应急柴油发电机组柴油机功率计算与千瓦数选型规范

技术支持/康明斯 Cummins

发布时间：2023-03-31 03:22:07 ▏阅读：次

摘要：为满足应急发电机组在海洋平台、数据中心、医院等关键场所的特殊供电要求，500 kW以下应急发电机组原动机选用四冲程、涡轮增压、直列式柴油机，500 kW以上应急发电机组原动机选用四冲程、涡轮增压、V型柴油机。柴油机的选型须依次完成额定功率计算、非标准环境条件下的功率修正以及突加负载能力校核，最终确定满足用户常载功率配备和突加负载功率输出要求的匹配方案。本文系统阐述应急发电机组用柴油机的关键技术要求、额定有效功率计算方法、非标准条件下的功率修正流程及突加负载计算公式，为应急发电机组的柴油机选型提供完整的技术依据。

一、柴油机的关键技术要求

应急发电机组作为应急电源系统的核心设备，其配套柴油机必须满足一系列严格的技术性能要求，以确保在紧急情况下能够可靠启动、快速带载并持续稳定运行。选型时应遵循的标准和规范包括《GB/T 6072-2008 往复式内燃机性能》、《GB/T 2820-1997 往复式内燃机驱动的交流发电机组》以及中国船级社（CCS）和ABS等相关规范。这些标准和规范对平台应急发电用柴油机性能提出了全面而严格的要求，选型时应逐项予以满足。典型机组外形线框如图1所示，结构如图2所示。

1. 额定外输电力能力

在海洋平台等特殊应用场景中，应急柴油发电机组应具备提供额定外输电力的能力，确保在紧急情况下能够为关键负载（如应急照明、通信设备、消防泵、逃生指示系统等）持续、稳定地供电，不得因机组自身原因导致输出功率不足或供电中断。

2. 短时超载运行能力

柴油机每运行12小时，至少可在其额定功率的110%下连续运行1小时。这一要求旨在确保机组能够应对短时超载工况（如大功率电动机启动时的电流冲击、多台设备同时投入时的功率叠加等），为应急供电提供必要的功率裕量，避免因瞬时过载导致机组跳闸或停机。

3. 制动平均有效压力限制

应急发电机组用柴油机工作时的额定制动有效压力不应超过以下限值：二冲程柴油机1020 kPa；四冲程柴油机1207 kPa；四冲程中间冷却（增压中冷）柴油机1608 kPa。该限值旨在控制柴油机的热负荷和机械负荷在安全范围内，防止因过高燃烧压力导致缸盖、活塞、连杆等关键部件过早出现热疲劳裂纹或机械损伤，确保机组在应急工况下的长期可靠性和使用寿命。

4. 额定转速要求

应急柴油机的额定转速应为1500 r/min，以匹配50 Hz电网频率的要求（对于四极发电机，同步转速 $n = 60 f / p = 60 \times 50 / 2 = 1500$ r/min）。这一固定转速要求保证了发电机输出频率的稳定性，满足应急负载对电源频率精度的要求。

5. 快速启动与带载能力

应急柴油机应能在规定环境条件下45秒内达到发电机组额定功率运行状态。这一要求涵盖从启动指令发出、蓄电池投入、起动机啮合、燃油系统建立压力、发动机点火、升速至额定转速、发电机建压至额定电压，到主开关合闸向负载供电的全部过程，充分满足应急电源快速投入的严格要求。

6. 一次加载能力

对于非涡轮增压的应急柴油机，最大允许的一次加载量等于使用功率（即100%额定功率）。对于涡轮增压的应急柴油机，一次加载量随与使用功率相对应的制动平均有效压力的变化而改变，具体能力需根据增压器响应特性和调速器性能通过计算或试验确定。这一要求直接影响机组在突加负载时的频率跌落和恢复时间。

7. 输出功率的综合考虑

匹配的柴油机输出功率应综合考虑以下三个方面的功率需求：发电机组的额定输出功率（即发电机端子上应输出的有效功率）；必要的独立辅助设备（如冷却风扇、润滑油泵、燃油输送泵、缸套水加热器等）消耗的电功率；交流发电机本身的功率损失（铜损、铁损、机械损耗等）。三者之和构成柴油机输出功率的基本需求。

8. 双套独立启动能源

应为应急柴油机配备两套独立的启动能源（如两组蓄电池、蓄电池+压缩空气启动系统，或蓄电池+液压启动装置），每一套应能提供至少3次冷启动而无需补充能量或重新充能，且在最低环境温度条件下每间隔15秒可启动一次。两套启动能源相互独立、互为备用，任一套失效时另一套仍能独立完成启动任务，确保在各种紧急情况下的启动可靠性。

9. 表面温度限制

柴油机暴露的表面（如排气管、增压器壳体、缸盖等）最高温度不应超过60 ℃，以防止烫伤操作人员，并满足海洋平台、石化场所等对高温表面有严格限制的消防安全要求。这一要求通常通过加装隔热护罩、保温层或采用热屏蔽措施来实现。

10. 其他系统要求

除上述核心要求外，应急柴油机还应满足以下附加技术要求：配备独立的润滑系统和冷却系统，不依赖外部公用工程；燃油系统应具备足够容量，保证在额定负载下连续运行至少8小时；控制系统应具备手动和自动两种启动模式，并配有完善的保护功能（低油压、高水温、超速等）；机组应配备有效的减振装置，将振动传递控制在可接受范围内。

应急柴油发电机线框图.png

图1 应急柴油发电机线框图

应急柴油发电机组结构示意图.png

图2 应急柴油发电机组结构示意图

二、柴油机功率计算与选择

1. 柴油机额定有效功率计算

应急发电机组采用三相无刷同步交流发电机，发电机额定发电功率不小于设计发电功率 $P$ ，额定功率因数0.8，额定频率50 Hz，额定转速1500 r/min，匹配四冲程、涡轮增压中冷、压燃式柴油机。柴油机的输出功率须考虑与发电机匹配时的功率损失（包括发电机效率和附件消耗）。

发电机组的功率是指在除去必要的独立辅助设备消耗的电功率之外，在发电机组端子处可输出的有效功率。

应急发电机组配套过程中，柴油机额定功率与发电机组输出功率的匹配比一般在1.1～1.18之间。按照式（1）进行柴油机现场额定功率的初选：

$P_{x} \geq \frac{P_{n} / η + P_{\int}}{K_{1}} ....................(1)$

式中：

$P_{x}$ —— 柴油机现场额定功率，kW；

$P_{n}$ —— 发电机额定功率，kW；

$η$ —— 发电机效率，一般在0.95～0.97之间；

$P_{\int}$ —— 柴油机附件消耗功率（如冷却风扇、机油泵、燃油泵等），kW；

$K_{1}$ —— 柴油机功率修正系数，连续工作时间小于12小时时一般取1.0，长期连续运行一般取0.9。

由于柴油机在选配之前，其附件的消耗功率通常为未知量，因此可按式（2）先进行额定有效功率的初步计算，在柴油机型号初步选定后再进行功率的详细核算：

$P_{x} \geq \frac{P_{n}}{η \cdot K_{1}} ....................(2)$

2. 非标准条件下柴油机功率修正

柴油机的运行功率与环境条件密切相关。柴油机的额定功率通常为标准环境条件下（ISO 3046标准工况：大气压力100 kPa，环境温度25 ℃，相对湿度60%）测得。当运行环境偏离标准条件时，柴油机输出功率可能降低，因此须考虑功率修正。

须进行功率修正的环境参数包括：

（1）现场大气压力（若无通用压力数据，可用海拔高度数据替代）；
（2）年最热月和最冷月的最高与最低气温月平均值；
（3）发动机周围的最高和最低环境空气温度；
（4）最高温度条件下的相对湿度（或水蒸气压力、湿/干球温度）；
（5）冷却水达到的最高和最低温度。

初选柴油机时，应根据使用环境条件与柴油机厂家沟通确认是否进行功率修正。若厂家推荐修正，则按GB/T 6072的相关规定计算修正后的所需功率；若厂家根据产品性能和实际应用不推荐修正，则可直接采用式（1）或（2）的计算结果进行选型。

现场环境功率与ISO标准功率的换算采用GB/T 6072.10.3.1中的公式：

$P_{r} = \frac{P_{x}}{α_{c}} ....................(3)$

式中：

$P_{r}$ —— ISO标准功率，kW；

$P_{x}$ —— 柴油机现场额定功率，kW；

$α_{c}$ —— 环境修正系数。

环境修正系数 $α_{c}$ 的计算公式为：

$α_{c} = (\frac{P_{x}}{P_{r}}) \cdot {(\frac{T_{r}}{T_{x}})}^{m} \cdot {(\frac{T_{c r}}{T_{c x}})}^{s} \cdot {(\frac{P_{s r} - ϕ_{r} \cdot P_{s s r}}{P_{s x} - ϕ_{x} \cdot P_{s s x}})}^{n} \cdot (\frac{1 - k}{1 - k \cdot η_{m}})$

式中各参数定义如下：

$k$ —— 指示功率比；

$η_{m}$ —— 柴油机机械效率（由厂家指定，如未指定取0.8）；

$P_{r}$ —— 标准基准总气压，kPa；

$P_{x}$ —— 当地环境总气压，kPa；

$ϕ_{r}$ —— 标准基准状况下的相对湿度；

$ϕ_{x}$ —— 当地环境条件下的相对湿度；

$P_{s r}$ —— 标准基准饱和蒸汽压，kPa；

$P_{s x}$ —— 现场环境饱和蒸汽压，kPa；

$T_{x}$ —— 当地环境温度，K；

$T_{r}$ —— 标准基准温度，K；

$T_{c x}$ —— 现场环境增压中冷介质绝对温度，K；

$T_{c r}$ —— 标准状况下增压中冷介质绝对温度，K；

$α, m, n, s$ —— 与发动机类型有关的系数（由GB/T 6072.1表2查取）。

根据目标柴油机的结构类型，由GB/T 6072.1中表2查取 $α$ 、 $m$ 、 $n$ 、 $s$ 等参数值；根据GB/T 2820.1第12条和GB/T 6072中表B.1查取饱和蒸汽压等相关数据；进而计算指示功率比 $k$ 和环境修正系数 $α_{c}$ ，最终获得修正后的最小柴油机标准额定功率值。所选柴油机的标准额定功率应大于该修正值。

在柴油机型号确定后，确定或估计柴油机附属构件（主要为散热风扇、冷却水泵等）的消耗功率 $P_{\int}$ ，按下式进行功率核算：

$η \cdot (K_{1} \cdot α_{c} \cdot P_{r} - P_{\int}) \geq P_{n} ....................(4)$

3. 柴油机突加负载能力计算

柴油机不仅须满足常载额定功率要求，还须满足突加负载对发电机组功率的瞬时需求。突加负载能力主要与柴油机的调速性能和增压器响应特性有关。

CCS规范9.7.10.1要求：“对于应急发电机组初次突加的负荷，应不小于规定的总应急负荷。”ABS规范要求：当所有自动连接的应急突加负载总和超过发电机组满负荷的50%时，按实际负载作为首次加载载荷；若不超过50%，则按50%进行突载试验。

GB/T 13032-91中5.9条规定：应急发电机组应能突卸、突加100%额定负载。为此柴油机的突加负载功率要求须满足：

$η \cdot (ε \cdot K_{1} \cdot α_{c} \cdot P_{r} - P_{\int}) \geq w \cdot P_{n} ....................(5)$

式中：

$ε$ —— 标准工况下的发电机组突加负载百分比（与柴油机制动平均有效压力有关）；

$w$ —— 突加负载百分比（依据CCS、ABS或GB/T 13032确定）。

根据GB/T 2820.2中5.2规定，发电机组在额定功率和频率下突加负载特性与柴油机的制动平均有效压力（ $P_{m e}$ ）有关。 $ε 值可由柴油机生产厂提供；在厂商无法提供时，可根据GB/T 2820.5中给出的制动压力与加载关系确定$ $ε$ 值。

柴油机制动平均有效压力 $P_{m e}$ 的计算公式为：

$P_{m e} = \frac{k \cdot P}{V_{s t} \cdot n_{r}} ....................(6)$

式中：

$P_{m e}$ —— 平均制动有效压力，kPa；

$k$ —— 参数，四冲程柴油机取 $1.2 \times 10^{5}$ ，二冲程柴油机取 $0.6 \times 10^{5}$ ；

$P$ —— 柴油机额定功率，kW；

$V_{s t}$ —— 柴油机工作容积（总排量），cm³；

$n_{r}$ —— 标定转速，r/min。

当柴油机达不到一次突加负载的要求时，根据GB/T 2820.12中7.1规定，可采用以下调整措施：采取附加措施（如增大飞轮转动惯量）以改善瞬态响应；增加发电机组的额定功率（放大型号）；重新选配突载能力更强的柴油机；或调整启动逻辑，采用分步加载策略（分批投入负载）。

总结

应急柴油发电机组柴油机的选型与功率匹配是一项涉及额定功率计算、环境修正和突加负载校核的系统性工程。首先，通过式（2）初选柴油机额定有效功率，确保匹配比在1.1～1.18范围内；其次，根据实际环境条件（海拔、温度、湿度）按式（3）计算修正系数 $α_{c}$ ，校核柴油机在非标准条件下的可用功率，并按式（4）完成功率核算；最后，按式（5）校核突加负载能力，若达不到要求则通过增大飞轮转动惯量、增选机组容量或调整加载策略等措施予以解决。只有依次完成上述三个计算步骤，才能确保所选柴油机既满足常载额定功率输出要求，又满足突加负载时的瞬态功率要求，实现应急发电机组在各类紧急工况下的可靠供电。

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