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新闻主题	柴油发电机组负载启动能力指标

 

摘要：性能指标的作用从总体上或从某一方面来判断或衡量一台柴油发电机的性能。包括动力性指标、经济性指标、运转性指标（冷起动、加速性与加载性、排放性）、可靠性和耐久性指标、重量和外形尺寸指标等。其中指示指标用来评价气缸内工作完善程度的指标，考虑磁烧的完善程度和结热损失。有效指标是在指示指标基础上考虑了机械损失后，在紫油机输出轴上所得到的指标。而工作参数表征柴油机的机械负荷、热负荷、基本结构和强化程度的参数。

 

一、柴油机性能指标

 

      柴油机的主要性能指标包括动力性和经济性两个方面的指标。它们既是反映柴油机工作循环完善程度的参数，更是评估柴油机性能的主要依据。动力性和经济性指标分别从量和质两个方面来评价柴油机的性能。它们又可以分成指示指标和有效指标两类见表1。

表1    柴油机性能指标

      指示指标是以实测的示功图所表示的一个循环所作的功——指示功为基础的(从示功图求出来的)，它们表征气缸内部工作情况，其优劣取决于气缸内部实际工作循环进行的完善程度(包括不完全燃烧、燃烧延迟、气体泄漏、气缸壁传热损失等)。有效指标是以在柴油机输出轴上所得到的有效功为基础的，它扣除了柴油机内的一切损失，其优劣取决于工作循环进行的完善程度外，还得取决于机械损失的大小，它是评定柴油机工作性能的最终指标。

1、动力性指标

（1）有效扭矩

      燃料在气缸内燃烧放热、膨胀作功所产生的力，除了克服柴油机本身各部件的摩擦阻力和驱动各种辅助装置（水泵、油泵、风扇等）之外，最后通过曲轴输出、供给外界使用的扭矩称为有效扭矩Me，单位为N·m（或kN·m），其数值可通过柴油机实机运转由专门的测功器测取。

（2）有效功率

      柴油机在单位时间内对外作功的量称为有效功率Ne，是柴油机最主要的动力性能指标之一，其数值可通过有效扭矩Me和相应转速n计算得出：Ne=Me·n/9550（kW）。柴油发动机功率参数主要有两种，即标定功率和备用功率。其有功功角和动态特性如图1、图2所示。

① 标定功率

      在指定的标准大气状况（按国际标准，气压100 kPa、气温300 K）下，在正常修理周期内，柴油机允许连续运转一段时间或允许长期连续运转的最大有效功率，称之为标定功率。我国根据柴油机的不同用途，规定有15分钟功率、1小时功率、12小时功率和持续功率四种标定功率。其中，持续功率是指柴油机允许长期连续运转的最大有效功率，通常用来对柴油发动机进行功率标定，并明确记载在产品铭牌和使用说明书中。

② 备用功率

      当大气条件变化使得进入柴油机的空气量减少时，柴油机所能发出的最大有效功率将比指定大气条件下运转时的功率要低。在特定的使用条件（环境温度、大气压力、工况等）下，在正常修理周期内，柴油机在运用中所能达到的最大有效功率，称之为备用功率或最大运用功率。

③ 功率修正

      在确定以上功率时，首先要考虑柴油机的设计及制造水平，这对柴油机的功率、工作可靠性及使用寿命起决定性的影响。对于某一型号的柴油机，如果功率定得大，其工作可靠性和使用寿命就会降低。只有通过持续的试验，并对实际运用情况和结果作系统的调查研究，在切实掌握质量水平的基础上，才能比较正确地确定以上各功率。

      由于环境状况和使用条件的变化对柴油机的功率有很大影响，因此，需要对柴油机的功率进行修正。对柴油机供应商而言的功率修正，是将试验大气条件下测得的功率换算到标准大气状况下柴油机所应发出的功率，并作为铭牌功率标注；对柴油机用户而言的功率修正，是根据实际使用区域的不同，将柴油机的铭牌功率修正为与使用区域的大气状况所对应的功率，并作为正常的使用功率。

（3）转速

      柴油机可在较为宽广的转速范围内运转工作，在柴油机出厂铭牌和使用说明书中，一般应给出标定转速（即，标定功率下的转速）或最大输出扭矩时的转速，供用户在运转柴油机时作参考。实际上，柴油机工作时的转速还受到最高允许转速（或称极限转速，通常为标定转速的110％左右）和最低空载稳定转速（或称最低怠速转速）的限制。柴油机的最高允许转速受到运动部件惯性负荷、零部件热负荷以及燃烧过程恶化、充气效率下降等因素的限制。若超过最高允许转速运转柴油机，将会使柴油机部件损坏，甚至发生事故。最低空载稳定转速能确保柴油机连续运转而不停机。若低于该转速时，柴油机工作过程将由于吸气、喷油、着火、燃烧的不稳定而使转速和功率波动大，甚至熄火停机。

2、经济性指标

（1）有效热效率

      柴油机一个工作循环所发出的有效功We与得到此有效功所消耗燃料中的热量Q之比称为有效热效率ηe。有效热效率也可以通过柴油机的有效功率Ne和每小时燃油消耗量G计算得出。柴油机的有效热效率一般在0.35～0.45之间。

（2）有效燃油消耗率

      柴油机每发出1 kW有效功率，在1 h内所消耗的燃油量G称为有效燃油消耗率ge，简称燃油消耗率。显然，柴油机对外作一定量的功所消耗的燃油量（可由柴油机台架试验中测得）越少，燃油消耗率越低，其经济性就越好。燃油消耗率可按下式计算:

g_e=G/N_e×103 [g/（kW·h）]

3、排放性能指标

      柴油机的有害排放物主要包括有害气体排放物—CO、HC、NOx和有害固体排放物—微粒。排放性能指标可用单位排气体积中有害排放物的体积表示，如%；或用排气中质量浓度表示，如mg/m3；或采用单位时间内或一次规定条件测试中或单位折合运行时间条件下的有害物质排放量表示，如g/h，g/一次测试等；最常用的是由柴油机发出单位功所排放的有害污染物质量表示的比排放量，即g/（kW·h）。柴油机有害排放物的测量必须在国家标准或销售地标准规定的运转条件下并使用标准规定的测量设备进行测量。

      不同行业、不同用途或不同功率等级的柴油机有不同的排放评价标准。柴油机在不同的工况条件下运转时，废气成分的组成会有很大差异。不同的循环测试条件下的排放标准限制值是不相同的。为了综合考察柴油机在冷启动、热启动、加速、减速和匀速运转等工况时的排放情况，同时便于对各种柴油机的排放水平进行比较，各国都是根据排放法规和台架试验规范各自拟定出模拟性的实验规范。

4、可靠性耐久性指标

      可靠性是指柴油机在规定的运转条件下，具有持续工作不致因故障而影响柴油机正常运转的能力。耐久性是指柴油机大修前累计运行的时间。

 

图1  发电机有功功率功角特性

图2  发电机动态稳定性功角特性

 

二、发电机性能指标
 

1、电压和频率稳定时间

      发电机组负载突变时，其电压和频率会产生突然下降或升高的现象，从负载突变时起至电压或频率开始稳定所需要的时间为电压或频率稳定时间，以秒（s）为单位计算。电压的稳定时间与自动调压系统的性能有关，频率的稳定时间与发动机调速器的调速性能有关。其中，频率稳定时间曲线如图3所示。

2、瞬态电压调整率δ_us和瞬态频率调整率δ_fs  

       发电机组在负载突变时，发动机端电压和频率都会出现瞬间变化。当突加或突减负载时，由于受柴油机输入功率的突增（减）及发电机电枢反应等因素的影响，发电机端电压和频率会产生突然下降或升高的现象。电压（频率）的瞬态变化值与负载突变前的数值之差与额定值的百分比，称为发电机组的瞬态电压（频率）调整率。

（1）瞬态电压调整率计算公式：

 

式中， u_s-负载突变时瞬时电压的最大值或最小值（取与负载突变前的稳定电压差值较大者），V；

u₂-负载突变前的稳定电压，V；

u-额定电压，V。

（2）瞬态频率调整率计算公式：

 

式中， fs-负载突变时的瞬时频率的最大值或最小值（取与负载突变前的稳定频率差值较大者），Hz；

f₂-负载突变前的稳定频率，Hz；

f-额定频率，Hz。

3、直接启动空载异步电动机的能力

      发电机组直接启动（四极笼型三相）异步电动机时，由于启动电流很大以及异步电动机低功率因数的影响，发电机组输出电压显著下降，这时发电机励磁系统必须进行强励磁，才能补偿发电机组输出电压的下降。异步电动机容量愈大，强励程度就愈高，其原理和启动特性如图4所示。因为启动电流很大，有可能损伤绕组的绝缘。发电机组因其特性上的差别，启动空载异步电动机的容量不得超过其额定容量的70％；而启动有载异步电动机时，异步电动机容量不得超过其额定容量的35％，当异步电动机启动后，由发电机组输出的剩余功率还可供其他电气设备使用。

 

图3  发电机频率稳定时间曲线

图4  异步电动机的原理与启动特性

 

4、发电机组的并车性能

      型号规格相同和容量比不大于3：1的发电机组在额定功率的20％～100％范围内应能稳定地并联运行，且可平稳转移负载的有功功率和无功功率，其有功功率和无功功率的分配差度应不大于表2的规定；容量比大于3：1的发电机组并联，各发电机组承担的有功功率和无功功率分配差度按产品技术条件的规定。

表2       有功功率和无功功率的分配差度

说明：当使用该容差时，并联运行发电机组的有功标定负载或无功标定负载的总额按容差值减小。

5、无线电干扰允许值

      根据 YD/T 502-2020《通信用低压柴油发电机组》，用于通信电源的柴油发电机组对无线电干扰有要求时，发电机组应具有抑制无线电干扰的措施，其干扰允许值应不大于表3和表4中规定的限值。按照GB/T 20136-2006《内燃机电站通用试验方法》603和604进行测量考核，特殊情况可提出更严格的要求。

表3     传导干扰限值

表3    辐射干扰限值

 

总结：

      柴油发电机的技术性能指标，是衡量柴发机组供电质量和经济指标的主要依据。其主要技术性能通常指柴发机组的功率因数从0.8～1.0，三相对称负载在0～100%或100%～0额定值的范围内渐变或突变时，应达到的性能。同时了解柴油机的相关参数和排放标准，将对更好地设计、制造、管理、使用和维修柴油机带来积极的影响。此外，还有电压、频率波动率、超载运行时限、瞬态电压、频率调整率及直接启动空载异步电动机等性能。随着及时的发展，国产和引进的各类柴发机组还具有其他特殊的性能，若需了解其他技术资料，请查询康明斯公司官网柴发技术类文章。

 

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