柴油发电机组降容系数和功率修正方法

摘要：高原柴油发电机功率折损高海拔地来区空气中的氧气含量低，柴油机吸入同样体积的空气，有效助燃的氧气体积就少，燃料的燃烧不充分，使内柴油的输出功率减小，进而影响整机的容量和带载能力，也就是柴油发电机达不到铭牌上标定的功率和容量，导致设备只能降容使用或功率修正。

一、降容原因和系数计算

      柴油发电机组广泛地应用于我国高原地区矿区、交通、建筑、农田、水利等工程施工部门。目前我国生产的普通型柴油发电机组，只适用于海拔1000m以下。根据GB/T2820规定，在海拔1000m以上、3000m以下，采用功率修正的办法。受高原特殊环境条件的影响，发电机组原动机功率下降，油耗增加，热负荷上升，对发电机组功率及主要电气参数产生较大影响；即使是强化增压型发电机组，由于原动机受高原条件影响的实质并未改变，只是性能下降幅度有所减小，问题依然存在。发电机组油耗率、热负荷升高和可靠性的下降给用户和国家造成的经济损失不可估量，严重影响高原地区的社会效益和*军事装备**的有效性；动力性的下降，致使发电机组在使用时应有的负荷能力下降，造成设备和电网因电力供应不足，无法达到应有的工作和生产能力。

1、设备使用环境条件

      根据国家标准GB/T 2820.1-2009 /ISO 8528-1:2005（E）的柴油发电机组基准条件为总大气压力100 kPa（海拔110m）；环境空气温度298 K（25℃）；相对湿度30%。如果发电机组现场运行条件不符合其标准可能就会出现降容现象，而引起发电机组额定输出功率降低的主要因素就是温度和高度两个方面。

2、降容计算方法

      首先了解和核实现场情况，包括发电机组型号及功率需求、应用类型环境温度、海拔高度、湿度、电压和频率等参数，然后根据相应参数来核算发电机组降容的幅度。发电机组降容主要包括发动机降容、发电机降容，同时应分开独立计算，经过二者比较取其较小值的数据为较终降容参考指标。

（1）发动机降容计算公式

      发动机功率修正曲线如图1所示，公式如下：

发动机降容后功率={（额定输出总功率*降容%）-风扇功率}*发电机效率

康明斯发动机功率修正曲线图

（2）发电机降容计算公式

      发电机降容曲线如图2所示，公式如下：

发电机降容后电流=额定输出电流*温度降容系数*高度降容系数

斯坦福发电机输出电流降容曲线图

二、高度变化对性能的影响

       在高原地区由于环境因素的变化，导致柴油发电机组的实际使用条件与原设计条件产生了较大的差异，致使柴油发电机组的功率、性能及可靠性严重下降，给企业经济建设和国防建设造成了持续不断的损失。因此，加强柴油发电机组高原环境适应性技术的基础研究工作，对发展高原型工程机电装备是必不可少的。康明斯公司在本文从理论分析出发，结合柴发功率降容计算系数，来探讨高原环境对柴油发电机组功率下降、性能的影响极其对策措施。

      发电机组12h标定输出的发电功率与柴油机输出功率间的关系为：

P=η₁η₂η₃N_b

=η_zN_b

=η_zM_fn_b

式中，P——发电机输出额定电功率（KW）；

η₁——柴油机（轴输出功率/额定功率）的输出功率拆合系数，N_f/N_{b ；}

N_f——飞轮输出功率，N_f=N_b-△N；

△N——辅件消耗功率（KW）；

η₂——传动效率；

η₃——发电机效率；

η_z——发电机组总效率，η_z=η₁η₂η₃；

N_b——柴油机标定功率（KW）；

M_f——额定点飞轮输出扭矩，M_f=N_f/n_b（N▪m）；

n_b——标定功率的转速（r/min)

      根据功率公式：

P=IUcosφ

式中，I——发电机电流（A）；

U——发电机额定电压（V）；

cosφ——功率因素

      所以电站输出电流：

I=M_fn_bη_z/Ucosφ

      由于n_b、η_z作为固有特性，属于与海拔高度无关的参数，电压U可通过电压自动调节装置保持常数，功率因素cos小只与负载有关，负载相同的情况下，cos小为常数。因此，发电机组的输出电流是以柴油机输出功率（或扭矩）为自变量的函数，并且基本上呈线性关系I=f（M_f）=aM_f。而功率（或扭矩）又是以海拔高度为自变量的函数，即：I=f（H），其中H为海拔高度变化参数。由此可见，发电机组的输出电流将随海拔高的的变化为变化。海拔升高，发电机组的功率即输出电流下降、油耗率上升，这种影响还不同程度地要波及到电气性能指标。

 三、柴发机组的功率修正方法

1、环境温度的功率修正
      当环境温度过高时，空气密度降低，柴油机燃烧时氧气量减少，燃烧效率降低，因而会降低柴油发电机的机械输出功率;同时发电机工作时需要冷空气对绕组进行冷却，在环境温度过高时，冷却效果降低，发电机绕组内部温度升高，为保证发电机的绕组温度在允许范围内也要降低发电机的输出功率。
      各品牌柴油机和发电机的输出功率受环境温度影响的功率修正，由于设计的不同，其修正的参数也不一致;同一品牌，不同型号、不同调速系统，其修正的参数也有区别。一般要以原柴油机生产厂家的修正参数为准，通常可按照环境温度超过40℃时每升高5℃，输出功率下降3%～4%来进行功率损失的计算。但要注意的是有些厂家的机组标称功率是基于环境温度
25℃时的输出功率。
2、海拔高度的功率修正
      当海拔高度升高时空气密度也会降低，同样影响柴油机和发电机的输出功率。不同品牌的柴油发电机组要参考厂家的功率修正曲线来计算降容后的实际功率，通常可按照海拔高度超过1000m时每升高500m输出功率下降4%～5%来进行功率损失的计算，但要注意的是有些厂家的机组标称功率是基于海拔高度300m时的输出功率。
      电子喷油柴油机采用了电子喷油控制技术，通过对安装在柴油机上一系列的传感器检测到的柴油机各种数据来精确地控制每个喷油器的喷油正时和喷油量。由于电子控制单元通过对进气岐管的进气压力、燃油温度的精密测量，并以此来控制喷油正时和喷油量，使得电子喷油柴油机在高海拔地区和高温度环境下有更低的功率下降。所以在高海拔地区和高温度环境下选用电子喷油的机组能获得更大的输出功率和经济性。
3、非线性负载的功率修正
      非线性负载含有感性、容性等元器件的负载均为非线性负载，如机房空调、不间断电源UPS、灯具调光系统和整流滤波器设备等。这种负载通常在通信、网络数据中心、数据交换中心、金融结算中心、机场跑道的照明调光和重要系统调度中心等关键部门的应用极为广泛。
      非线性负载会向柴油发电机组反射大量的高次谐波，其中以5次和7次谐波危害严重，尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时这种危害就更明显，其后果将出现机组的谐振、稳定时间延长和负载设备误动作，严重时会损坏AVR和负载设备。这一问题在机组的选型过程中经常未引起足够的重视(由于在用市电供电时影响不大)，较终待到运行时才发现无法正常工作，造成无法挽回的损失。
直接启动的机房空调因感应电动机直接起动时起动电流为正常电流的6～7倍，而且功率因数很低，电动机起动瞬间发电机的端电压会下降到低于正常值80%以下，从而影响其他负载的供电。

总结：

      根据上文所述，要解决因高原环境引起的柴油发电机组电功率下降问题，首先要解决发动机的功率下降问题。通过功率恢复型增压中冷等一系列高原适应性成套技术措施，有效地恢复发电机组原动柴油机的动力性、经济性、热平衡性及低温起动性能，从而使发电机组电气性能恢复到原有水平，并将在较宽海拔高度范围内具有很强的环境适应能力。