4×250 kW发电机组低温环境适应性试验研究

（中国人民解放军63956部队，北京 100093）

4×250 kW发电机组低温环境适应性试验研究

朱汗青，田睿，马广顺

（中国人民解放军63956部队，北京 100093）

目的 研究某大功率发电机组的低温环境适应性。方法 将发电机组放置于高低温综合环境模拟试验室，室温降至–55 ℃，保温48 h，而后升温至–40 ℃，保温12 h，恢复常温。结果 经检查，机组用时11′20″低温启动成功，其低温持续工作的稳态电压调整率为–0.880%，稳态频率调整率为–0.036%，稳态电压波动率为0.175%，稳态频率波动率为0.080%。试验过程中，样机塑料件、橡胶件、金属件未出现故障。结论 该发电机组的启动性能、电气性能、结构材料等满足低温环境适应性要求，也为其他发电机组的低温环境适应性考核提供了指导方法。

柴油发电机；环境适应性；低温启动；电气性能

我国幅员辽阔，其中北方地区和西部高原地区面积占总面积的近3/5，–40 ℃低温极值的出现概率大于 20%，低温环境对发电机组的启动性能、发电机及控制系统、材料结构等性能影响较大[1]，因此研究发电机组的低温环境适应性具有较强的现实意义。低温环境对大功率风冷柴油机影响更为明显，低温启动性能较好的国产大功率风冷柴油机一般可以在 20 min 左右启动成功，德国道依茨 BF8L513型柴油机在低温启动性能方面具有领先水平，–41 ℃环境条件下，预热8 min启动后，暖机在2～8 min可达到规定负载。

发电机组低温环境适应性考核包括实地试验和试验室模拟试验。前者在气候、地理等试验条件方面接近装备实际使用情况，但试验环境条件不可控，试验周期长，试验经费高；后者相对而言环境条件稳定、可控，重复性好，能够实现对机组相关性能的量化测试。条件所限，国内对大功率发电机组的低温环境模拟试验研究还很不充分，文中以郑州佛光发电设备有限公司某4×250 kW发电机组为例，研究试验方法，验证低温环境适应性能。

1 低温环境对发电机组的影响

1.1对启动性能的影响

低温环境对发电机组启动性能的影响主要包括进排气温度、气缸内压缩比、启动功率、蓄电池工作能力等方面[2—3]。低温环境下润滑油黏度增加，使柴油机启动转速降低而难以启动，经寒区部队对同一台柴油发动机进行启动试验，在–23 ℃情况下，用SAE10W机油仅需3.7 kW的启动功率；用SAE20W机油需7.4 kW的启动功率；用SAE30W机油竟需11.8 kW的启动功率。低温环境还会增大柴油的黏度和密度，据测定，当气温从40 ℃降到–10 ℃时，柴油的黏度提高83%，密度增大8%，柴油的流动性变差，雾化不良，导致缸内混合气体压力和温度不足，造成柴油机启动困难。此外，低温环境下普通蓄电池的输出功率大为降低，一般蓄电池的标称容量是在30 ℃放电10 h的情况下来确定的。当电池温度低于30 ℃时，每降低1 ℃其容量降低1%～1.5%，–40 ℃条件下，其容量不足30 ℃容量的50%，导致启动机无力拖动柴油机旋转[4—8]。

1.2对发电机及控制系统的影响

在低温环境下，发电机导线温升增高，因热膨胀伸长过多而造成绝缘部分裂损；转子铜铁温差过大，可能引起转子线圈永久变形；轴承脂黏度变差，影响润滑效果；产生结露，降低电机的绝缘电阻。此外，电路系统焊脚与电路板可能脱离[9]。

1.3对结构材料的影响

低温环境下各种材料因热胀冷缩影响公差配合与使用寿命。工程塑料变硬、变脆、韧性消失；橡胶材料的硬度上升，抗拉伸强度提高，伸长率下降，易发生脆性损坏，使轮胎弹性变微，密封件失效；聚酯薄膜、玻璃漆布、层压及粉压塑料等机械强度降低，当同时经受外界机械力作用会脆裂[10]。

2 试验方案[11—15]

根据GJB 150A—2009 《军用装备实验室环境试验方法》、GJB 1488—92 《军用内燃机电站通用试验方法》以及《4×250 kW发电机组低温环境适应性试验大纲》等相关标准和规定要求，合理确定试验目的、试验条件、试验程序。

2.1 目的方法

该试验考核发电机组低温环境适应性：经-55 ℃条件下贮存后，发电机组无损坏，恢复常温后工作正常。

发电机组在–40 ℃条件下，在20 min内启动成功，在空载、额定电压和额定频率下运行1 min，加50%负载运行1 min，加至额定负载运行1 min，之后维持运行状态2 h。

2.2 条件

试验在高低温综合环境模拟试验室中进行。该实验室型号规格为 GDTHP-1400；内部尺寸为 17.5 m×14 m×6 m；温度范围为–55～70 ℃；温度变化速率≤3 /min℃

2.3 测试设备

军用电源性能测试评价系统由工中频负载、数据采集处理单元、控制操作台和软件系统组成。可自动完成发电机的稳态电气性能试验、瞬态电气性能试验、连续性能试验等。

2.4 试验程序

试验的具体流程如图1所示。

1）机组已加满-50#低温柴油、0W-40润滑油、防冻液、配好容量充裕的蓄电池。

2）机组进入试验室后，调节室温至–55 ℃，保持此贮存温度24 h。对电站进行全面的目视检查，记录检查结果，并与试验前数据比较。

3）调节室温至–40 ℃，保持12 h。

4）启动机组预热装置（燃油液体加热器及进气加热器），20 min内启动机组；

5）启动成功后，空载额定电压和额定频率各运行1 min，加50%负载运行1 min，额定负载运行1 min，之后维持运行状态2 h。

6）按照 GJB 1488—92 《军用内燃机电站通用试验方法》有关要求，测量并记录机组在0%，25%，50%，75%，100%负载下的电压与频率变化，计算稳态电压调整率、稳态频率调整率、电压波动率和频率波动率等性能指标。

7）检查塑料件、橡胶件、金属件，观察有否断裂现象，记录检查结果。

8）将试验室气温度调节到标准大气条件下的温度，待机组达到温度稳定后，重复步骤5）—8）。

3 结果分析

以2#机组为例，在–55 ℃环境下贮存48 h后，样机塑料件、橡胶件、金属件无断裂现象，恢复常温后能够正常工作。样机2#机组用时11′20″启动成功，21′44″加至额定负载，连续运行2 h，电站工作正常。2#机组电气性能测试数据：稳态电压调整率为–0.880%，稳态频率调整率为–0.036%，稳态电压波动率为0.175%，稳态频率波动率为0.080%。2#机组低温贮存与低温工作试验的考核结果见表1，不同负载条件下机组的输出电压与频率值如图2所示。

分析表1和图2可得出以下结论。

1）启动性能。–40 ℃环境条件下，样机经燃油加热器加热及进气预热后，用时 11′20″启动成功，空载、半载、满载状态各运行1 min后连续运行2 h。

2）低温工作特性。实现了低温条件下大功率发电机组连续运行的电气性能量化考核。经计算，其稳态电压调整率为–0.880%，稳态频率调整率为–0.036%，稳态电压波动率为0.175%，稳态频率波动率为0.080%，满足相关规定和使用要求。

3）结构材料性能。试验过程中，样机塑料件、橡胶件、金属件无断裂现象。

图2 不同负载下电压频率值

表1 2#机组低温试验数据

4 结语

分析了低温环境对发电机组的影响，针对某4×250 kW大功率发电机组进行了–55 ℃低温贮存试验与–40 ℃低温工作试验。研究确定了试验方法，重点检查了低温环境下发电机组的启动性能、电气性能及结构材料等性能参数。结果表明，该发电机组满足低温环境适应性要求，也为其他大功率发电机组的低温环境适应性考核提供了指导方法。

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Experimental Study on Low-temperature Environment Adaptability of 4×250 kW Generator Set

ZHU Han-qing,TIAN Rui,MA Guang-shun
(Unit 63956 of PLA, Beijing 100093, China)

Objective To test the low temperature environment adaptability of a high power generator set. Methods The generator set was placed in a comprehensive environmental simulation laboratory of high-low temperature. The room temperature was reduced to –55 ℃and kept for 48 h. Then it was increased to –40 ℃and kept for 12 h before it was restored to the normal temperature. Results The generator set started successfully in 11′20″ at low temperature. Its voltage regulation factor for continuing working at low temperature was –0.880%; its steady-state frequency control rate was –0.036%; its state voltage fluctuation rate was 0.175% and its state frequency fluctuation rate was 0.080%. No failure occurred to plastic parts, rubber articles and metal piece of the model machine. Conclusion The results show that starting performance, electrical performance, and material properties of the generator set meet the requirements on low-temperature environment adaptability. Furthermore, it provides a guidance to assess low-temperature environment adaptability of other generator set.

diesel generator; environment adaptability; start at low temperature; electrical performance

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.011

TJ06

A

1672-9242(2017)01-0041-04

2016-07-12；

2016-10-03

朱汗青（1987—），男，河北保定人，硕士，主要研究方向为装备测试与诊断。