基于某柴油发电机组的高原实地试验参数匹配优化

刘洋阳

摘 要：针对军方客户对产品高原性能参数要求，公司特地委派技术工程师前往青海高原地区对3kW柴油发电机组进行了不同海拔高度的测试。本文根据客户所需柴油发电机组额定功率要求，结合高原下发动机台架实地试验的修正数据，计算出匹配的发动机曲轴输出功率，结果完全符合客户对高原下柴油发动机功率参数要求。本文同时修正了发动机和发电机高原匹配系数，提出了柴油发电机组在高原环境下的性能优化方案和其他组件的工艺措施。

关键字：柴油发电机组、高原、实地试验、修正、优化

引言：

我国的高原地形具有面积广、海拔高的特点，海拔高度在2000m～4500m的高原地区约占国土面积的37%。其中，青藏高原平均海拔超过4000m，面积约230万平方公里，是世界上海拔最高的高原，号称“世界脊”。青藏高原具有典型的高原气候：大气压力低、空气密度小、气温低、昼夜温差大、日辐射强、蒸发量大、干燥、风沙大、水的沸点低等特点。在平原正常使用的柴油机到高原地区常出现排温升高、功率不足、油耗增加的问题，严重时还会出现冒黑烟、发动机热负荷过高、冷却液“开锅”、空气滤清器堵塞等“水土不服”的问题。

随着高原地区柴油机使用的增多，内燃机高原适应性问题得到越来越多的关注和研究。内燃机高原性能研究的主要手段有：高原环境仿真计算、高原环境模拟试验、高原环境实地试验。前两者难以完全胜任柴油机环境适应性的研究工作，本文则通过实地试验测量的数据计算分析并修正部分性能参数，同时提出了一些优化发动机组高原性能的方案和工艺措施。

1.高原环境使用要求

1）高度启动和带载能力：海拔高度不小于4500m自然条件下，机组经3次启动应能成功，并能在启动后5min内输出规定功率。

2）高原规定功率输出：海拔高度3000m、环境温度30℃、相对湿度90%时，输出额定功率3kW;海拔高度4500m时，输出规定功率不低于额定功率的80%。

3）高原连续工作能力：海拔高度4500m时，机组应能按规定功率、额定电压、额定频率、额定功率因数正常连续工作4h。

2.柴油机高原优化方案

1）压缩比

随着海拔升高，大气环境气压降低，柴油发动机的功率会随着海拔的高度而损失功率，所以我们必须在生产过程中，需要对发动机的压缩比做一定的调整。在不大改动原构造的基础上提高压缩比（燃烧室容积缩小），进而提高热效率，提高压缩终了的温度和压力，增加膨胀比，加快燃烧速度。

优化后措施：压缩余隙由原来的70mm，调整为50mm。

2）供油提前角

考虑到高原环境下点火延迟倾向，调整柴油机的供油提前角，在高海拔的状态下可以提高柴机油的工作性能。

优化后措施：由原来的21度，调整为19度。

3）低温冷起动

采用进气预热和气缸燃烧室预热可以提高进气温度，满足-40℃温度启动要求，保证机组3次启动成功且5分钟内完成规定功率。

3.柴油机高原环境实地试验

试验要求，海拔高度≤4500m，环境温度30℃、相对湿度90%。

1）发动机方案优化后，在高原环境下标定试验结果汇总：

2）高原标定试验性能曲线图（见图2）

4.高原环境功率匹配计算分析

为满足高原环境适应性需求，首要考虑因素为柴油发电机组的额定功率，应根据柴油发电机组的额定功率计算柴油机的输出持续功率，进而选择可输出需求持续功率的柴油机机型。

柴油发电机组的工作条件是指在规定的使用环境条件下保证输出额定功率，并且可靠地连续运行。柴油发电机组的额定功率PH按下式计算：

式中：

Pe---柴油机持续输出功率（柴油机曲轴输出功率），kW;

k1---柴油机功率修正系数;

k2---环境条件规定的最高海拔对应的柴油机修正系数;

η---同步交流发电机效率。

注：风冷柴油机功率修正主要取决于海拔高度和温度，规定海拔高度不超过1000m且环境温度不超过30℃，不需要修正功率参数;海拔高度不超过1000m，环境温度超过30℃，仅对温度进行修正。

对于连续长期工作的机组，柴油机功率修正系数k1=0.9;对于连续工作时间不超过12h的机组k1=1.0。考虑军用电站选用柴油机的功率储备及连续运行，取k1=0.9。

同一海拔高度下，溫度越高，柴油机海拔修正系数越小。根据WS186FA柴油机的海拔功率修正曲线，在海拔高度3000m、环境温度30℃时，该柴油机的输出功率需修正（额定输出4.3kW）;在海拔高度4500m、环境温度30℃时，该柴油机的输出功率为3.4kW。机组选用的电机同步交流电机效率η=87.3%，因此最高海拔修正系数K2=0.79。

根据高原环境使用要求第二条，海拔高度4500m时，输出规定功率不低于额定功率的80%。若机组输出功率为2.4kW最小时，根据公式柴油机曲轴输出功率为：

修正计算后的数据与实地试验数据完全匹配相符。因此，WS186FA柴油机的额定输出功率为5.7kW，满足客户要求。

3kW机组选用的同步交流电机型号为LCN3KW360V27-D186FAD，该发电机在海拔1000m、环境温度40℃时，额定功率为4.5kW。该电机的海拔和环境温度功率修正如下：

海拔超过1500m，每升高500m，功率下降3%;环境温度超过30℃，每上升5℃，功率下降3%。在海拔高度3000m、环境温度30℃时，电机功率修正系数：η=0.88

则：发电机满足机组功率输出要求。

5.满足高原适应性要求的工艺措施

1）发电机

a）根据海拔功率修正选型发电机，确保发电机功率满足电站的高原适应性要求;

b）发电机机座上靠近铁心位置安装防潮加热器对电机内部除湿、烘干;

c）定子绕组埋置测温元件检测定子绕组温度，绝缘等级为 H级;

d）采用真空压力浸漆工艺，保证发电机在高原环境下的绝缘性能。

2）其他工艺措施

a）油箱等容器在设计时，确保强度，避免低气压膨胀或爆裂;

b）对裸露的导线采用具有抗紫外辐射性能尼龙软进行防护;

c）机组外表面喷涂具有抗紫线辐射性能的氟碳漆面漆。

d）电气元器件选型充分考虑了绝缘和耐压等级，电气元器件的排布增大引线间的距离;

6.结语

综上所述：本文根据客户对产品高原下的需求结合实地试验数据，分析计算出符合发电机组相匹配的发动机曲轴输出功率，结果完全满足客户要求。同时针对高原环境下的发动机组，提出了部分优化方案及工艺措施。

参考文献

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[2]朱仙鼎.中国内燃机工程师手册[M].上海科学技术出版社.2000.8.

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