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新闻主题	高海拔和高温因素对柴油发电机组的影响

 

摘要：在高海拔地区应用柴油发电机组应注意伴随着海拔高度的不断上升，大气压强、空气含氧量及其自然环境温度都有差异程度的下滑。对于阳光直接辐射强度和风速，因为柴油发电机组是安装在室内应用，这两项的干扰并不突出。因为高海拔的低气压，空气稀薄，柴油发电机组含氧量分量少，运行环境温度低，特别对自然进气的柴油机，柴油发电机组因进供气量严重不足而燃烧不好，使柴油机无法产生原规定的校准功率。即便柴油机基础构造一样，但各型柴油机校准功率、排气量、发转速差异， 所以这些在高原地区运行的能力是有所不同的所以在高原地区长期应用时应依据当地的海拔高度，适当减小供油量。

 

一、高原环境对柴发性能的实际影响　　　 
 

      随着海拔升高，大气压力下降，空气密度降低，但氧含量比例并未改变（仍约为20.9%）。这意味着每循环进入气缸的氧气绝对质量减少了。以下表1是我们对柴油发电机原动机所作的平原、高原对比试验数据。从中可以看出，随海拔升高，发电机组输出功率将显著下降，而油耗率、排温上升，排放状况恶化。负载越大(50～110％)，影响尤甚。 

1、输出功率下降

      这是最直接、最明显的影响。柴油机的功率输出依赖于燃油的充分燃烧，而充分燃烧需要足量的氧气。通常认为，海拔每升高1000米，柴油发电机的输出功率会下降约8-12%。不同品牌的发动机具体数据略有差异，但都遵循这个趋势。

2、燃油消耗率增加，经济性变差

      为了维持一定的功率输出，发动机的控制系统（或机械调速器）会尝试增加燃油喷射量以补偿动力的损失。然而，由于氧气不足，增加的燃油无法完全燃烧。结果会导致燃烧不完全，冒黑烟，燃油经济性显著下降。即发出同样一度电（kWh），需要消耗更多的柴油。

3、热负荷升高，冷却系统效率下降

（1）燃烧温度升高：不完全燃烧会导致后燃期延长，废气温度升高，使整个发动机的热负荷（特别是缸盖、活塞、喷油器和涡轮增压器）大幅增加。

（2）冷却效率降低：高原空气密度小，风扇的效率会下降，导致散热能力变差。同时，较低的大气压力也会降低冷却液的沸点。这两个因素叠加，使得发动机在高原更容易过热。

4、启动困难

      在低温环境下，这个问题会更加突出。因为启动时发动机转速低，本身进气量就少，高原稀薄的空气使得压缩终了的压力和温度更低，难以达到柴油的自然点，造成启动困难。

5、排放恶化

      由于燃烧不充分，一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒物（PM）的排放会急剧增加，冒黑烟现象严重。

6、对涡轮增压发动机的影响

       现代柴油发电机普遍采用涡轮增压技术来弥补高原功率损失，但即便如此，它也有极限：

      涡轮增压器通过压缩空气，提高了进气密度，可以有效减轻功率下降的幅度（可能使功率下降率从10%减少到5-6% per 1000m）。但涡轮增压器本身在高转速下工作，高原地区其转速会更高，导致其热负荷和机械负荷更大，可靠性面临考验。

表1（A）  柴油发电机高原性能变化试验结果

表1（B） 高温高海拔柴油发电机修正系数表

表1（C）  大气参数、水的沸点与海拔变化对应关系

 

二、对策措施与试验结果

 

1、对策措施 

      根据分析研究，我们提出以下解决措施： 

（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发电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。 

（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。 
 
（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，使柴油发电机热平衡得到合理控制。 

（4）增压型空气滤清系统 

      柴油发电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。 

（5）高原低温起动 

      高原低温起动条件比较严酷。海拔4000m以内极端温度虽不是很低(-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。但对发电机组来讲，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。 

（6）增压润滑系统 

      增压器是高温、高速旋转的部件，转速高达105r/min，冷却润滑极为重要，其油料需专用增压油品，并同时适用柴油发电机系统。 

2、试验结果 

      针对柴油发电机，康明斯公司对其原动机实施了增压中冷恢复功率成套高原适应性技术措施。经海拔2206m、3860m实地试验研究，确定最佳方案如下： 

（1）增压器匹配柴油发电机； 

（2）采用水中冷措施，利用水箱回水作为介质冷却进气； 

（3）实际散热能力较原机增大20％； 

（4）选用增压型空气滤清器，其额定流量、滤清效率比原机大约40％； 

（5）采用起动预热加热器和低温电瓶； 

（6）设计可靠的增压器冷却润滑系统，主选试验油品为CF40级机油。 

表2  配增压中冷性能实测结果与对比

表3  高原型发电机组电气性能指标结果与对比

       表2、表3是采取高原适应性技术措施后原动机、发电机与改造前的对比试验数据。从表2、3可以看出，在实施增压中冷等措施后，柴油发电机功率、油耗率得以很好的恢复，热负荷得到有效地控制，75GT11柴油发电机主要电气性能指标完全符合GB/T2819-95的规定。经海拔3860m、84小时变载荷(0～110％)连续运行试验，发电机工作可靠，运转性能良好。其低温预热起动装置在海拔2850m、-20℃环境条件下实地试验表明，起动平稳可靠。 

 

三、高原型机组电气性能指标的变化

 

       高原环境主要通过对原动机（柴油发动机） 的性能影响，间接但深刻地影响其驱动的同步发电机的电气性能。虽然发电机本身的电磁设计对海拔不敏感，但发动机功率的下降和特性的变化是导致电气指标变化的根源。

1、稳态电压调整率 δ_u 

δ_u＝｛(u₁－u)/u｝×100％ 

其中：u——空载整定电压(V) ；u₁——负载变化后的稳定电压最大值或最小值(V)，按相对于空载整定电压差值大的计 。

      一般柴油发电机都具有恒压装置，所以其变化程度应与低海拔地区相同。 

2、稳态频率调整率δf 

δ_f＝｛(f₁－f₀)/f｝×100％ 

其中：f₁——负载变化后的稳定频率最大值或最小值(Hz) ；f₀——额定负载时的频率(Hz) ；f──额定频率(Hz) 。
 
      发电机组的频率是由其本身结构决定的，频率的变化与柴油发电机转速成正比关系。由于柴油发电机的调速器为机械离心式，其工作性能不受海拔高度变化的影响，所以稳态频率调整率的变化程度应与低海拔地区相同。 

3、瞬态电压δus与瞬态频率调整率δfs

δ_us＝｛(u_s－u)/u｝×100％ 

δ_fs＝｛(f_s－f₂)/f｝×100％ 

其中：u_s——负载变化时的瞬时电压最大值或最小值(V)，按相对于空载整定电压差值大的计算 ；f_s——负载变化时的瞬时频率最大值或最小值(Hz) ；f₂——负载变化前的频率(Hz) 。

      负载的瞬时变化，必将引起柴油发电机扭矩的瞬时变化，而柴油发电机的输出功率不会发生瞬时变化。由公式Nb＝1.04×10-4Mf•nb，可知柴油发电机转速与扭矩成反比，柴油发电机的转速也将发生瞬时变化，这样发电机转子的转速也将发生瞬时变化，由此而产生了瞬时电压Us与瞬时频率fs。一般来说，这两个指标不受海拔高度的影响，但对于增压型发电机组，由于增压器响应速度的滞后影响了柴油发电机转速的响应速度，这两个指标有所升高。 

4、电压与频率稳定时间 

      负载的突变引起柴油发电机转速的波动，通过调速器使燃油供油量向相反的方向变化，从而使柴油发电机回到规定的转速，也改变了柴油发电机的输出功率。同样，对于自然吸气的柴油发电机来讲，海拔高度的变化不会影响这两个指标。但对于增压型柴油发电机，由于供油量的改变，可燃混合气体的比例也发生变化，排出的废气压力也随之变化，这样经过废气涡轮增压的空气量也发生变化，由于增压机较非增压机在动力响应上有一定的滞后，将使柴油发电机转速恢复稳定的时间延长，即电压稳定时间与频率稳定时间延长，但这种变化将不会有太大影响。 

5、电压δub与频率波动率δfb

其中：UB_max——负载不变时的最高电压(V) ；UB_min——负载不变时的最低电压(V) ；UB_max和UB_min取同一负载下同一次测量的最大值和最小值。 

fB_max——负载不变时的最高频率(Hz) ；fB_min——负载不变时的最低频率(Hz) ；fB_max和fB_min取同一负载下同一次测量的最大值和最小值。 

      这两个指标用来考查发电机组本身的原因对输出电压及频率的影响。由于发电机组恒压装置和调速器的稳定调节作用，这两个参数不会随海拔高度而变化。但对于增压型发电机组来说，由于增压系统对进排气的辅助调节作用，这两个指标应趋于减小。 

 

图1  高原柴油发电机施工现场使用实景

图2  高原电信基站用柴油发电机实景

 

总结：

高原环境对柴油发电机的性能影响是系统性的，会导致功率输出显著下降（必须降额使用）；油耗增加，经济性变差；热负荷加重，过热风险大增；启动和排放性能恶化等危害。因此，解决方案的核心是选择高原专用机型、严格遵守功率降额规定、并加强散热和维护。忽视这些影响，轻则机器无法正常工作、寿命缩短，重则导致发动机严重损坏。本文试验证明，柴油发电机随海拔高度上升功率下降、油耗率上升、热负荷升高，性能变化十分严重。 实施增压中冷功率恢复等高原适应性成套技术措施后柴油发电机各项技术性能在海拔4000m可以恢复到原出厂值，对策措施是完全有效可行的。 

 

 

 

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