摘要：在高原地区，由于环境因素的变化，导致柴油发电机组的实际使用条件与普通平原地区设计条件产生了较大的差异，致使柴油发电机组的性能及可靠性严重下降，会给购买用户造成持续不断的损失。因此，加强柴油发电机组高原环境适应性技术的基础研究工作，对发展高原型柴油发电机组是必要的趋势。本文系统阐述高原气候环境特点、高原环境对柴油发电机组冷却系统、动力性能及其他性能的影响，并提出相应的解决措施，为高原型柴油发电机组的选型与使用提供技术参考。
一、高原气候环境特点
我国海拔超过1000 m的高原面积约为358万平方千米，约占国土面积的37%，其中具有代表性的有青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和云贵高原等。高原气候环境特点通过对高原气候特征的分析，可总结为如下几点：
（1）天气寒冷、昼夜温差大——高原地区气温随海拔升高而降低，昼夜温差可达20 ℃以上，冬季最低气温可降至-40 ℃以下。
（2）大气压力低、空气密度小、空气含氧量低——海拔每升高1000 m，大气压力降低约10 kPa，空气密度下降约10%，含氧量相应减少，这是影响柴油发电机燃烧和功率输出的核心因素。
（3）日照时间长，紫外线辐射强——高原地区日照时间较长，太阳辐射强度高，对设备表面的高分子材料（橡胶、塑料、油漆等）具有显著的老化加速作用。
（4）气候干燥，风沙强——高原地区空气相对湿度低，降水量少，且常有风沙天气，加剧了空气滤清器的负荷和机械部件的磨粒磨损。
（5）水的沸点低——海拔每升高1000 m，水的沸点约降低3.3 ℃，在海拔4000 m处沸点约87 ℃，水冷柴油发电机容易因“开锅”影响正常工作。
高原的气候特点可用“三低两强”来说明，即“气温低、气压低、空气含氧量低、紫外线强、风沙强”。
二、高原环境的影响
涡轮增压柴油发电机在高原地区工作时，大气条件的改变使柴油发电机的进气量、燃烧、热损失、机械效率、燃油消耗率等指标发生巨变，最终导致柴油发电机的机械负荷和热负荷状况与平原地区工作时截然不同。高原应用案例如图1、图2所示。
有关科研机构实验数据表明，对非增压柴油发电机，海拔高度每上升1000米，额定功率下降7%～12%，最低燃料消耗率增加2%～12%，排温升高4%～12%，缸盖温度升高7%，机体热强度上升2%～5%。对增压柴油发电机，海拔高度每上升1000 m，额定功率下降4%～7%，最低燃油消耗率增加3%～7%，涡轮前温度升高7%，缸盖温度升高7%，机体热强度上升1%～3%，涡轮增压器转速上升6%～8%。
1. 冷却系统的影响
柴油发电机在高原动力恢复后，机械负荷和热负荷增大，其中热负荷表现更为突出，热负荷增大是限制高原柴油发电机最大功率发挥的主要因素。随着海拔高度的上升，气压降低，水的沸点下降，水冷柴油发电机经常会因水箱“开锅”影响工作。一方面，由于可燃混合气浓度降低，燃烧速度减慢，引起后燃现象，排温增加，热负荷升高。另一方面，空气密度减小，风扇的质量流量下降，柴油发电机冷却效果变差。过高热负荷不但使柴油发电机性能下降，还易发生拉缸。既要控制后燃产生的热负荷升高，又要控制冷却系统因高原散热能力下降引起的温升。启动性能高原低温低压环境对柴油发电机的启动性能影响非常大，导致柴油发电机经常不能正常启动，而且冷机状态下强行启动会加剧缸套活塞等关键部件磨损。
2. 动力性能的影响
高原环境会引发柴油发电机动力性能下降，主要影响因素如下：
（1）温度较高导致功率下降，空气密度降低使每循环进气质量减少，燃烧室氧含量不足，燃烧不完全。
（2）水箱散热能力下降，空气密度降低使风扇质量流量减小，散热器散热效率下降，造成柴油发电机易于过热。
（3）进气充量减少，导致柴油发电机动力性下降。空气滤清器的作用是用于阻挡或滤除进气中的灰尘和杂质，以减少对气缸套、活塞环、活塞及气门等主要部件的磨损和故障，延长柴油发电机的使用寿命。沙漠地区空气的含尘密度高，空气滤清器滤清效率下降，进气阻力加大，进气量减少，导致功率进一步降低。
3. 其他性能的影响
（1）对启动性能的影响：高原或沙漠地区冬季或夜晚温度可低至-30 ℃以下。低温环境造成机油黏度增大、蓄电池容量下降，导致启动困难。在低气压条件下，压缩终点压力和温度不足，进一步恶化着火条件。
（2）对可靠性的影响：主要现象为空气滤清器堵塞频繁、机件磨损严重（因含尘空气和润滑条件恶化）及柴油发电机热负荷高等。
（3）对材料老化的影响：紫外线加速发电机组表面橡胶、塑料、油漆等高分子材料老化、龟裂，缩短使用寿命。
（4）对电气性能的影响：高原环境对低压电器产品的影响主要体现在温升、绝缘性能、接通能力和分断能力、产品动作性能、电寿命以及对PLC的干扰等方面。低气压使空气绝缘强度降低，电气间隙和爬电距离的安全裕度下降。
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图1 柴油发电机组在高原应用案例一 |
图2 柴油发电机组在高原应用案例二 |
三、解决措施
1. 功率恢复型增压技术
功率恢复型增压主要是对非增压柴油机在高原功率下降的情况下采取的增压措施，它通过增压供气，增加气缸的充气密度，以提高过量空气系数，达到缸内燃油充分燃烧、恢复平均有效压力的目的，使其功率恢复到原机低海拔标定水平，期间其供油量保持不变。因此，良好的增压匹配是发电机组性能恢复最重要的技术关键。增压器选型时，应选择压气机流量范围宽、高效率区大的增压器，以保证在高原低进气密度条件下仍能提供足够的增压压力和空气流量。
2. 中冷措施
进气经增压后，其温度随压力同时升高，影响进气密度及功率恢复，并造成热负荷和排温的急剧升高，进一步影响到可靠性。采用中间冷却装置对增压进气进行冷却，有利于降低热负荷，并进一步提高功率，其与增压措施的配合是提高功率和可靠性的关键一环。中冷器的设计应考虑高原低气压条件下的散热效率，适当加大散热面积，确保中冷后进气温度低于50 ℃。
3. 热平衡控制
增压恢复功率后，原机冷却系统已不能满足要求。原因在于高原环境下，空气密度下降，冷却水沸点降低，如若采取水中冷措施，更增加了新的热源，为此需重新调整选配合适的水箱和风扇参数，使柴油机热平衡得到合理控制。具体措施包括：加大散热器散热面积（增大10%～20%）、选用流量和压头更高的风扇、提高散热器盖压力阀开启压力（以提升冷却液沸点）等。
4. 增压型空气滤清系统
柴油机增压时供气量将增加，尤其针对高原沙尘大的特点，要求空滤器应尽可能具有效率高、阻力小、流量大、寿命长、体积小、重量轻、成本低、保养易等特点。推荐采用两级过滤系统：第一级为旋风预滤器（利用离心力分离较大颗粒），第二级为高效纸质滤芯。在风沙严重的地区，应缩短空滤器的保养更换周期至平原地区的1/2～1/3。
5. 高原低温起动
高原低温起动条件比较严酷。海拔4000 m以内温度虽不是很低（-30 ℃），但由于气压低，起动时压缩终点压力及温度不够，以及增压装置对起动进气的阻滞作用，因此使起动状况不佳。但对机组来讲，有利的方面是起动负荷相对较低，可在起动后温度上升至适当状况再加载。根据多年低温起动试验研究，考虑采用预热起动并辅以低温电瓶组合措施。具体措施包括：
（1）安装进气预热装置（电热塞或火焰预热器），在起动前预热进气15～30秒；
（2）使用低温性能良好的蓄电池（如螺旋卷绕式蓄电池，可在-40 ℃正常工作）；
（3）加装冷却液加热器和机油加热器，保持机体温度不低于15 ℃；
（4）选用低温流动性好的多级机油（如5W-40或0W-40）。
6. 增压润滑系统
增压器是高温、高速旋转的部件，转速高达10^5 r/min以上，冷却润滑极为重要，其油料需增压专用油品，并同时适用柴油机系统。应选用高性能的CI-4或更高级别的机油，并缩短换油周期至平原地区的70%～80%。同时，应检查增压器回油管是否畅通，防止因回油不畅导致增压器轴承烧毁。
7. 电气系统适应性措施
（1）对低压电器元件进行高原适应性选型，选用绝缘性能更好、温升裕度更大的产品。
（2）适当增大电气间隙和爬电距离，按照海拔修正系数对绝缘距离进行放大。
（3）控制柜内增加散热措施，防止因空气密度降低导致自然散热能力下降而引起的元器件温升超标。
总结
高原地区特有的“三低两强”环境特征对柴油发电机组的冷却系统、动力性能、启动性能、可靠性和材料寿命等方面均产生显著影响。海拔每升高1000 m，非增压柴油机功率下降7%～12%，增压柴油机功率下降4%～7%，热负荷和油耗率同步上升。针对上述问题，应采取功率恢复型增压、中冷措施、热平衡控制、增压型空气滤清系统、高原低温起动及增压润滑系统等综合适应性技术措施。康明斯在高原地区的试验表明，实施增压中冷功率恢复等成套技术措施后，柴油发电机组在海拔4000 m处各项技术性能可以恢复到原出厂标定值，证明上述对策措施完全有效可行。在高原型发电机组的选型和使用中，应优先选择已进行高原适应性设计的机组，并严格按照高原使用规范进行维护保养，以保障机组在高原环境下的可靠性和使用寿命。
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