關(guān)注：
1.前言
在高原，由于環(huán)境因素的變化，導(dǎo)致工程機(jī)電裝備的實(shí)際使用條件與原設(shè)計(jì)條件產(chǎn)生了較大的差異，致使工程機(jī)電裝備的性能及可靠性嚴(yán)重下降，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)造成了持續(xù)不斷的損失。因此，加強(qiáng)工程機(jī)電裝備高原環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，對(duì)發(fā)展高原型工程機(jī)電裝備是必不可少的。
柴油發(fā)電機(jī)組，廣泛地應(yīng)用于我國(guó)高原地區(qū)礦山、交通、建筑、農(nóng)田、水利等工程施工部門。目前我國(guó)生產(chǎn)的普通型柴油發(fā)電機(jī)組，只適用于海拔1000m以下。根據(jù)GB/T2819規(guī)定，在海拔1000m以上、3000m以下，采用功率修正的辦法。受高原特殊環(huán)境條件的影響，機(jī)組原動(dòng)機(jī)功率下降，油耗增加，熱負(fù)荷上升，對(duì)機(jī)組功率及主要電氣參數(shù)產(chǎn)生較大影響；即使是強(qiáng)化增壓型機(jī)組，由于原動(dòng)機(jī)受高原條件影響的實(shí)質(zhì)并未改變，只是性能下降幅度有所減小，問題依然存在。機(jī)組油耗率、熱負(fù)荷升高和可靠性的下降給用戶和國(guó)家造成的經(jīng)濟(jì)損失每年可達(dá)億元，嚴(yán)重影響高原地區(qū)的社會(huì)效益和部隊(duì)軍事裝備保障的有效性；動(dòng)力性的下降，致使機(jī)組在使用時(shí)應(yīng)有的負(fù)荷能力下降，造成設(shè)備和電網(wǎng)因電力供應(yīng)不足，無法達(dá)到應(yīng)有的工作和生產(chǎn)能力。
本文從理論分析出發(fā)，結(jié)合實(shí)例，來探討高原環(huán)境對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組性能的影響及其對(duì)策措施。
2.機(jī)組性能隨海拔高度變化的機(jī)理
(1)海拔高度變化對(duì)發(fā)電機(jī)組性能的影響
機(jī)組12h標(biāo)定輸出的電功率與柴油機(jī)輸出功率間的關(guān)系為：
P＝η1.η2.η3.Nb
�。�ηz.Nb
�。�ηz.Mf.nb
其中P——電機(jī)輸出的額定電功率(kW)
η1——柴油機(jī)（軸輸出功率/額定功率）的輸出功率拆合系數(shù)η1＝Nf/Nb
Nf——飛輪輸出功率Nf＝Nb－△N
△N——輔件消耗功率(kW)
η2——傳動(dòng)效率
η3——發(fā)電機(jī)效率
ηz——機(jī)組總效率ηz＝η1.η2.η3
Nb——柴油機(jī)標(biāo)定功率(kW)
Mf——額定點(diǎn)飛輪輸出扭矩Mf＝Nf/nb(N.m)
nb——標(biāo)定功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速(r/min)
因?yàn)椋篜＝IUcosφ
其中：I——發(fā)電機(jī)電流(A)
U——發(fā)電機(jī)額定電壓(V)
cosφ——功率因數(shù)
所以電站輸出電流：
I＝Mfnbηz/Ucosφ
由于nb、ηz作為固有特性，屬于與海拔高度無關(guān)的參數(shù)，電壓U可通過電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置保持常數(shù)，功率因數(shù)cosφ只與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載相同的情況下，cosφ為常數(shù)。因此，機(jī)組的輸出電流是以柴油機(jī)輸出功率(或扭矩)為自變量的函數(shù)，并且基本上呈線性關(guān)系I＝f(Mf)＝αMf。而功率(或扭矩)又是以海拔高度為自變量的函數(shù)，即：I＝f(H)，其中H為海拔高度變化參數(shù)。由此可見，機(jī)組的輸出電流將隨海拔高度的變化而變化。海拔升高，機(jī)組的功率即輸出電流下降、油耗率上升，這種影響還不同程度地要波及到電氣性能指標(biāo)。
因此，要解決因高原環(huán)境引起的柴油發(fā)電機(jī)組電功率下降問題，首先要解決原動(dòng)柴油機(jī)的功率下降問題。通過功率恢復(fù)型增壓中冷等一系列高原適應(yīng)性成套技術(shù)措施，有效地恢復(fù)機(jī)組原動(dòng)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、熱平衡性及低溫起動(dòng)性能，從而使機(jī)組電氣性能恢復(fù)到原有水平，并將在較寬海拔高度范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。
(2)高原型機(jī)組主要電氣性能指標(biāo)的變化分析
�、欧�(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率δu
δu＝│(u1－u)/u│×100％
其中：u——空載整定電壓(V)
u1——負(fù)載變化后的穩(wěn)定電壓最大值或最小值(V)，按相對(duì)于空載整定電壓差值大的計(jì)
一般柴油發(fā)電機(jī)組都具有恒壓裝置，所以其變化程度應(yīng)與低海拔地區(qū)相同。
�、品�(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率δf
δf＝│(f1－f0)/f│×100％
其中：f1——負(fù)載變化后的穩(wěn)定頻率最大值或最小值(Hz)
f0——額定負(fù)載時(shí)的頻率(Hz)
f──額定頻率(Hz)
機(jī)組的頻率是由其本身結(jié)構(gòu)決定的，頻率的變化與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。由于柴油機(jī)的調(diào)速器為機(jī)械離心式，其工作性能不受海拔高度變化的影響，所以穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率的變化程度應(yīng)與低海拔地區(qū)相同。
�、撬矐B(tài)電壓調(diào)整率δus與瞬態(tài)頻率調(diào)整率δfs?
δus?＝│(us－u)/u│×100％
δfs?＝│(fs－f2)/f│×100％
其中：us——負(fù)載變化時(shí)的瞬時(shí)電壓最大值或最小值(V)，按相對(duì)于空載整定電壓差值大的計(jì)算
fs——負(fù)載變化時(shí)的瞬時(shí)頻率最大值或最小值(Hz)
f2——負(fù)載變化前的頻率(Hz)
負(fù)載的瞬時(shí)變化，必將引起柴油機(jī)扭矩的瞬時(shí)變化，而柴油機(jī)的輸出功率不會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化。由公式Nb＝1.04×10-4Mf•nb，可知柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩成反比，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速也將發(fā)生瞬時(shí)變化，這樣發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也將發(fā)生瞬時(shí)變化，由此而產(chǎn)生了瞬時(shí)電壓Us與瞬時(shí)頻率fs。一般來說，這兩個(gè)指標(biāo)不受海拔高度的影響，但對(duì)于增壓型機(jī)組，由于增壓器響應(yīng)速度的滯后影響了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度，這兩個(gè)指標(biāo)有所升高。
�、入妷悍�(wěn)定時(shí)間與頻率穩(wěn)定時(shí)間
負(fù)載的突變引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，通過調(diào)速器使燃油供油量向相反的方向變化，從而使柴油機(jī)回到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，也改變了柴油機(jī)的輸出功率。同樣，對(duì)于自然吸氣的柴油機(jī)來講，海拔高度的變化不會(huì)影響這兩個(gè)指標(biāo)。但對(duì)于增壓型柴油機(jī)，由于供油量的改變，可燃混合氣體的比例也發(fā)生變化，排出的廢氣壓力也隨之變化，這樣經(jīng)過廢氣渦輪增壓的空氣量也發(fā)生變化，由于增壓機(jī)較非增壓機(jī)在動(dòng)力響應(yīng)上有一定的滯后，將使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間延長(zhǎng)，即電壓穩(wěn)定時(shí)間與頻率穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，但這種變化將不會(huì)有太大影響。
�、呻妷翰▌�(dòng)率δub與頻率波動(dòng)率δfb 
其中：UBmax——負(fù)載不變時(shí)的最高電壓(V)
UBmin——負(fù)載不變時(shí)的最低電壓(V)
UBmax和UBmin取同一負(fù)載下同一次測(cè)量的最大值和最小值
fBmax——負(fù)載不變時(shí)的最高頻率(Hz)
fBmin——負(fù)載不變時(shí)的最低頻率(Hz)
fBmax和fBmin取同一負(fù)載下同一次測(cè)量的最大值和最小值。
這兩個(gè)指標(biāo)用來考查機(jī)組本身的原因?qū)敵鲭妷杭邦l率的影響。由于機(jī)組恒壓裝置和調(diào)速器的穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用，這兩個(gè)參數(shù)不會(huì)隨海拔高度而變化。但對(duì)于增壓型機(jī)組來說，由于增壓系統(tǒng)對(duì)進(jìn)排氣的輔助調(diào)節(jié)作用，這兩個(gè)指標(biāo)應(yīng)趨于減小。
3.實(shí)際影響
表1是我們對(duì)75GT11柴油發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)(A)6135D所作的平原、高原對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從中可以看出，隨海拔升高，機(jī)組輸出功率將顯著下降，而油耗率、排溫上升，排放狀況惡化。負(fù)載越大(50～110％)，影響尤甚。
表1(A)6135D柴油機(jī)高原性能變化試驗(yàn)結(jié)果
項(xiàng)目
參數(shù)
海拔
≤500m
2206m
3860m
標(biāo)定值
實(shí)測(cè)值
變化率%
實(shí)測(cè)值
變化率%
自然吸氣
最大供油時(shí)功率kW
117
96.75
-17.3
81.75
-30.1
額定點(diǎn)油耗率g/kW.h
≤227
263.64
16.1
327.43
+44
額定點(diǎn)排溫℃
470℃
550℃
17
630℃
+34
額定點(diǎn)煙度RB
≤3.0
3.5
6.0
50%負(fù)載時(shí)油耗率g/kW.h
257
259
0.7
259
+0.7
4.對(duì)策措施
根據(jù)分析研究，我們提出以下解決措施：
(1)功率恢復(fù)型增壓技術(shù)
功率恢復(fù)型增壓主要是對(duì)非增壓柴油機(jī)在高原功率下降的情況下采取的增壓措施，它通過增壓供氣，增加氣缸的充氣密度，以提高過量空氣系數(shù)，達(dá)到缸內(nèi)燃油充分燃燒、恢復(fù)平均有效壓力的目的，使其功率恢復(fù)到原機(jī)低海拔標(biāo)定水平，期間其供油量保持不變。因此，良好的增壓匹配是機(jī)組性能恢復(fù)最重要的技術(shù)關(guān)鍵。
(2)中冷措施
進(jìn)氣經(jīng)增壓后，其溫度隨壓力同時(shí)升高，影響進(jìn)氣密度及功率恢復(fù)，并造成熱負(fù)荷和排溫的急劇升高，進(jìn)一步影響到可靠性。采用中間冷卻裝置對(duì)增壓進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，有利于降低熱負(fù)荷，并進(jìn)一步提高功率，其與增壓措施的配合是提高功率和可靠性的關(guān)鍵一環(huán)。
(3)熱平衡控制
增壓恢復(fù)功率后，原機(jī)冷卻系統(tǒng)已不能滿足要求。原因在于高原環(huán)境下，空氣密度下降，冷卻水沸點(diǎn)降低，如若采取水中冷措施，更增加了新的熱源，為此需重新調(diào)整選配合適的水箱和風(fēng)扇參數(shù)，使柴油機(jī)熱平衡得到合理控制。
(4)增壓型空氣濾清系統(tǒng)
柴油機(jī)增壓時(shí)供氣量將增加，尤其針對(duì)高原沙塵大的特點(diǎn)，要求空濾器應(yīng)盡可能具有效率高、阻力小、流量大、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、成本低、保養(yǎng)易等特點(diǎn)。
(5)高原低溫起動(dòng)
高原低溫起動(dòng)條件比較嚴(yán)酷。海拔4000m以內(nèi)極端溫度雖不是很低(-30℃)，但由于氣壓低，起動(dòng)時(shí)壓縮終點(diǎn)壓力及溫度不夠，以及增壓裝置對(duì)起動(dòng)進(jìn)氣的阻滯作用，因此使起動(dòng)狀況不佳。但對(duì)機(jī)組來講，有利的方面是起動(dòng)負(fù)荷相對(duì)較低，可在起動(dòng)后溫度上升至適當(dāng)狀況再加載。根據(jù)多年低溫起動(dòng)試驗(yàn)研究，考慮采用預(yù)熱起動(dòng)并輔以低溫電瓶組合措施。
(6)增壓潤(rùn)滑系統(tǒng)
增壓器是高溫、高速旋轉(zhuǎn)的部件，轉(zhuǎn)速高達(dá)105r/min，冷卻潤(rùn)滑極為重要，其油料需專用增壓油品，并同時(shí)適用柴油機(jī)系統(tǒng)。
5.試驗(yàn)結(jié)果
針對(duì)75GT11柴油發(fā)電機(jī)組，我們對(duì)其原動(dòng)機(jī)實(shí)施了增壓中冷恢復(fù)功率成套高原適應(yīng)性技術(shù)措施。經(jīng)海拔2206m、3860m實(shí)地試驗(yàn)研究，確定最佳方案如下：
(1)GJ80A增壓器匹配(A)6135D柴油機(jī)；
(2)采用水中冷措施，利用水箱回水作為介質(zhì)冷卻進(jìn)氣；
(3)實(shí)際散熱能力較原機(jī)增大20％；
(4)選用K2640X-1型空氣濾清器，其額定流量、濾清效率比原機(jī)大約40％；
(5)采用YJ-D14/2型起動(dòng)預(yù)熱加熱器和195D低溫電瓶；
(6)設(shè)計(jì)可靠的增壓器冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，主選試驗(yàn)油品為CD40級(jí)柴機(jī)油。
表2、表3是采取高原適應(yīng)性技術(shù)措施后原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組與改造前的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表2(A)6135D配GJ80A增壓中冷性能實(shí)測(cè)結(jié)果與對(duì)比
項(xiàng)目
參數(shù)
≤500m標(biāo)定值
海拔2206m
海拔3860m
恢復(fù)率％
CJ80A
匹配
最大供油功率kW
117
118.5
119
100~122
額定點(diǎn)油耗率g/kW.h
≤227
227.5
227
等同
額定點(diǎn)排溫％
470
407(460)
389(460)
-15.7
50%負(fù)載時(shí)油耗率g/kW.h
257
260
258
等同
額定點(diǎn)煙度RB
≤3.0
2.5
2.5
額定點(diǎn)壓比
/
1.51
1.66
表3高原型機(jī)組主要電氣性能指標(biāo)結(jié)果與對(duì)比
測(cè)試項(xiàng)目
原機(jī)鄭州實(shí)測(cè)值
高原實(shí)測(cè)值
高原型鄭州實(shí)測(cè)值
GB/T2819-95規(guī)定值
環(huán)境溫度(％)
27
11~22
23
海拔高度(％)
120
3860
120
大氣壓力(hPa)
1001.08
648
1007.75
絕緣電阻(MΩ)
6
5
穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率(%)
±4.1
±3.5
±2.6
±5
穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率(%)
±2.8
±3.2
±3
±5
瞬態(tài)頻率調(diào)整率(%)
±3.2
±8
±6
±10
頻率穩(wěn)定時(shí)間(s)
1.6
3.3
3.1
7
頻率波動(dòng)率(%)
±0.2
±0.19
±0.1
±1.0
電壓波動(dòng)率(%)
±0.05
0
±0.05
±1.5
功率因數(shù)
1.0
1.0
1.0
1.0
燃油消耗率(g/kW.h)
258.6
265
266
≤290
噪音(A)
101.87
101.9
表2、3可以看出，在實(shí)施增壓中冷等措施后，(A)6135D柴油機(jī)功率、油耗率得以很好的恢復(fù)，熱負(fù)荷得到有效地控制，75GT11柴油發(fā)電機(jī)組主要電氣性能指標(biāo)完全符合GB/T2819-95的規(guī)定。經(jīng)海拔3860m、84小時(shí)變載荷(0～110％)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)組工作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好。其低溫預(yù)熱起動(dòng)裝置在海拔2850m、-20℃環(huán)境條件下實(shí)地試驗(yàn)表明，起動(dòng)平穩(wěn)可靠。
6.結(jié)論
(1)試驗(yàn)證明，柴油發(fā)電機(jī)組隨海拔高度上升功率下降、油耗率上升、熱負(fù)荷升高，性能變化十分嚴(yán)重。
(2)實(shí)施增壓中冷功率恢復(fù)等高原適應(yīng)性成套技術(shù)措施后柴油發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)性能在海拔4000m可以恢復(fù)到原出廠值，對(duì)策措施是完全有效可行的。
責(zé)任編輯：Kelly
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