王田綱，吳俢江，李圣強(qiáng)，李前

1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250000；2.山東萊鋼節(jié)能環(huán)保工程有限公司，山東濟(jì)南 271100;

3.淄博淄柴新能源有限公司，山東淄博 255088

0 引言

現(xiàn)代燃油/燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊、升功率大和強(qiáng)化程度高，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷明顯增大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求[1]。開發(fā)高效可靠的冷卻系統(tǒng), 已成為進(jìn)一步提高功率、改善經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵技術(shù)[2]。先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)不僅要保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性，還要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的精確控制，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，有效減少冷卻系統(tǒng)自身的功耗損失[3]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高功率密度、低油耗和低排放的方向發(fā)展，冷卻系統(tǒng)的智能化集成控制將成為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與冷卻系統(tǒng)良好匹配、提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的重要手段[4]。為從源頭解決冷卻系統(tǒng)的智能化集成控制問題，汽車領(lǐng)域提出了熱管理的理念，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱管理研究，通過改善熱量分配、降低熱負(fù)荷、優(yōu)化子系統(tǒng)匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可提升8.5%，NOx排放降低30%，預(yù)熱時(shí)間減少80%[5]。熱管理首先要面對(duì)的問題是如何實(shí)現(xiàn)可控式的冷卻系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻量的優(yōu)化研究。這需要兩個(gè)基本條件：一是最佳的冷卻介質(zhì)溫度作為控制依據(jù)；二是實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的合理控制策略。只有具備以上兩個(gè)前提條件，才能實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的可控化和智能化開發(fā)及應(yīng)用[6]。

國內(nèi)外對(duì)冷卻系統(tǒng)的智能化與可控化設(shè)計(jì)取得了一定的研究成果和應(yīng)用。博格華納公司提出了雙模式冷卻泵(dual mode cooling pump, DMCP)控制策略，針對(duì)不同工況下冷卻液溫度和流量，判定和選擇不同的冷卻水泵運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)和冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)[7]。相關(guān)研究成果表明，采用電控式水泵，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻介質(zhì)流量的獨(dú)立控制，且安裝位置靈活，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后仍可以工作，避免當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)停機(jī)后出現(xiàn)缸體內(nèi)溫度過高的現(xiàn)象[8]。Valeo Engine Cooling 公司開發(fā)出了配備可變速冷卻風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)基于智能化控制，依據(jù)采集的溫度信號(hào)(如水溫和進(jìn)氣溫度)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使動(dòng)力系統(tǒng)工作在最佳溫度，在滿足散熱要求的前提下，有效降低風(fēng)扇的自耗和噪聲，達(dá)到節(jié)能降噪的目的[9]。韓曉峰等[10]開展了車用脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)冷卻風(fēng)扇智能化控制策略的試驗(yàn)研究，在智能化控制策略下，PWM冷卻風(fēng)扇能夠根據(jù)整車不同的運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確及時(shí)地控制和調(diào)整風(fēng)扇的運(yùn)行，保證整車的熱平衡和空調(diào)性能，經(jīng)濟(jì)性和降噪性能的改善尤為突出。對(duì)冷卻介質(zhì)溫度設(shè)定點(diǎn)的研究結(jié)果表明，冷卻液流量、溫度參數(shù)的合理控制，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低冷卻系統(tǒng)寄生損失[11]。自控式、智能化的冷卻系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的不足，可以依據(jù)系統(tǒng)溫度變化，快速、精確地實(shí)現(xiàn)冷卻強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，將冷卻介質(zhì)的工作溫度控制在最佳范圍內(nèi)，有利于提高動(dòng)力系統(tǒng)效率、降低故障率、延長(zhǎng)使用壽命。

G9512-500GFT型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組是冷熱電多聯(lián)供和應(yīng)急調(diào)峰微能源網(wǎng)供能的動(dòng)力系統(tǒng)。同燃油發(fā)電機(jī)組相比，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組通過應(yīng)用稀薄燃燒等技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和排放性能方面具有優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中要面對(duì)變工況動(dòng)態(tài)冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)的難題。燃?xì)鈩?dòng)力系統(tǒng)的各項(xiàng)性能必須有性能可靠的冷卻系統(tǒng)作為保障，變工況動(dòng)態(tài)供能動(dòng)力系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)控制冷卻系統(tǒng)散熱量，使各系統(tǒng)溫度盡快達(dá)到最佳工作狀態(tài)，過渡工況的熱平衡研究也是發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)的研究重點(diǎn)[12]。

1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組

冷卻系統(tǒng)配套于G9512-500GFT型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)高效率、低排放的目標(biāo)不僅依靠機(jī)組本身采用的稀薄燃燒技術(shù)和高配置，也離不開高性能的冷卻系統(tǒng)，受快速加載及運(yùn)行工況實(shí)時(shí)變化的影響，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對(duì)冷卻系統(tǒng)的全工況適用性能提出了更高的要求，不僅應(yīng)具備快速暖機(jī)、帶負(fù)載的能力，冷卻系統(tǒng)還要在全工況范圍內(nèi)保持最佳的冷卻效果，避免過度冷卻或冷卻不足，以保證機(jī)組處于最優(yōu)的工作狀態(tài)。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組基本參數(shù)

1.2 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的首要任務(wù)是動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻，使發(fā)電機(jī)組工作在最佳的溫度范圍，其中的關(guān)鍵是選擇設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦鋮s型式并提高冷卻效率。因此，要求冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配需具備合理的控制策略，準(zhǔn)確的冷卻量，并應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證變工況時(shí)的冷卻效果。

2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配

本文中研究的冷卻系統(tǒng)基于自控式、智能化的控制策略，通過采集系統(tǒng)溫度參數(shù)、合理組織冷卻介質(zhì)流向、控制冷卻風(fēng)扇的起停，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，保證動(dòng)力系統(tǒng)始終工作在最佳的溫度。

2.1 冷卻系統(tǒng)控制策略

控制策略的實(shí)現(xiàn)由控制器、數(shù)據(jù)采集傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，以自控式、智能化為基本要求，以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況所需冷卻強(qiáng)度為目標(biāo)，通過聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)各部件設(shè)備和采集循環(huán)冷卻介質(zhì)溫度、混合燃?xì)獾倪M(jìn)氣溫度，實(shí)時(shí)、精確地組織冷卻介質(zhì)的流向、冷卻風(fēng)扇的起停，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，保持冷卻介質(zhì)工作在最佳溫度。

控制策略是根據(jù)實(shí)時(shí)的運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。指令執(zhí)行動(dòng)作包括：1)通過控制電動(dòng)冷卻風(fēng)扇的起停，增大或減小通過散熱器的空氣量；2)通過電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥合理組織和調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流向，增大或減少進(jìn)入散熱器的冷卻介質(zhì)流量。通過以上指令動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。

2.2 冷卻量的計(jì)算

系統(tǒng)冷卻量的計(jì)算包含兩部分，一部分為燃?xì)馀c空氣的混合燃?xì)庠谥欣淦鲀?nèi)冷卻所需的冷卻量；另一部分為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、機(jī)油所需冷卻量。兩部分冷卻量均通過冷卻介質(zhì)帶走，并最終通過風(fēng)扇散熱器與空氣進(jìn)行換熱、冷卻。冷卻系統(tǒng)高溫循環(huán)冷卻量包含機(jī)組機(jī)體部件的冷卻量和中冷器高溫側(cè)的冷卻量；低溫循環(huán)冷卻量?jī)H為中冷器低溫側(cè)的冷卻量。

按機(jī)組額定工況下所需耗氣量、混合燃?xì)饬?、熱焓等參?shù)，增壓后混合燃?xì)鉁囟扔?00 ℃降至45 ℃時(shí)計(jì)算中冷器所需冷卻量為121.5 kW。根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)及中冷器產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，低溫循環(huán)冷卻量為48.6 kW，高溫循環(huán)冷卻量為257.9 kW。

2.3 冷卻介質(zhì)流量計(jì)算

冷卻量確定后，依據(jù)要求的冷卻量、溫差以及冷卻介質(zhì)比熱容等綜合計(jì)算冷卻介質(zhì)循環(huán)流量

式中：Qw為冷卻系統(tǒng)所需的冷卻量，kW；C為冷卻介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·℃) ；ρ為冷卻介質(zhì)密度，kg/m3；Δt為冷卻介質(zhì)溫差，℃。

輕負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液選用乙二醇為冷卻介質(zhì)，乙二醇的體積分?jǐn)?shù)為50%的稀釋液適用最低溫度為-20 ℃，運(yùn)行溫度為40～45 ℃時(shí)的比熱容為3.36 kJ/(kg·℃)；運(yùn)行溫度為80～85 ℃時(shí)的比熱容為3.52 kJ/(kg·℃)。

額定負(fù)荷下低溫循環(huán)溫降為3.2～5.4 ℃。溫差為3.2 ℃和5.4 ℃時(shí)所需的冷卻介質(zhì)循環(huán)流量分別為15.3和9.1 m3/h；額定負(fù)荷下高溫循環(huán)溫降為4.5～5 ℃。溫差為4.5 ℃和5 ℃時(shí)所需的冷卻介質(zhì)循環(huán)流量分別為55.3和49.8 m3/h。

2.4 主輔設(shè)備匹配選型

1)一體式風(fēng)扇散熱器

風(fēng)扇散熱器是冷卻系統(tǒng)中的熱交換部件，由冷卻風(fēng)扇、散熱器芯體、膨脹水箱及框架組成。匹配電控式冷卻風(fēng)扇、直流式散熱器芯體結(jié)構(gòu)。

散熱器根據(jù)冷卻系統(tǒng)的高/低溫循環(huán)分為低溫側(cè)散熱器芯體和高溫側(cè)散熱器芯體，需要設(shè)計(jì)為低溫側(cè)在前，高溫側(cè)在后，采用4個(gè)可獨(dú)立控制的電控冷卻風(fēng)扇(每臺(tái)風(fēng)扇功率為4 kW)。一體式風(fēng)扇散熱器基本參數(shù)如表2所示。

表2 一體式風(fēng)扇散熱器基本參數(shù)

2)電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥

電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥基本參數(shù)如表3所示。調(diào)節(jié)閥是冷卻介質(zhì)流向的組織調(diào)節(jié)設(shè)備，通過接收控制器的控制指令，根據(jù)控制策略要求自動(dòng)調(diào)整內(nèi)部筏瓣開度，實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)的流向組織調(diào)節(jié)，控制冷卻介質(zhì)全部或部分流經(jīng)風(fēng)扇散熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。

表3 電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥基本參數(shù)

3)電控循環(huán)水泵

水泵是冷卻系統(tǒng)的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，為冷卻介質(zhì)的循環(huán)提供動(dòng)力，是流量和壓力的保障。綜合考慮冷卻系統(tǒng)的性能、機(jī)組的運(yùn)行模式和盡量降低設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的難度，本文中采用獨(dú)立式定頻電控式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。電控循環(huán)水泵基本參數(shù)如表4所示。

表4 電控循環(huán)水泵基本參數(shù)

4)溫度傳感器

在高/低溫散熱器出水口、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)出水口設(shè)置溫度傳感器，為冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)采集和提供數(shù)據(jù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)混合燃?xì)膺M(jìn)氣口同樣設(shè)置溫度傳感器，作為重要的測(cè)量及控制信號(hào)反饋給冷卻系統(tǒng)控制器。

5)壓力膨脹罐

作為系統(tǒng)的穩(wěn)壓設(shè)備，罐內(nèi)預(yù)充一定壓力的氮?dú)猓ㄟ^罐內(nèi)的柔性膜片，將罐內(nèi)空間分為氣室和水(冷卻介質(zhì))室。在冷卻介質(zhì)循環(huán)過程中，當(dāng)冷卻介質(zhì)因熱脹冷縮、空氣析出等原因?qū)е鹿艿缐毫ψ兓瘯r(shí)，用以自動(dòng)平衡系統(tǒng)內(nèi)的壓力。

6)自動(dòng)排氣裝置

系統(tǒng)的排氣裝置將系統(tǒng)內(nèi)的空氣排出，包括首次添加冷卻介質(zhì)時(shí)高處管道內(nèi)殘留的空氣以及運(yùn)行過程中從冷卻介質(zhì)中析出的空氣，以保證冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)壓力及流量要求。

3 試驗(yàn)用冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩套試驗(yàn)用冷卻系統(tǒng)方案。方案1中冷卻介質(zhì)流向組織完全依靠控制策略對(duì)電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)；方案2系統(tǒng)流程中加入手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，在系統(tǒng)控制策略自動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)冷卻介質(zhì)的流向組織。

3.1 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)用設(shè)備配置

為保證冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)的符合性和準(zhǔn)確性，除按設(shè)計(jì)要求完成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組本體的樣機(jī)裝配外，還為本次冷卻系統(tǒng)的試驗(yàn)工作配備相應(yīng)的檢測(cè)、計(jì)量設(shè)備，如表5所示。

表5 試驗(yàn)用檢測(cè)、計(jì)量設(shè)備配置

3.2 試驗(yàn)用冷卻系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

綜合G9512-500GFT型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本控制策略及設(shè)備性能要求，結(jié)合試驗(yàn)期間采集的驗(yàn)證參數(shù)，在機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)配置冷卻系統(tǒng)中加入溫度、壓力、流量測(cè)點(diǎn)。

4 冷卻系統(tǒng)的性能試驗(yàn)

整體性能試驗(yàn)為驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)是否能夠根據(jù)冷卻強(qiáng)度的變化，按設(shè)計(jì)的控制策略，實(shí)現(xiàn)自控式、智能化的動(dòng)態(tài)冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)，并保持最佳的冷卻介質(zhì)運(yùn)行溫度。

采用臺(tái)架模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合性驗(yàn)證。臺(tái)架模擬試驗(yàn)具有可靠性高、周期短的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架要求比較高，是目前很多科研單位的主流研究方法[13]。

4.1 試驗(yàn)用樣機(jī)及冷卻系統(tǒng)組裝

按前文所述試驗(yàn)用機(jī)組的基本配置、冷卻系統(tǒng)原理圖及基本的系統(tǒng)設(shè)備匹配選型，由試驗(yàn)所在公司完成試驗(yàn)樣機(jī)組裝，試驗(yàn)機(jī)組及冷卻系統(tǒng)組裝后如圖2所示。

4.2 試驗(yàn)臺(tái)架選擇

結(jié)合燃?xì)廨斔凸艿拦軓?、排氣系統(tǒng)管道管徑、試驗(yàn)場(chǎng)地基礎(chǔ)條件、試驗(yàn)用電力負(fù)載設(shè)備等情況，經(jīng)過對(duì)某公司現(xiàn)有8個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的綜合比較，選取其一處試驗(yàn)臺(tái)架作為驗(yàn)證試驗(yàn)用臺(tái)架，滿足試驗(yàn)所需的機(jī)組運(yùn)行及變工況負(fù)載要求。

4.3 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)比分析

試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為21～22 ℃，相對(duì)濕度為41%～42%。針對(duì)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行兩種方案的綜合對(duì)比分析，驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配的可行性和合理性，以及在現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)性能條件下，機(jī)組各性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3.1 高溫循環(huán)冷卻介質(zhì)溫度對(duì)比分析

兩種設(shè)計(jì)方案在各工況下冷卻介質(zhì)溫度基本一致。變工況過程中功率上升和下降階段高溫循環(huán)冷卻介質(zhì)溫度變化如圖3、4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案均具備可靠的自控式冷卻強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。

由圖3、4可知，機(jī)組變工況運(yùn)行情況下，冷卻系統(tǒng)能夠按設(shè)計(jì)的控制策略，通過系統(tǒng)溫度變化的反饋信號(hào)調(diào)整電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的開度、冷卻風(fēng)扇起/停，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻介質(zhì)的流向組織和冷卻強(qiáng)度的自控式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；功率上升、下降階段，冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的冷卻介質(zhì)溫度提升和高溫工況運(yùn)行能力。機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，高溫循環(huán)冷卻介質(zhì)維持在82～86 ℃，機(jī)組處于較佳的溫度范圍內(nèi)工作。

4.3.2 低溫循環(huán)冷卻介質(zhì)溫度對(duì)比分析

變工況過程中功率上升和功率下降階段低溫循環(huán)冷卻介質(zhì)溫度對(duì)比如圖5、6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案都具備對(duì)冷卻強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，但在功率達(dá)到額定功率的50%以上后，方案2試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)于方案1。

由圖5、6可知，冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)冷卻介質(zhì)的流向組織和冷卻強(qiáng)度的自控式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；與方案1相比，方案2通過調(diào)節(jié)手動(dòng)閥門對(duì)冷卻介質(zhì)流向組織的干預(yù)，保證了中冷器高溫側(cè)的冷卻強(qiáng)度。功率上升、下降階段，機(jī)組達(dá)到額定功率的50%以上后，方案2冷卻介質(zhì)仍能保持溫度穩(wěn)定在32～40 ℃，保證了較合適的混合燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度。

4.3.3 混合燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度對(duì)比分析

兩個(gè)試驗(yàn)方案的混合燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度對(duì)比如圖7、8所示。

由圖7、8可知，在功率負(fù)荷達(dá)到50%以上時(shí)，方案1混合燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度超過設(shè)計(jì)允許值(≤45 ℃)；方案2冷卻系統(tǒng)混合燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，優(yōu)于方案1，且兩個(gè)方案在功率上升和下降階段的混合燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度走向基本一致，說明冷卻系統(tǒng)工作均勻和穩(wěn)定。

初步分析方案1試驗(yàn)的異常情況為中冷器高溫側(cè)冷卻強(qiáng)度不足導(dǎo)致。由于冷卻介質(zhì)的流向組織不足，導(dǎo)致流經(jīng)中冷器高溫側(cè)的冷卻介質(zhì)流量偏小，對(duì)該部分的冷卻強(qiáng)度不足。

4.3.4 燃?xì)鉄岷穆蕦?duì)比分析

兩個(gè)試驗(yàn)方案的燃?xì)鉄岷穆蕦?duì)比如圖9、10所示。

由圖9、10可知，額定功率時(shí)，方案1的燃?xì)鉄岷穆蕿?.7 MJ/(kW·h)，超過產(chǎn)品設(shè)計(jì)值；方案2試驗(yàn)測(cè)得的燃?xì)鉄岷穆蕿?.4 MJ/(kW·h)，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。兩個(gè)階段的燃?xì)鉄岷穆首呦蚧疽恢?，?yàn)證了冷卻系統(tǒng)工作的均勻性和穩(wěn)定性。

方案1試驗(yàn)異常的原因?yàn)榛旌先細(xì)膺M(jìn)機(jī)溫度過高，過量空氣系數(shù)偏低，導(dǎo)致缸內(nèi)混合燃?xì)馊紵怀浞?，部分未完全燃燒的燃料隨尾氣排出，造成機(jī)組燃?xì)鉄岷穆势摺?/p>

4.3.5 機(jī)組排氣溫度對(duì)比分析

兩個(gè)試驗(yàn)方案的機(jī)組排氣溫度對(duì)比如圖11、12所示。

由圖11、12可知，當(dāng)功率達(dá)到額定功率的50%以上時(shí)，方案1的排氣溫度達(dá)到495～520 ℃，超過產(chǎn)品設(shè)計(jì)許用值(≤475 ℃)，并伴隨有爆震異常；方案2試驗(yàn)得出在各工況條件下排氣溫度滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，且在功率上升、功率下降階段的各工況排氣溫度走向基本一致。

初步分析方案1試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常的原因?yàn)榛旌先細(xì)膺M(jìn)機(jī)溫度偏高，導(dǎo)致混合燃?xì)饽芰棵芏冉档停變?nèi)燃燒終了溫度增高，化學(xué)反應(yīng)速度加快，燃燒始點(diǎn)提前，缸內(nèi)最高燃燒壓力和溫度增加[14]，造成排氣溫度偏高。

4.4 試驗(yàn)機(jī)組排放參數(shù)

試驗(yàn)過程中，記錄各試驗(yàn)階段功率、尾氣流量、排放測(cè)試數(shù)據(jù)等參數(shù)，按O2的體積分?jǐn)?shù)不超過5%折算。按照文獻(xiàn)[15]的規(guī)定要求進(jìn)行測(cè)定，對(duì)機(jī)組在50%、75%、100%負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)的排放參數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

方案1試驗(yàn)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組排放參數(shù)經(jīng)過加權(quán)計(jì)算，NOx比排放為1.83 g/(kW·h)，折算機(jī)組500 kW時(shí)的NOx排放為465.89 mg/m3，小于設(shè)計(jì)限值500 mg/m3，滿足機(jī)組排放性能要求。

方案2試驗(yàn)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組排放參數(shù)經(jīng)過加權(quán)計(jì)算，NOx比排放為1.77 g/(kW·h)，折算機(jī)組500 kW時(shí)的NOx排放為431.29 mg/m3，小于設(shè)計(jì)限值500 mg/m3，滿足機(jī)組排放性能要求。

方案2的運(yùn)行工況下機(jī)組的NOx排放比方案1降低約8.02%，方案2極大地提高了機(jī)組的排放性能指標(biāo)。

4.5 其它試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明

結(jié)合兩個(gè)冷卻系統(tǒng)方案試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)過程中變工況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，其它相關(guān)測(cè)試結(jié)果如下。

1)冷卻量試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本相符，證明理論計(jì)算準(zhǔn)確、可靠。機(jī)組在額定功率運(yùn)行時(shí)，高溫循環(huán)和低溫循環(huán)散熱量試驗(yàn)結(jié)果分別為247.3 和49.2 kW，與理論計(jì)算結(jié)果257.9和48.6 kW基本一致。

2)冷卻系統(tǒng)壓力符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)許用范圍，低溫循環(huán)壓力為0.13～0.15 MPa，高溫循環(huán)壓力為0.12 ～0.16 MPa，符合系統(tǒng)運(yùn)行壓力0.10～0.25 MPa的要求。

3)機(jī)油溫度為71.0～90.2 ℃，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)許用范圍內(nèi)(≤110 ℃)，滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。

5 結(jié)語

通過理論設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，研究基于自控式、智能化控制策略的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)。對(duì)控制策略設(shè)計(jì)的合理性、冷卻介質(zhì)流向組織及輔助調(diào)節(jié)的有效性、冷卻量計(jì)算的準(zhǔn)確性、主輔設(shè)備設(shè)計(jì)匹配的可靠性、冷卻系統(tǒng)整體性能的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)滿足所配套G9512-500GFT型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的全工況動(dòng)態(tài)冷卻量調(diào)節(jié)要求，并能夠保持較佳的工作溫度。優(yōu)化后的方案2冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，燃?xì)鉄岷穆时确桨?降低約3.5%，機(jī)組的NOx排放降低約8.0%，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和排放性。

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配可通過對(duì)動(dòng)態(tài)冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)方案改進(jìn)、理論研究和數(shù)值模擬分析進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。