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性能特点和作用说明 |
柴油发电机组的结构与特点 |
摘要：柴油发电机组主要由柴油机、同步发电机、油箱、控制系统四个部分组成，利用柴油为燃料，柴油内燃机组控制柴油在汽缸内有序燃烧，产生高温、高压的燃气，当燃气膨胀时推动活塞使曲轴旋转，产生机械能，通过传动装置带动同步交流发电机旋转，将机械能转换为电能输出，给各用电负载提供电源。例如康明斯柴油发电机以其坚固耐用性、稳定性、性能强劲、经济性而被众多企业所选择，成为其主要的电力来源。卓越的燃油效率是柴油发电机的主要优势，由于其出色的设计和压缩空气允许的效率，它们可以比相同功率的汽油、天然气等其他类型发电机运行更长的时间，提供更多的电力。
一、柴油发电机组的发展历史
柴油发电机组是一种能源转换设备（外形如图1所示），它是将热能（燃油通过燃烧）转化为机械能（发动机旋转），再将机械能转换为电能的设备，燃油是其原料，电能是其产品。1897年全世界第一台柴油发电机诞生于德国的奥格斯堡（Augsburg），是由MAN公司的创始人 Rudolf Diesel 发明的。目前，柴油机的英文名字即为创始人的姓名 Diesel。
从1897年第一台柴油发电机组诞生到现在的一百多年时间里，柴油发电机组的技术发展一直与柴油发动机的技术发展及控制技术的发展密切相关。前50年技术进步相对缓慢。后50年来随着柴油机技术水平的快速发展和机组控制技术的不断更新换代，柴油发电机组从20世纪60年代使用的手启动、机房固定安装的普通机组，到70年代研制成功了自启动机组，80年代研制成功了微型计算机控制的自动化无人值守机组，到90年代开始研制低噪声排放的机组，2000年后注重噪声和尾气排放环境保护。最近几年，随着云计算技术的发展，柴油发电机组智能控制也朝云监控方向发展。从而使柴油发电机组的技术装备水平不断提高，现代柴油发电机组具有灵活、方便、自动化程度高、噪声小和排放低等优点。随着科学技术的不断发展，一些新技术、新成果的应用使得现代柴油发电机组具有更高的适用性、可靠性、安全性以及良好的环保特性，将不断满足现代社会对柴油发电机组的更高要求。
作为一台发电机组，最重要就是柴油机动力部分（外形如图2所示）。柴油发动机则与汽油发动机不同，主要有两个原因。
（1）空气被单独压缩——这个过程不需要燃料，这允许更高水平的空气压缩，从而产生更高的燃料效率和更低的燃料成本。
（2）更多的压缩空气等于更热的空气。事实上，它产生了更热的空气，当添加柴油燃料时，点火是自动产生的。这意味着不需要单独的火花塞，并且减少了维护要求与次数，可以节省大量后期可能需要的维护费用。
现在，很多企业都倾向于配置柴油发电机，因为柴油发电机更可靠。事实上，自从鲁道夫·迪塞尔于1878年发明了柴油发动机，因为柴油发动机的效率极高，且柴油发动机比汽油、天然气发动机使用相同的体积的燃料，却能产生更高的效率与动力。时至今日，柴油发电机仍被认为是最高效、最具成本效益的选择，柴油发电机旨在在更长的时间里提供大量电力，而无需频繁停机。
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图1 柴油发电机组侧视图 |
图2 柴油发动机三维模型图 |
二、柴油发电机组的结构
柴油发电机组是一种机电一体化设备，它由柴油发动机、交流发电机和机组控制系统三大部件组成，包括前端的供油系统和后端的输配电系统，组成一个完整的电站系统。其技术涉及机械动力学、电学、自动化控制等各个领域。柴油发电机组一般有如下构成的组件：
1、柴油发动机
以康明斯发动机型号QSL8.9系列为例，柴油机的基本结构包括曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统、起动系统，俗称三大机构四大系统。这些系统和机构的良好配合，是柴油机能够产生动力并对外输出动力的关键。
（1）曲柄连杆机构： 机体部件：气缸体、气缸盖、气缸套、主轴承、主轴承盖等。
（2）主运动部件：曲轴、连杆、活塞、活塞环、飞轮、皮带轮等。 配气机构：配气定时齿轮、凸轮轴、随动臂、推杆、摇臂、摇臂轴、进气门、排气门、气门弹簧、气门导套、气门锁销、空气滤清器、涡轮增压器、消音器、中冷器等。
（3）传动机构：如驱动配气机构、喷油泵、风扇、机油泵、输油泵等以及其他辅助部件等。
（4）燃油系统：燃油箱、输油泵、滤油器、油水分离器、喷油泵、喷油嘴等。 润滑系统：油底壳、油泵、油冷器、滤油器、活塞冷却喷嘴等。
（5）冷却系统：散热器、水泵、风扇、节温器等。 起动系统：蓄电池、发电机、起动马达、起动开关、蓄电池继电器等。
四大系统中，曲柄连杆机构、配气机构和燃油供给系统，是柴油机的三个最基本的部分，它们互相配合，完成柴油机的工作循环，实现能量转换。 在使用过程中，三者技术状态的好坏及相互之间配合的正确与否，对柴油机的性能具有决定性的影响。润滑系统和冷却系统为柴油机的辅助系统，是柴油机长期正常工作不可缺少的重要部分。如果润滑系统或冷却系统工作不正常，那么柴油机就会发生故障，也不能正常工作。
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图3 康明斯QSL8.9型柴油机的结构侧视图 |
图4 康明斯QSL8.9型柴油机的结构后视图 |
2、交流无刷同步发电机
发电机的主机是旋转磁场式，通过发电机的定子向外输出电能。发电机的转子往往有隐极与凸极两种结构型式。因为此类发电机的运行工况一般均和电网并联运行，从而对发电机的电压品质要求较高。转子为隐极结构的发电机波形的畸变率小、正弦性好。主机励磁电流的由励磁机通过旋转的整流器来提供的，励磁机为旋转电枢式的三相同步发电机，励磁机的励磁是由发电机控制器来提供的。
（1）通风散热
为了提高材料利用率，采用较高的电磁负荷，所以需要提高发电机的散热能力。发电机采用轴向的通风结构，大部分损耗所产生的热量从定子铁芯传给机座，再通过内部风扇与外部环境所带来的冷却气体进行冷却。而其余的损耗热量主要是转子损耗与部分定子绕组端部的损耗，都是由内部风扇所带来的冷却气流进行冷却。
发电机的冷却方式一般可分为自然冷却、强迫风循环冷却、自力通风冷却。自然冷却多用于1KW以下的发电机，强迫风循环冷却需在发电机和风机之间设置专门的风路，结构复杂、体积庞大，维护维修不便。中压发电机功率不是很大，选用自力通风冷却是最为合理的，将风扇安装在发电机的转轴上，风扇所消耗的功率由转轴的机械功率进行供给。
（2）绝缘
发电机的绝缘结构所采用的材料，在温度作用下，其机械、电气、物理等性能都将会逐渐变坏，且当温度升高到一定程度时，绝缘材料的特性将会发生本质的变化，导致失去绝缘能力。
为提高发电机的绝缘等级，发电机的电磁线采用漆膜厚度2级、耐热等级为200级的聚酯亚胺/聚酰亚胺复合漆包圆铜线；槽的绝缘为耐热等级为180级的聚酯亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料；引接线采用铜芯交联聚烯烃绝缘发电机绕组的引接线电缆、电线，连续运行导体的最高温度为125℃;槽楔为耐热等级为180级的聚胺酰亚胺层压的玻璃布板：160无溶剂浸渍绝缘漆为连续真空压力绝缘。整体的绝缘耐热等级为H级，最高可允许的工作温度为180℃。所以，发电机的绝缘性能优良可靠，防潮能力强，机械强度好。
（3）励磁系统
中压无刷同步发电机通常采用单机励磁，励磁系统有三种方案：
① 可控相复励励磁：动态、稳态性能好；难于与高压发电机一体化，高低压导线混杂，可靠性差。
② 谐波励磁：动态性能好，稳态性能稍差；低压谐波绕组易被击穿，可靠性差。
③ 副励磁机励磁：动态性能稍差，稳态性能好，增加副励磁机，使发电机轴向尺寸增大。
第三种方案虽然动态性能稍差，但可靠性高，是最为可行的。因此一般在选择副励磁机励磁方案时，副励磁机为发电机控制器所提供的工作电源，以及励磁机用的励磁电源：信号取样装置TA、TV是发电机控制器所提供控制用的信号取样的输入。
3、控制系统
柴油发电机组现场由一台主控制柜和若干发电机分控制柜组成。主控制柜使用PLC-触摸屏结构。每台柴油发电机组都配有一台专业控制器，装在分控制柜中，负责对应发电机的启动、停机、参数采集、故障检测，并且多台发电机之间或与市电之间自动同期并网。
PLC是控制系统的核心，其输入信号来自ATS和上位机，输出信号给专业控制器，按照之前制定好的控制规则来控制机组的动作，满足供电线路在不同情况下的多样闭合要求，整合所有专业控制器中的柴油发电机各项参数，以供上位机和现场触摸屏读取。上位机可通过TCP/IP或现场总线读取PLC中的数据，将机组的运行参数与状态直观显示，实施对整个系统的状态监测，同时还可实现对整个系统遥控。其中，现场总线技术已日趋成熟，如Profibus现场总线，传输距离远，通讯速率高，支持光线，非常适合在恶劣的工业环境中应用，实现实时监控功能
柴油发电机组有多种分类方法，按柴油机的转速可分为高速机组（1500~1800rpm）、中速机组（1000rpm）和低速机组（600rpm以下）；按柴油机的冷却方式可分为水冷和风冷机组；按柴油机柴油调速方式可分为机械调速、电子调速、液压调速和电子喷油管理控制调速系统（简称电喷或ECU）；按机组使用的连续性可分为长用机组和备用机组；柴油发电机组通常采用三相交流同步无刷励磁发电机，按发电机的励磁方式可分为自励式和他励式。
三、柴油发电机组的特点
柴油发电机组是集柴油机、发电机和自动控制等多个学科领域相交叉的技术。柴油发电机组是以柴油机为动力的发电设备，它与常用的蒸汽发电机组、水轮发电机组、燃气涡轮发电机组、原子能发电机组等发电设备相比较，具有结构紧凑、占地面积小、热效率高、启动迅速、控制灵活以及燃料储存容易等优点。其外形平面和后视图分别如图5、图6所示。
1、单机容量等级多
柴油发电机组的单机容量从几千瓦至几万千瓦，目前国产机组最大单机容量为几千千瓦。用作船舶、邮电、高层建筑、工矿企业、军事设施的常用、应急和备用发电机组的单机容量，可选择的容量范围大，具有适用于多种容量用电负荷的优势。
采用柴油发电机组作为应急和备用电源时，可采用一台或多台机组，装机容量根据实际需要灵活配置。
2、体积小，占地面积小
配套设备结构紧凑、单位功率重量轻、安装地点灵活。柴油发电机组的配套设备比较简单、辅助设备少、体积小、重量轻。以高速柴油机为例，功率重量比一般在8～20kg/kW，而蒸汽动力装置比柴油发电机的这项指标大4倍以上。与水轮机组需建水坝、蒸汽机组需配置锅炉、燃料储备和水处理系统等比较，柴油发电机组具有占地面积小、建设速度快和投资费用低的优点。
常用发电机组通常采用独立配置方式，一般不与外（市）电网并联运行。而备用发电机组或应急发电机组一般与变配电设备配合使用。机组占地面积小，安装地点灵活。
3、热效率高，燃油消耗低
柴油机是目前热效率最高的热力发动机，其有效热效率为30％～46％，高压蒸汽轮机约为20％～40％，燃气轮机约为20％～30％，因此柴油发电机组的燃油消耗较低。
4、启动迅速、并能很快达到全功率
柴油机的启动一般只需几秒钟，在应急状态下可在1min内达到全负载运行；在正常工作状态下约在5～30min内达到全负载，而蒸汽动力装置从启动到全负载一般需要3～4h。柴油机的停机过程也很短，紧急状态可即时停机，正常状态的停机过程不超过3min，可以频繁起停。所以柴油发电机组很适合作为应急发电机组或备用发电机组。
5、维护操作简单
因其操作非常容易，从而仅需一名操作人员，并且在备用期间的维护保养相对简单。
6、建设与发电的综合成本最低
柴油发电机组中的柴油机一般为四冲程、水冷、中高速内燃机。燃用不可再生的柴油或在柴油中掺烧乙醇、生物柴油、压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）等可再生能源以节省能源和保护环境。柴油机燃烧后的排放物主要为CO、HC、PM（颗粒）污染环境，而且排气噪声较大。尽管如此，柴油发电机组与水力、风力、太阳能等可再生能源发电以及核能、火力发电等相比较，具有非常明显的优势：柴油发电机组的建设与发电的综合成本最低。
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图5 柴油发电机组平面图 |
图6 柴油发电机组后视图 |
总结：
柴油发电机组是一种成套发电设备。柴油机电站可以是单台柴油发电机组自成体系独立发电、供电，也可多台柴油发电机组并列发电、供电。在这个系统中，只要保证燃油供应，就可不间断地输出电能。 在柴油发电机组的各主要部件中，柴油机有着最为重要的地位，这不仅是因为柴油发动机的价值最高，而且也是因为柴油发动机是整个柴油发电机组的心脏，在能源转换过程中发挥着主要的作用。康明斯公司认为只有优质的发动机、优质的发电机、优质的控制系统和优质的成套工艺才能组成最优质的发电机组。
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