（中國(guó)人民解放軍63956部隊(duì)，北京 100093）

4×250 kW發(fā)電機(jī)組低溫環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究

朱汗青，田睿，馬廣順

（中國(guó)人民解放軍63956部隊(duì)，北京 100093）

目的 研究某大功率發(fā)電機(jī)組的低溫環(huán)境適應(yīng)性。方法 將發(fā)電機(jī)組放置于高低溫綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)室，室溫降至–55 ℃，保溫48 h，而后升溫至–40 ℃，保溫12 h，恢復(fù)常溫。結(jié)果 經(jīng)檢查，機(jī)組用時(shí)11′20″低溫啟動(dòng)成功，其低溫持續(xù)工作的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為–0.880%，穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率為–0.036%，穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)率為0.175%，穩(wěn)態(tài)頻率波動(dòng)率為0.080%。試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)塑料件、橡膠件、金屬件未出現(xiàn)故障。結(jié)論 該發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)性能、電氣性能、結(jié)構(gòu)材料等滿(mǎn)足低溫環(huán)境適應(yīng)性要求，也為其他發(fā)電機(jī)組的低溫環(huán)境適應(yīng)性考核提供了指導(dǎo)方法。

柴油發(fā)電機(jī)；環(huán)境適應(yīng)性；低溫啟動(dòng)；電氣性能

我國(guó)幅員遼闊，其中北方地區(qū)和西部高原地區(qū)面積占總面積的近3/5，–40 ℃低溫極值的出現(xiàn)概率大于 20%，低溫環(huán)境對(duì)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)性能、發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)、材料結(jié)構(gòu)等性能影響較大[1]，因此研究發(fā)電機(jī)組的低溫環(huán)境適應(yīng)性具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。低溫環(huán)境對(duì)大功率風(fēng)冷柴油機(jī)影響更為明顯，低溫啟動(dòng)性能較好的國(guó)產(chǎn)大功率風(fēng)冷柴油機(jī)一般可以在 20 min 左右啟動(dòng)成功，德國(guó)道依茨 BF8L513型柴油機(jī)在低溫啟動(dòng)性能方面具有領(lǐng)先水平，–41 ℃環(huán)境條件下，預(yù)熱8 min啟動(dòng)后，暖機(jī)在2～8 min可達(dá)到規(guī)定負(fù)載。

發(fā)電機(jī)組低溫環(huán)境適應(yīng)性考核包括實(shí)地試驗(yàn)和試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。前者在氣候、地理等試驗(yàn)條件方面接近裝備實(shí)際使用情況，但試驗(yàn)環(huán)境條件不可控，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高；后者相對(duì)而言環(huán)境條件穩(wěn)定、可控，重復(fù)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)組相關(guān)性能的量化測(cè)試。條件所限，國(guó)內(nèi)對(duì)大功率發(fā)電機(jī)組的低溫環(huán)境模擬試驗(yàn)研究還很不充分，文中以鄭州佛光發(fā)電設(shè)備有限公司某4×250 kW發(fā)電機(jī)組為例，研究試驗(yàn)方法，驗(yàn)證低溫環(huán)境適應(yīng)性能。

1 低溫環(huán)境對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響

1.1對(duì)啟動(dòng)性能的影響

低溫環(huán)境對(duì)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)性能的影響主要包括進(jìn)排氣溫度、氣缸內(nèi)壓縮比、啟動(dòng)功率、蓄電池工作能力等方面[2—3]。低溫環(huán)境下潤(rùn)滑油黏度增加，使柴油機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速降低而難以啟動(dòng)，經(jīng)寒區(qū)部隊(duì)對(duì)同一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)，在–23 ℃情況下，用SAE10W機(jī)油僅需3.7 kW的啟動(dòng)功率；用SAE20W機(jī)油需7.4 kW的啟動(dòng)功率；用SAE30W機(jī)油竟需11.8 kW的啟動(dòng)功率。低溫環(huán)境還會(huì)增大柴油的黏度和密度，據(jù)測(cè)定，當(dāng)氣溫從40 ℃降到–10 ℃時(shí)，柴油的黏度提高83%，密度增大8%，柴油的流動(dòng)性變差，霧化不良，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣體壓力和溫度不足，造成柴油機(jī)啟動(dòng)困難。此外，低溫環(huán)境下普通蓄電池的輸出功率大為降低，一般蓄電池的標(biāo)稱(chēng)容量是在30 ℃放電10 h的情況下來(lái)確定的。當(dāng)電池溫度低于30 ℃時(shí)，每降低1 ℃其容量降低1%～1.5%，–40 ℃條件下，其容量不足30 ℃容量的50%，導(dǎo)致啟動(dòng)機(jī)無(wú)力拖動(dòng)柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)[4—8]。

1.2對(duì)發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)的影響

在低溫環(huán)境下，發(fā)電機(jī)導(dǎo)線(xiàn)溫升增高，因熱膨脹伸長(zhǎng)過(guò)多而造成絕緣部分裂損；轉(zhuǎn)子銅鐵溫差過(guò)大，可能引起轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈永久變形；軸承脂黏度變差，影響潤(rùn)滑效果；產(chǎn)生結(jié)露，降低電機(jī)的絕緣電阻。此外，電路系統(tǒng)焊腳與電路板可能脫離[9]。

1.3對(duì)結(jié)構(gòu)材料的影響

低溫環(huán)境下各種材料因熱脹冷縮影響公差配合與使用壽命。工程塑料變硬、變脆、韌性消失；橡膠材料的硬度上升，抗拉伸強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率下降，易發(fā)生脆性損壞，使輪胎彈性變微，密封件失效；聚酯薄膜、玻璃漆布、層壓及粉壓塑料等機(jī)械強(qiáng)度降低，當(dāng)同時(shí)經(jīng)受外界機(jī)械力作用會(huì)脆裂[10]。

2 試驗(yàn)方案[11—15]

根據(jù)GJB 150A—2009 《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》、GJB 1488—92 《軍用內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法》以及《4×250 kW發(fā)電機(jī)組低溫環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)大綱》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定要求，合理確定試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)條件、試驗(yàn)程序。

2.1 目的方法

該試驗(yàn)考核發(fā)電機(jī)組低溫環(huán)境適應(yīng)性：經(jīng)-55 ℃條件下貯存后，發(fā)電機(jī)組無(wú)損壞，恢復(fù)常溫后工作正常。

發(fā)電機(jī)組在–40 ℃條件下，在20 min內(nèi)啟動(dòng)成功，在空載、額定電壓和額定頻率下運(yùn)行1 min，加50%負(fù)載運(yùn)行1 min，加至額定負(fù)載運(yùn)行1 min，之后維持運(yùn)行狀態(tài)2 h。

2.2 條件

試驗(yàn)在高低溫綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)室中進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)室型號(hào)規(guī)格為 GDTHP-1400；內(nèi)部尺寸為 17.5 m×14 m×6 m；溫度范圍為–55～70 ℃；溫度變化速率≤3 /min℃

2.3 測(cè)試設(shè)備

軍用電源性能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)由工中頻負(fù)載、數(shù)據(jù)采集處理單元、控制操作臺(tái)和軟件系統(tǒng)組成?？勺詣?dòng)完成發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣性能試驗(yàn)、瞬態(tài)電氣性能試驗(yàn)、連續(xù)性能試驗(yàn)等。

2.4 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)的具體流程如圖1所示。

1）機(jī)組已加滿(mǎn)-50#低溫柴油、0W-40潤(rùn)滑油、防凍液、配好容量充裕的蓄電池。

2）機(jī)組進(jìn)入試驗(yàn)室后，調(diào)節(jié)室溫至–55 ℃，保持此貯存溫度24 h。對(duì)電站進(jìn)行全面的目視檢查，記錄檢查結(jié)果，并與試驗(yàn)前數(shù)據(jù)比較。

3）調(diào)節(jié)室溫至–40 ℃，保持12 h。

4）啟動(dòng)機(jī)組預(yù)熱裝置（燃油液體加熱器及進(jìn)氣加熱器），20 min內(nèi)啟動(dòng)機(jī)組；

5）啟動(dòng)成功后，空載額定電壓和額定頻率各運(yùn)行1 min，加50%負(fù)載運(yùn)行1 min，額定負(fù)載運(yùn)行1 min，之后維持運(yùn)行狀態(tài)2 h。

6）按照 GJB 1488—92 《軍用內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法》有關(guān)要求，測(cè)量并記錄機(jī)組在0%，25%，50%，75%，100%負(fù)載下的電壓與頻率變化，計(jì)算穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率、穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率、電壓波動(dòng)率和頻率波動(dòng)率等性能指標(biāo)。

7）檢查塑料件、橡膠件、金屬件，觀察有否斷裂現(xiàn)象，記錄檢查結(jié)果。

8）將試驗(yàn)室氣溫度調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的溫度，待機(jī)組達(dá)到溫度穩(wěn)定后，重復(fù)步驟5）—8）。

3 結(jié)果分析

以2#機(jī)組為例，在–55 ℃環(huán)境下貯存48 h后，樣機(jī)塑料件、橡膠件、金屬件無(wú)斷裂現(xiàn)象，恢復(fù)常溫后能夠正常工作。樣機(jī)2#機(jī)組用時(shí)11′20″啟動(dòng)成功，21′44″加至額定負(fù)載，連續(xù)運(yùn)行2 h，電站工作正常。2#機(jī)組電氣性能測(cè)試數(shù)據(jù)：穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為–0.880%，穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率為–0.036%，穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)率為0.175%，穩(wěn)態(tài)頻率波動(dòng)率為0.080%。2#機(jī)組低溫貯存與低溫工作試驗(yàn)的考核結(jié)果見(jiàn)表1，不同負(fù)載條件下機(jī)組的輸出電壓與頻率值如圖2所示。

分析表1和圖2可得出以下結(jié)論。

1）啟動(dòng)性能。–40 ℃環(huán)境條件下，樣機(jī)經(jīng)燃油加熱器加熱及進(jìn)氣預(yù)熱后，用時(shí) 11′20″啟動(dòng)成功，空載、半載、滿(mǎn)載狀態(tài)各運(yùn)行1 min后連續(xù)運(yùn)行2 h。

2）低溫工作特性。實(shí)現(xiàn)了低溫條件下大功率發(fā)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的電氣性能量化考核。經(jīng)計(jì)算，其穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為–0.880%，穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率為–0.036%，穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)率為0.175%，穩(wěn)態(tài)頻率波動(dòng)率為0.080%，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定和使用要求。

3）結(jié)構(gòu)材料性能。試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)塑料件、橡膠件、金屬件無(wú)斷裂現(xiàn)象。

圖2 不同負(fù)載下電壓頻率值

表1 2#機(jī)組低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

分析了低溫環(huán)境對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響，針對(duì)某4×250 kW大功率發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了–55 ℃低溫貯存試驗(yàn)與–40 ℃低溫工作試驗(yàn)。研究確定了試驗(yàn)方法，重點(diǎn)檢查了低溫環(huán)境下發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)性能、電氣性能及結(jié)構(gòu)材料等性能參數(shù)。結(jié)果表明，該發(fā)電機(jī)組滿(mǎn)足低溫環(huán)境適應(yīng)性要求，也為其他大功率發(fā)電機(jī)組的低溫環(huán)境適應(yīng)性考核提供了指導(dǎo)方法。

[1] 高允國(guó), 張玉奎, 郭紅莉, 等. 低溫對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響分析及對(duì)策研究[J]. 移動(dòng)電源與車(chē)輛, 2015 (4): 36—39.

[2] 魏廣華. 柴油機(jī)的低溫啟動(dòng)措施[J]. 工程機(jī)械與維修, 2011(1): 164—166.

[3] 王忠, 葉飛飛, 馬金榮, 等. 柴油機(jī)冷啟動(dòng)阻力矩試驗(yàn)研究[J]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī), 2008(2): 10—12.

[4] 胡明江, 王忠, 祁利巧. 車(chē)用蓄電池低溫啟動(dòng)容量的研究[J]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī), 2008(3): 13—16.

[5] 葉飛飛. 低溫環(huán)境下車(chē)用起動(dòng)系統(tǒng)分析與試驗(yàn)研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué), 2009.

[6] 李秀珍, 周桂鳳. 車(chē)輛低溫環(huán)境下啟動(dòng)的探討與試驗(yàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī), 2007(2): 30—33.

[7] 胡玉貴, 栗彥輝. 柴油機(jī)低溫啟動(dòng)的影響因素和改善措施[J]. 移動(dòng)電源與車(chē)輛, 2004(1): 29—32.

[8] BUCK W H, LOHUIS J R. Lubricant Effects on Low Temperature Diesel Engine Cold Starting[C]// 1994 Subzero Engineering Conditions Conference and Exposition. SAE Paper, 1994.

[9] 陳應(yīng)芳. 電源車(chē)輛性能[M]. 甘肅: 甘肅科學(xué)出版社, 1995.

[10] 和穆, 王憲成, 楊瑩, 等. 極限環(huán)境溫度對(duì)柴油機(jī)氣缸套磨損的影響[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào), 2012, 10(2): 212—214.

[11] 程培源, 楊旭峰, 張強(qiáng), 等. 某型柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)試控制系統(tǒng)的研制[J]. 移動(dòng)電源與車(chē)輛, 2007(4): 24—28.

[12] 田睿, 萬(wàn)瑞升. 某型軍用電源車(chē)高低溫環(huán)境試驗(yàn)方法探討[J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(1): 102—104.

[13] GJB 235A—97, 軍用交流移動(dòng)電站通用規(guī)范[S].

[14] GJB 150—2009, 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S].

[15] GJB 1488—92, 軍用內(nèi)燃機(jī)電站通用試驗(yàn)方法[S].

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，碩士，主要研究方向?yàn)檠b備測(cè)試與診斷。