重康动力（深圳）有限公司

摘要： 康明斯柴油发电机组性能良好，在国内应用越来越广泛，但若不按要求正确使用，特别是长时间低速空载运转，将严重影响其工作性能并缩短使用寿命。认为柴油发电机组负荷越小越有益，其实是一个严重的误区：超过10分钟的长时间低怠速或空载会损坏发动机，因为燃烧室温度太低使燃油不能完全燃烧，在喷油器喷孔及活塞环周围形成积炭并引起气门粘连；若冷却液温度低于60°C，未燃烧的燃油还会冲刷掉气缸壁上的油膜，稀释曲轴箱机油，影响润滑油品质。本文说明负荷率的定义与合理控制方法，分析提高负荷率在设备利用率、线路损耗、经济运行、安全供电、用户电费与公共服务六个方面的优点，并按气缸压力低、低温冒白烟、高油耗与补燃期长、漏油漏水、燃烧不完全、污染加剧六个方面分析空载或低负荷运行的后果，最后按偶发低负载运行、空载时间与负载测试、长期低负载使用、最小负载界定、负载切换与运行记录六个方面给出注意事项。

 

一、负荷率的影响与优点

 

1. 负荷率的影响

（1）负荷率的定义

柴油发电机负荷率是指柴油发电机运行时所承担的负载与其额定负载之间的比例。在实际应用中，柴油发电机通常会在不同的负载下运行，而负荷率则直接影响着发电机的效率、寿命以及运行成本等方面。因此，合理控制柴油发电机负荷率对于保障其正常运行和延长使用寿命具有重要意义。

（2）额定负载与负荷率的关系

一般来说，柴油发电机的额定负载是指其设计时所能承受的最大负载，同时也是发电机最为高效的运行负载。在实际应用中，发电机的负荷率往往会随着实际负载的变化而发生变化。

（3）负荷率过低的影响

如果负荷率太低，会导致柴油发电机处于部分负载状态下运行，从而降低其燃油效率，增加燃油消耗和运行成本。柴油机负荷率与油耗率关系曲线图如图1所示。

（4）负荷率过高的影响

而负荷率过高，则可能导致发电机过载，从而损坏发电机或缩短其使用寿命。

（5）合理控制负荷率的方式

因此，合理控制柴油发电机的负荷率是非常重要的。一般来说，通过监测负载变化、调节负载输出和控制负载功率等方式可以有效控制发电机的负荷率，从而实现高效、稳定的运行。

（6）提高负荷率的手段

同时，也可以通过增加发电机容量、优化配电系统以及采用智能化调节控制系统等手段提高发电机的负荷率，进一步提升其运行效率和寿命。

（7）小结

总之，柴油发电机负荷率是影响发电机运行效率和寿命的重要因素，合理控制负荷率可以有效提高发电机的性能和经济效益。因此，在实际操作中需要密切关注发电机的负荷率，并采取适当的措施来维护其正常运行。

2. 负荷率的优点

（1）提高发、供电设备的利用率

减少国家投资。负荷率提高了，高峰负荷会被压下去，而低谷负荷会被抬高，这样可以提高发、供电设备的利用率，减少为满足短时间高峰负荷而必须增加的发、供电设备容量，可节约投资。柴发负荷率与同时率关系曲线图如图2所示。

（2）有利于降低线路损耗

在日用电量不变的情况下，平稳的负荷和波动的负荷所产生的线路损耗是不一样的。在平均电流一样的情况下，电流波动大所产生的损耗也大。

（3）有利于机组的经济运行

由于提高了负荷率，使高峰低谷差减少，为合理地安排发电机组的经济运行提供了合适的条件，可降低发电煤耗和发电成本，使水力发电在更为有利的水头下运行，减少了弃水损失。

（4）提高了电网的安全运行水平和供电质量

在装机容量不变的情况下，压低了高峰负荷也就相当于增加了电力系统的备用容量，这样可以减少或避免因发电负荷不足而造成的事故，并满足了供用电的平衡，使电网的电压和频率稳定，提高了电网的供电质量。

（5）减少了用户的设备投资和电费开支

负荷率的提高，减少了用户线路和高峰负荷值，从而减小了电费开支。

（6）改善了公共服务业的紧张情况

为了提高负荷率，采取了工厂轮休，错开上、下班时间等措施，改善了交通状况，也使公共事业（如自来水、煤气等）的供应情况得到改善。

 

图1  柴油机负荷率与油耗率关系曲线图

图2  柴发负荷率与同时率关系曲线图

 

二、空载或低负荷运行的后果

 

发电机组的能力和要求因发电机而异，但有一些被广泛接受的准则。大多数人同意发电机应以最大容量的30%的最小负载运行。这是绝对最小值，远非理想——通常，负载为最大容量的60-75%被认为是可取的。应不惜一切代价避免空载运行，除了短时间诊断运行（例如检查适当的怠速）。柴油发动机气缸做功示意图与低负荷造成柴油机无法充分燃烧分别如图3、图4所示。

1. 气缸压力低

（1）工作原理的回顾

柴油发动机的工作原理是将热空气压缩到极端程度（远远超过汽油发动机），因此当燃料进入气缸时，无需火花塞即可点燃。因此，高气缸压力是发动机正常工作不可或缺的一部分。

（2）低负荷下的后果

当发电机在低负载下运行时，气缸压力低会导致燃烧不良，从而降低发动机的效率。

（3）恶性循环

燃烧不良会导致循环问题——煤烟和未燃烧的燃料残留物堵塞本已密封不良的活塞环，使低压问题更加严重。

2. 低温冒白烟

（1）温度不足

在低负载下，发动机冷却并在不足以产生适当燃烧的温度下运行。这也导致燃料仅部分燃烧。

（2）排放后果

除了沉积物外，这还会导致大量废气排放。废气是在运行不良的柴油发动机中常见的白烟——碳氢化合物排放量高的危险烟雾。

3. 高油耗，补燃期长

（1）对机油系统的影响

低负荷运行会以多种方式对发动机的机油分配系统造成严重破坏。由于燃烧不良而形成的硬碳沉积物会导致孔抛光，从而破坏油的珩磨痕迹（凹槽）。机油会燃烧，机油消耗量会增加。

（2）机油污染的来源

由于活塞环密封不良，未燃烧的燃料会污染润滑油，冷凝水和残留物也会污染润滑油，从而导致破坏性的酸积聚。

（3）补燃期延长的机理

由于柴油发电机转速低，喷油泵的喷油压力相应较低，柴油雾化不良，同时燃烧室内气流运动减弱，柴油和空气混合不均匀，在速燃和缓燃期中，尚有一些燃料及分解物未能与氧气混合，不能及时燃烧而拖到膨胀过程中，随着气体的扰动才能与氧气接触而氧化燃烧。这时气缸内氧气已大大减少、废气增加、燃烧条件变坏使补燃期延长。

（4）后果

其后果是柴油发电机的零件热负荷增加、排气温度高并使涡轮增压器的工作条件进一步恶化，从而影响柴油发电机的使用寿命。

4. 造成漏油漏水

（1）机理

柴油发电机低速空载运转，将导致缸体温度过低，柴油发电机各部位得不到应有的膨胀，克服不了冷机状态时的间隙。

（2）表现

柴油发电机就会出现漏油漏水的现象。

5. 柴油燃烧不完全

（1）燃烧条件恶化

柴油发电机在空载或低负荷工况下运转时，燃烧室温度将大幅度降低，燃料的物理、化学准备条件相当差，着火落后期长，使柴油混合气来不及完全燃烧就随废气排出，从而出现排浓烟现象。

（2）积碳与卡滞

同时，由于柴油不能完全燃烧，将产生积碳并堵塞喷油嘴的喷油孔，甚至还会出现卡住活塞环、粘住气门等严重后果。

（3）润滑恶化

柴油发电机润滑不良，因为柴油发电机低速空载运转，机油温度压力都较低，因此，机油不能起到很好的润滑作用。同时，一些未燃烧的柴油将冲刷气缸壁上的润滑油，引起曲轴箱中的润滑油被稀释并产生酸酯，使柴油发电机中的运动零件得不到良好的润滑，从而加速柴油发电机的磨损，缩短其使用寿命。

6. 污染加剧

（1）白烟

因低温未燃烧燃料而产生的白烟已经提到过。

（2）蓝烟

然而，这并不是低负荷运行导致污染增加的唯一原因。漏油通过密封不良的活塞环进入燃烧室被燃烧并产生明显的蓝烟，而黑烟是喷油器损坏的结果。

（3）其他问题

低负载或无负载操作会导致许多其他问题，包括每种情况或低负载或无负载的具体情况将决定每个问题的严重性：

① 曲轴箱中的压力增加。

② 涡轮增压器过度磨损和漏油（如果存在）。

③ 碳沉积在许多表面，包括阀门、活塞和排气歧管。

④ 发动机排气口液——从排气歧管泄漏的黑色油性液体。

 

图3  柴油发动机气缸做功示意图

图4  低负荷造成柴油机无法充分燃烧

 

三、空载或低负载运行的注意事项

 

1. 偶发低负载运行的处理

（1）偶发低负载运行的允许

在某些时候，发电机无疑需要在低于最佳负载的情况下运行。如果它不是定期和长时间发生，则不必对您的发电机造成任何损坏。

（2）偶发与长期的区别

偶发的低负载运行与长期低负载运行的区别在于，前者在运行后仍有足够的高负载工况使燃烧室温度回升、积碳得以烧除，而后者则因长期低温运行使积碳与机油稀释问题不断累积。

（3）偶发低负载运行后的处理

偶发低负载运行后，应安排一次较高负载的运行，使机组温度与压力恢复到正常水平，以烧除部分沉积物。

2. 空载时间与负载测试

（1）空载操作的时间限制

空载操作不应超过20分钟。

（2）低负荷运行后的负荷提升

低负荷运行后，发电机应在短时间内增加负荷运行，以提高温度和压力。

（3）年度负载测试

一年一次，应该运行"负载"测试。

（4）负载测试的作用

负载测试可在较长一段时间内使机组处于较高负荷下运行，有助于烧除积碳、恢复机组性能，同时也是检验机组带载能力的有效手段。

3. 长期低负载使用的处理

（1）厂家不建议长期低负载使用

非必要情况，康明斯发电机厂家皆不建议用空载或低负载运行方法长期使用柴油发电机组。

（2）替代方案

若确实有长期低负载使用的需求，请购买一台小型柴油发电机组备用，进行负载切换使用。

（3）替代方案的合理性

采用小型机组承担低负载工况，可使大型机组避免长期低负载运行，同时小型机组在低负载下的效率与经济性相对更好，两者配合可兼顾不同负载需求。

4. 最小负载的界定

（1）最小负载的下限

综合上述准则，最小负载单元不能低于额定功率的25%-30%。

（2）推荐负载区间

通常负载为最大容量的60-75%被认为是可取的。

（3）负载界定的依据

上述数值来自机组在不同负荷率下的油耗率、排温与积碳倾向的实践经验，负荷率过低会使燃烧条件恶化，负荷率过高则接近过载，取中间区间可兼顾经济性与寿命。

5. 负载切换的操作建议

（1）负载切换的必要性

对于确实存在长期低负载需求的场合，可通过负载切换的方式，使机组在不同时段承担不同负载，避免长期处于单一低负载状态。

（2）负载切换的方式

负载切换可通过配电系统的合理安排实现，例如将部分可转移负荷安排在大机组运行时投入，使大机组在运行时保持较高的负荷率。

（3）负载切换的注意事项

切换负载时应避免负荷突变过大，应按机组的加载能力分级投入，避免因突加负荷造成转速下降或频率波动。

6. 运行记录的留存

（1）记录内容

建议记录每次运行的时间、负载值、负荷率、冷却液温度与排气烟色等信息。

（2）记录的作用

通过长期记录可判断机组是否长期处于低负载状态，并据此调整运行方式或安排负载测试。

（3）异常记录的处理

若记录中发现排气冒白烟、冒蓝烟或机油消耗异常等现象，应及时检查，避免问题累积。

 

 

总结

本文围绕柴油发电机负荷率的影响与空载低负荷运行的危害展开，说明负荷率是影响机组效率、寿命与运行成本的关键参数，过低会降低燃油效率、增加运行成本，过高则可能导致过载损坏设备，因此应通过监测负载、调节负载输出与采用智能控制系统将负荷率控制在合理范围内。空载或低负荷运行的危害具有累积性：气缸压力低导致燃烧不良并形成恶性循环，低温使燃油部分燃烧而冒白烟，补燃期延长使零件热负荷与排温升高，缸体温度过低造成漏油漏水，燃烧不完全产生积碳并稀释机油，最终表现为功率损耗、间歇性性能不佳与计划外停机增加。其意义在于：上述危害并非一次性显现，而是随低负载运行时间不断累积，因此应遵守空载操作不超过20分钟、最小负载不低于额定功率25%-30%、负载以最大容量的60-75%为宜等准则，在偶发低负载运行后及时提升负荷、每年安排一次负载测试；对于确实存在长期低负载需求的场合，采用小型机组进行负载切换，并做好运行记录以便及早发现异常。只有正确操作与维护，才能避免因长期低负载运行造成机组完全故障，保障柴油发电机组在关键时刻可靠启动与稳定运行。

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