(jī)油加熱器

      在燃油系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)加裝燃油加熱器和潤滑油加熱器，以此加熱發(fā)動機(jī)，提高發(fā)電機(jī)組的冷啟動性能。

（2）低溫型蓄電池

      在極寒地區(qū)，啟動電池采用卷繞式蓄電池，這種蓄電池采用螺旋卷繞技術(shù)，板柵合金也由全新的鉛合金取代了平板電瓶的鉛鈣合金，其極板之間的間隙極小，酸是固體酸，并能被玻璃纖維網(wǎng)所吸附，結(jié)構(gòu)緊密，在低溫下，沒有液態(tài)酸可冰凍，因此電流輸出下降較少。啟動電流是普通電瓶的3倍；啟動時間最快為0.6s，具有平穩(wěn)的高輸出電壓、更高的能量密度。使用壽命通常為普通平板電瓶的1.5倍以上。

（3）低溫油料和冷卻液

      使用與環(huán)境溫度相適應(yīng)的低溫柴油、冷卻液、低溫潤滑油。一般低溫柴油、低溫潤滑油、冷卻液的標(biāo)號至少要比環(huán)境溫度低5℃以上。

（4）防潮加熱器

      在電控系統(tǒng)的電控箱加裝防潮加熱器，以改善電控系統(tǒng)的低溫條件。

 

圖5  柴油機(jī)PTC陶瓷加熱器

圖6  柴油機(jī)火焰預(yù)熱系統(tǒng)

 

總結(jié)：

      根據(jù)以上所述，我們得知當(dāng)在高原地區(qū)使用時，由于空氣稀薄不能象在海平面高度那樣燃燒那么多的燃料而損失一些功率，對于自然進(jìn)氣的發(fā)動機(jī)，一般海拔每升高 300m 功率損失約 3％~4%左右。因此，在高原工作時，柴油發(fā)電機(jī)組必須選用常用功率的，不能選備用功率的柴油發(fā)電機(jī)，否則有可能達(dá)不到自身設(shè)備啟動時所需的功率，從而造成損失。另外，由于高原柴油發(fā)電機(jī)組使用地的特殊性，要經(jīng)常更換它的空氣濾芯，機(jī)油濾芯和柴油濾芯，以保證發(fā)電機(jī)組的最大輸出功率。

 

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