1.前言
在高原，由于環境因素的變化，導致工程機電裝備的實際使用條件與原設計條件產生了較大的差異，致使工程機電裝備的性能及可靠性嚴重下降，給國家經濟建設和國防建設造成了持續不斷的損失。因此，加強工程機電裝備高原環境適應性技術的基礎研究工作，對發展高原型工程機電裝備是必不可少的。
柴油發電機組，廣泛地應用于我國高原地區礦山、交通、建筑、農田、水利等工程施工部門。目前我國生產的普通型柴油發電機組，只適用于海拔1000m以下。根據GB/T2819規定，在海拔1000m以上、3000m以下，采用功率修正的辦法。受高原特殊環境條件的影響，機組原動機功率下降，油耗增加，熱負荷上升，對機組功率及主要電氣參數產生較大影響；即使是強化增壓型機組，由于原動機受高原條件影響的實質并未改變，只是性能下降幅度有所減小，問題依然存在。機組油耗率、熱負荷升高和可靠性的下降給用戶和國家造成的經濟損失每年可達億元，嚴重影響高原地區的社會效益和部隊軍事裝備保障的有效性；動力性的下降，致使機組在使用時應有的負荷能力下降，造成設備和電網因電力供應不足，無法達到應有的工作和生產能力。
本文從理論分析出發，結合實例，來探討高原環境對柴油發電機組性能的影響及其對策措施。
2.機組性能隨海拔高度變化的機理
(1)海拔高度變化對發電機組性能的影響
機組12h標定輸出的電功率與柴油機輸出功率間的關系為：
P＝η1.η2.η3.Nb
＝ηz.Nb
＝ηz.Mf.nb
其中P——電機輸出的額定電功率(kW)
η1——柴油機（軸輸出功率/額定功率）的輸出功率拆合系數η1＝Nf/Nb
Nf——飛輪輸出功率Nf＝Nb－△N
△N——輔件消耗功率(kW)
η2——傳動效率
η3——發電機效率
ηz——機組總效率ηz＝η1.η2.η3
Nb——柴油機標定功率(kW)
Mf——額定點飛輪輸出扭矩Mf＝Nf/nb(N.m)
nb——標定功率點轉速(r/min)
因為：P＝IUcosφ
其中：I——發電機電流(A)
U——發電機額定電壓(V)
cosφ——功率因數
所以電站輸出電流：
I＝Mfnbηz/Ucosφ
由于nb、ηz作為固有特性，屬于與海拔高度無關的參數，電壓U可通過電壓自動調節裝置保持常數，功率因數cosφ只與負載有關，負載相同的情況下，cosφ為常數。因此，機組的輸出電流是以柴油機輸出功率(或扭矩)為自變量的函數，并且基本上呈線性關系I＝f(Mf)＝αMf。而功率(或扭矩)又是以海拔高度為自變量的函數，即：I＝f(H)，其中H為海拔高度變化參數。由此可見，機組的輸出電流將隨海拔高度的變化而變化。海拔升高，機組的功率即輸出電流下降、油耗率上升，這種影響還不同程度地要波及到電氣性能指標。
因此，要解決因高原環境引起的柴油發電機組電功率下降問題，首先要解決原動柴油機的功率下降問題。通過功率恢復型增壓中冷等一系列高原適應性成套技術措施，有效地恢復機組原動柴油機的動力性、經濟性、熱平衡性及低溫起動性能，從而使機組電氣性能恢復到原有水平，并將在較寬海拔高度范圍內具有很強的環境適應能力。
(2)高原型機組主要電氣性能指標的變化分析
⑴穩態電壓調整率δu
δu＝│(u1－u)/u│×100％
其中：u——空載整定電壓(V)
u1——負載變化后的穩定電壓最大值或最小值(V)，按相對于空載整定電壓差值大的計
一般柴油發電機組都具有恒壓裝置，所以其變化程度應與低海拔地區相同。
⑵穩態頻率調整率δf
δf＝│(f1－f0)/f│×100％
其中：f1——負載變化后的穩定頻率最大值或最小值(Hz)
f0——額定負載時的頻率(Hz)
f──額定頻率(Hz)
機組的頻率是由其本身結構決定的，頻率的變化與柴油機轉速成正比關系。由于柴油機的調速器為機械離心式，其工作性能不受海拔高度變化的影響，所以穩態頻率調整率的變化程度應與低海拔地區相同。
⑶瞬態電壓調整率δus與瞬態頻率調整率δfs?
δus?＝│(us－u)/u│×100％
δfs?＝│(fs－f2)/f│×100％
其中：us——負載變化時的瞬時電壓最大值或最小值(V)，按相對于空載整定電壓差值大的計算
fs——負載變化時的瞬時頻率最大值或最小值(Hz)
f2——負載變化前的頻率(Hz)
負載的瞬時變化，必將引起柴油機扭矩的瞬時變化，而柴油機的輸出功率不會發生瞬時變化。由公式Nb＝1.04×10-4Mf•nb，可知柴油機轉速與扭矩成反比，柴油機的轉速也將發生瞬時變化，這樣發電機轉子的轉速也將發生瞬時變化，由此而產生了瞬時電壓Us與瞬時頻率fs。一般來說，這兩個指標不受海拔高度的影響，但對于增壓型機組，由于增壓器響應速度的滯后影響了柴油機轉速的響應速度，這兩個指標有所升高。
⑷電壓穩定時間與頻率穩定時間
負載的突變引起柴油機轉速的波動，通過調速器使燃油供油量向相反的方向變化，從而使柴油機回到規定的轉速，也改變了柴油機的輸出功率。同樣，對于自然吸氣的柴油機來講，海拔高度的變化不會影響這兩個指標。但對于增壓型柴油機，由于供油量的改變，可燃混合氣體的比例也發生變化，排出的廢氣壓力也隨之變化，這樣經過廢氣渦輪增壓的空氣量也發生變化，由于增壓機較非增壓機在動力響應上有一定的滯后，將使柴油機轉速恢復穩定的時間延長，即電壓穩定時間與頻率穩定時間延長，但這種變化將不會有太大影響。
⑸電壓波動率δub與頻率波動率δfb 
其中：UBmax——負載不變時的最高電壓(V)
UBmin——負載不變時的最低電壓(V)
UBmax和UBmin取同一負載下同一次測量的最大值和最小值
fBmax——負載不變時的最高頻率(Hz)
fBmin——負載不變時的最低頻率(Hz)
fBmax和fBmin取同一負載下同一次測量的最大值和最小值。
這兩個指標用來考查機組本身的原因對輸出電壓及頻率的影響。由于機組恒壓裝置和調速器的穩定調節作用，這兩個參數不會隨海拔高度而變化。但對于增壓型機組來說，由于增壓系統對進排氣的輔助調節作用，這兩個指標應趨于減小。
3.實際影響
表1是我們對75GT11柴油發電機組原動機(A)6135D所作的平原、高原對比試驗數據。從中可以看出，隨海拔升高，機組輸出功率將顯著下降，而油耗率、排溫上升，排放狀況惡化。負載越大(50～110％)，影響尤甚。
表1(A)6135D柴油機高原性能變化試驗結果
項目
參數
海拔
≤500m
2206m
3860m
標定值
實測值
變化率%
實測值
變化率%
自然吸氣
最大供油時功率kW
117
96.75
-17.3
81.75
-30.1
額定點油耗率g/kW.h
≤227
263.64
16.1
327.43
+44
額定點排溫℃
470℃
550℃
17
630℃
+34
額定點煙度RB
≤3.0
3.5
6.0
50%負載時油耗率g/kW.h
257
259
0.7
259
+0.7
4.對策措施
根據分析研究，我們提出以下解決措施：
(1)功率恢復型增壓技術
功率恢復型增壓主要是對非增壓柴油機在高原功率下降的情況下采取的增壓措施，它通過增壓供氣，增加氣缸的充氣密度，以提高過量空氣系數，達到缸內燃油充分燃燒、恢復平均有效壓力的目的，使其功率恢復到原機低海拔標定水平，期間其供油量保持不變。因此，良好的增壓匹配是機組性能恢復最重要的技術關鍵。
(2)中冷措施
進氣經增壓后，其溫度隨壓力同時升高，影響進氣密度及功率恢復，并造成熱負荷和排溫的急劇升高，進一步影響到可靠性。采用中間冷卻裝置對增壓進氣進行冷卻，有利于降低熱負荷，并進一步提高功率，其與增壓措施的配合是提高功率和可靠性的關鍵一環。
(3)熱平衡控制
增壓恢復功率后，原機冷卻系統已不能滿足要求。原因在于高原環境下，空氣密度下降，冷卻水沸點降低，如若采取水中冷措施，更增加了新的熱源，為此需重新調整選配合適的水箱和風扇參數，使柴油機熱平衡得到合理控制。
(4)增壓型空氣濾清系統
柴油機增壓時供氣量將增加，尤其針對高原沙塵大的特點，要求空濾器應盡可能具有效率高、阻力小、流量大、壽命長、體積小、重量輕、成本低、保養易等特點。
(5)高原低溫起動
高原低溫起動條件比較嚴酷。海拔4000m以內極端溫度雖不是很低(-30℃)，但由于氣壓低，起動時壓縮終點壓力及溫度不夠，以及增壓裝置對起動進氣的阻滯作用，因此使起動狀況不佳。但對機組來講，有利的方面是起動負荷相對較低，可在起動后溫度上升至適當狀況再加載。根據多年低溫起動試驗研究，考慮采用預熱起動并輔以低溫電瓶組合措施。
(6)增壓潤滑系統
增壓器是高溫、高速旋轉的部件，轉速高達105r/min，冷卻潤滑極為重要，其油料需專用增壓油品，并同時適用柴油機系統。
5.試驗結果
針對75GT11柴油發電機組，我們對其原動機實施了增壓中冷恢復功率成套高原適應性技術措施。經海拔2206m、3860m實地試驗研究，確定最佳方案如下：
(1)GJ80A增壓器匹配(A)6135D柴油機；
(2)采用水中冷措施，利用水箱回水作為介質冷卻進氣；
(3)實際散熱能力較原機增大20％；
(4)選用K2640X-1型空氣濾清器，其額定流量、濾清效率比原機大約40％；
(5)采用YJ-D14/2型起動預熱加熱器和195D低溫電瓶；
(6)設計可靠的增壓器冷卻潤滑系統，主選試驗油品為CD40級柴機油。
表2、表3是采取高原適應性技術措施后原動機、發電機組與改造前的對比試驗數據。
表2(A)6135D配GJ80A增壓中冷性能實測結果與對比
項目
參數
≤500m標定值
海拔2206m
海拔3860m
恢復率％
CJ80A
匹配
最大供油功率kW
117
118.5
119
100~122
額定點油耗率g/kW.h
≤227
227.5
227
等同
額定點排溫％
470
407(460)
389(460)
-15.7
50%負載時油耗率g/kW.h
257
260
258
等同
額定點煙度RB
≤3.0
2.5
2.5
額定點壓比
/
1.51
1.66
表3高原型機組主要電氣性能指標結果與對比
測試項目
原機鄭州實測值
高原實測值
高原型鄭州實測值
GB/T2819-95規定值
環境溫度(％)
27
11~22
23
海拔高度(％)
120
3860
120
大氣壓力(hPa)
1001.08
648
1007.75
絕緣電阻(MΩ)
6
5
穩態電壓調整率(%)
±4.1
±3.5
±2.6
±5
穩態頻率調整率(%)
±2.8
±3.2
±3
±5
瞬態頻率調整率(%)
±3.2
±8
±6
±10
頻率穩定時間(s)
1.6
3.3
3.1
7
頻率波動率(%)
±0.2
±0.19
±0.1
±1.0
電壓波動率(%)
±0.05
0
±0.05
±1.5
功率因數
1.0
1.0
1.0
1.0
燃油消耗率(g/kW.h)
258.6
265
266
≤290
噪音(A)
101.87
101.9
表2、3可以看出，在實施增壓中冷等措施后，(A)6135D柴油機功率、油耗率得以很好的恢復，熱負荷得到有效地控制，75GT11柴油發電機組主要電氣性能指標完全符合GB/T2819-95的規定。經海拔3860m、84小時變載荷(0～110％)連續運行試驗，發電機組工作可靠，運轉性能良好。其低溫預熱起動裝置在海拔2850m、-20℃環境條件下實地試驗表明，起動平穩可靠。
6.結論
(1)試驗證明，柴油發電機組隨海拔高度上升功率下降、油耗率上升、熱負荷升高，性能變化十分嚴重。
(2)實施增壓中冷功率恢復等高原適應性成套技術措施后柴油發電機組各項技術性能在海拔4000m可以恢復到原出廠值，對策措施是完全有效可行的。
責任編輯：Kelly
客戶服務熱線
Customer Service Hotline
江蘇省泰州市醫藥高新區西徐路1號
+86-0523-86581021
在線客服有需求 , 請在線留言!
