柴油發電機組的應用,可以說是個涵蓋選型、安裝、運行、配電、排障、維修等幾方面的廣義命題。每個環節相互依托,密切關聯。把握住這些事的宗旨是:讓機組無論何時均處于良好的狀態,只待需要,即刻發出高質量的電能。如果說選擇機型是柴油發電機組應用的開始,那么其它的環節則在應用中更顯重要。 饋送發電機組輸出電能的電纜,通過配電柜內的Sf開關,與自動轉換柜ATS的Sc開關相連。Sc與市電輸入開關Ss互鎖。有市電時Ss閉合,UPS和其所帶的設備,以及其它可以暫時斷電的負荷(例如機房空調等),分別通過負荷配電柜的S1、S2開關得電工作。一旦市電中斷,ATS就會發出起動柴油發電機組的指令。機組的輸出電壓穩定后(一般15s左右)Ss斷開、Sc閉合,所有的負荷由發電機供電。市電恢復后,ATS會自動斷開Sc,閉合Ss,轉換為市電供電,并發出關閉發電機組的指令。
1 柴油發電機組的選型
柴油發電機組的種類、型號、規格很多。雖然它們的基本工作原理是一樣的,但每個品牌,每種機型都有自己的技術、應用和經濟特色。現在國內柴油發電機組市場繁榮,購銷兩旺。國產、合資及進口的各種機組爭奇斗艷,為廣大用戶根據自己的需要選擇滿意的產品提供了很好的機會。選擇什么樣的機組,應該從使用目的、現有環境條件、經濟能力等多方面充分考慮。以下的各種情況可作為選型的參考依據。
(1)現有設備狀況
柴油發電機組作為應急后備電源,是給市電中斷后不能停機的重要設備供電的。從這個角度出發,統計一下所需應急供電設備的總功率,然后根據需要加上一定的余量,選擇相應的額定輸出功率的柴油發電機組。如果這些不能停電的重要設備已經由UPS供電,則要考慮UPS的性質及工作特點,柴油發電機組的輸出額定功率應比UPS的額定功率大1.6～2倍左右。
(2)后備支持時間
柴油發電機組分為備用發電機組和長行發電機組。備用發電機組,以最大輸出有效功率連續運行時間不能超過12h。據此,應考慮機組實際的負荷量以及所在地以往的市電停電時間,選擇備用機組還是長行機組。如果需要還應估算一下:備用柴油儲油設施、潤滑油及冷卻水的儲備容量及其自動補給設備的投資。
(3)應用環境狀況
選型后的柴油發電機組準備安裝在什么地方。室內還是室外,平原還是高原,周圍環境對噪聲大小的要求等情況,需要全面考慮,并選擇與之相適應的柴油發電機組。對噪聲控制要求高的地方只能選擇靜音型機組或采取特別的降噪措施。
(4)機組的運行及控制方式
柴油發電機組是自動無人值守運行,還是靠值班人員起動運行。要根據實際情況確定,然后再選擇基本型機組或微機控制全自動機組。若不能停電的重要設備已經是由兩臺或多臺UPS并聯冗余供電,那么選擇柴油發電機組時也最好采用同型號、同規格的兩臺機組構成并聯互動的運行方式。若其中一臺失效,另一臺還可以立即運行,確保高可靠供電。
(5)選型的運籌
我國柴油發電機組市場很大,國產機組和進口機組都有自己的銷售熱點。國產柴油發電機組的生產歷史已有幾十年。特別是上世紀80年代以后,國內的柴油機和發電機生產廠都進行了技術改造。有的引進了國外的先進設備和技術,有的合資合作,從而使生產技術水平和產品質量得以很大的提高。現在我國采用新技術生產的柴油發電機組并不比國外的差多少,而且售價比進口同等設備低很多。只是1000kVA以上的微機或PLC自動控制的大型柴油發電機組中,進口機組目前還占有一定的優勢。所以選型時,中、小功率的機組可選國產的,既經濟實用,服務和零配件供應又有保障。選擇進口機組時,可以考慮柴油發電機組主機進口,儲備油箱、消聲器、排煙管等輔屬設備采用國產的,這樣可以節約資金。
選型前,應該進行必要的市場調研。找三家以上的供應商提供國產及進口同類設備的技術資料、商務咨詢和報價。再仔細考核或請專家參謀柴油發電機組的選型對象,盡可能做到在資金額度內選購到最滿意的產品。
2 柴油發電機組的安裝與調試
柴油發電機組購進以后,安裝在什么地方更合適,如何讓它盡快地投入工作。這也是首先要做好的事。
2.1 選擇安裝地點
用于應急發電或不間斷供電系統的柴油發電機組,一般體積大、重量大、工作噪聲大。所以要為它們因地制宜的選擇一個通風條件較好,地基牢固,又不干擾辦公的安裝地點。很多實踐經驗值得參考。單位在辦公大廈的,可以考慮安裝在地下一、二層的車庫內,但要做好進風排風管道。或者是安裝在樓頂,通過電力豎井送電。單位有院落的,可考慮在盡量不干擾辦公的角落安裝。
2.2 機房內的布局
機房的布局,應著重考慮的是:機組的水箱散熱器要對準墻上的排風口,排煙管則由其上方伸出。進氣窗開在同步發電機尾部的正前方。機組的安裝地面四周挖出隔震溝。除此之外,還要給配電柜、儲油罐等輔助設備留下安裝位置和空間。圖1是通常采用的機房布局形式。
圖1 柴油發電機組機房常用的布局形式
(1)安裝
機組應固定在用水泥、砂石灌筑的基礎上,其厚度是發動機氣缸直徑的三到四倍,長、寬各比柴油發電機組大出20cm左右。基礎可根據需要高出地面或與其平齊,它的周圍再建造30cm寬的隔震溝。基礎表面要平整,機組的底座與此面找平后,予以固定。
水箱散熱器的出風面,通過軟性引風罩與墻上的排風口連接,并將其連接處做密封處理。
排氣管俗稱排煙管,是發動機工作時排出廢氣的管道,溫度高且噪聲大。通常都是加裝消聲器以降低廢氣噪聲對環境的干擾。它固定在機組上方屋頂垂下的支架上。
儲油罐的安裝位置應該高于機組，輸油管盡量少彎曲,這有利于燃油向發動機流動。罐內的柴油要滿足機組運行8小時。儲油罐以圓形為宜，因為同樣的容積，圓形的要比方的外形尺寸小且用料省。
配電柜是柴油發電機組對外輸出電力的控制樞紐,一般將其安置在靠墻而又便于操作的地方。大多數機組的同步發電機上方是接線柜,電力電纜在這里與發電機的三相繞組接頭U、V、W及中線N、保護地線PE對應連接后,經地溝進入配電柜。三相火線與其主控斷路器連接。
機組控制柜的遠程監控或網控用信號線,應穿鍍鋅管從地溝導出。
柴油發電機組為了運輸安全,一般都不連接起動用蓄電池。機組在定位安裝后,再對應極性將電池牢固地連接起來。
(2)開機準備與調試
柴油發電機組及其相關的裝置、設備安裝好以后。先要進行一次全面的檢查,再準備開機。因為機組從總裝廠到用戶的機房,要經過幾次的吊裝、搬運,顛簸和震動是難免的。從發動機或發電機的通風口百葉窗鉆進雨水、沙塵也常有所見。檢查和準備開機的工作一般有以下諸項:
①認真查看并碰觸柴油發電機組所有外露的管道及接頭、零部件的連接處、各種緊固螺釘螺母有無松動或移位現象,如果有應予以糾正。
②要特別關注柴油發動機與同步發電機的凸肩定位及彈性聯軸器的連接牢固性及其同軸度。
③觸碰控制柜(屏)、電子調速器與外界連接的各種電纜和插頭,保證其良好的接觸。
④打開發動機和發電機的通風口的百葉窗,查看內部有無積水或異物,如果有應及時清除。
⑤檢查水箱散熱器風扇的傳動皮帶,保證其張緊程度。
⑥開啟控制柜開關,做指示燈測試。觀察儀表或LCD顯示屏的示數是否正常。
⑦仔細閱讀隨機的使用手冊,按要求做好開機準備。
⑧加滿冷卻液和機油,打開儲油罐通向機組的管路開關。
做好這些準備工作后,就可以開機試車:將控制柜上的功能選擇鈕打到手動或測試檔,拉斷發電機輸出總開關,起動柴油發電機組。若一次起不來,則需等30s后再起動,三次都沒起動,應該停下來尋找原因。
柴油發電機組開動起來以后,辨析發動機和發電機的工作聲音有無不正常現象。通過儀表和顯示屏判別,諸如機油的溫度、壓力、冷卻液的溫度、發動機轉速、發電機輸出電壓、頻率等運行參數與出廠技術指標是否一致。如有不同的地方,需要對應調節。使其恢復到正常參數范圍之內。
3 柴油發電機組的應用特點
柴油發電機組無論在何時何地,只待需要時它就能夠立即開動,并發出性質與市電完全一樣的電能,這就是它的應用目的。如果把市電電力網的能量比做大海,那么柴油發電機組只是一個小小的湖泊。它的輸出功率無法與市電電網相比。這也就決定了其應用特色。
3.1 柴油發電機組的負荷特性
這實際上是同步發電機的負荷特性,因為它是直接接負荷的。在同步發電機的工作原理中已闡述:轉子繞組通入旋轉整流器提供的直流電流后,在其與定子之間的氣隙中產生一個磁場,稱為轉子磁場或主磁場。那么接有負荷的定子或叫電樞繞組,也會因為負荷電流的流過在此氣隙中產生一個磁場,叫做定子或電樞磁場。氣隙中的這兩個磁場自然地共同形成一個合成磁場。同步發電機輸出電壓和電流的大小就是由它決定的。
引起合成磁場變化的主要原因，是電樞磁場由于負荷的性質不同而變化造成的。這稱為電樞反應:當發電機的電樞繞組——原理上就是一個鐵心電感線圈，只接有純電阻性負荷時，繞組的電勢與電流同相，電樞磁場與轉子磁場疊加，合成磁場沒有什么變化。只是發電機帶負荷運行時，其定子磁通需處于飽和狀態要吸收一些電樞磁場，而使合成磁場略有減少。負荷電流越大則減少的越多。
若電樞繞組僅接純電感性負荷,則電樞的電流要滯后電勢90°相位角。由這個電流產生的電樞磁場就會對轉子磁場形成抵消作用,從而使合成磁場減弱且扭曲。發電機的輸出電壓因此降低。
要是只把純電容性的負荷接到電樞繞組上,那么由于電容的性質,會使得電樞繞組的電流比它的電勢超前90°相位角。此電流形成的電樞磁場可以加強轉子磁場,這就讓合成磁場得到加強,使發電機的輸出電壓升高。
以上分析表明:三種不同性質的負荷會使得同步發電機產生不同的的電樞反應,進而使其輸出電壓發生變化。掌握這些規律,就可以為柴油發電機組配置較佳的負荷,讓機組發揮出全部潛力,提供出優良的電能。
3.2 負荷的配置
同步發電機的三相繞組如無特別的需要,一般都接成星形輸出;各繞組線圈的起始端接在一起,作為中線N,線圈的終端即為繞組的電壓輸出端,分別記為U(R)、V(S)、W(T),也就是俗稱的火線。工作或生活中使用的單相、三相用電設備,并非可以隨心所欲地接入這些端口,因為柴油發電機組可供出的功率必定有限。還是應該合理地在這三個端口配置負荷,讓機組處于良好的工作狀態。為此,一般需考慮以下的因素:
(1)盡量使每相的負荷平衡,避免一相帶的很大而其它相帶的很小或空載。這從控制柜的輸出電流表或LCD屏所指示的每相電流中可以看出。
(2)每相所帶的負荷的性質應該盡量互補,例如;帶電容性負荷的同時也帶電感性負荷,以提高總體的功率因數。這也可以從顯示屏或功率因數表看出。
(3)不要長期性的帶過小的負荷,大馬拉小車不僅不經濟,而且對柴油發電機組無益。負荷量在機組額定值的80%左右,被認為是較好的配置。
同步發電機就是將發動機傳送給它的機械能轉換為電能的旋轉電磁機器。發電機內的合成磁場所產生的電磁轉矩隨著負荷電流的變化而變化。負荷電流越大則電磁轉矩越強,它強烈地制動發電機轉子的旋轉。這時只有發動機加大油門,使曲軸供出更大的機械扭矩,去克服電磁轉矩的制動作用,使轉子恢復額定的轉速,發電機才得以返回正常工作狀態。這就是發電機對機械能的轉換過程。
3.3 常用饋電方式
柴油發電機組所發出的電能,應嚴格遵照相關的國家標準選擇電力線截面積、低壓開關和供電體制(TN-C或TN-S,即三相四線制還是三相五線制)所構成的電路饋送給負荷。作為后備、應急設備的柴油發電機組,普遍是與市電構成一個自動轉換、相互替代的供電系統,如圖2所示。
圖2 柴油發電機組輸出配電框圖
柴油發電機組利用ATS不僅做到自動開、關機,而且還可靠地向負荷饋送電能。
4 柴油發動機常見問題的處理
安裝年限或累計使用時間較長、維護工作不到位的機組中的柴油發動機,因其零部件多,結構精密復雜,有時也會遇到一些問題。及時鑒別其異常現象、分析其產生的原因并做出處理,是提高設備可用性的重要環節。
柴油發動機一般常見的問題與處理辦法有:
(1)起動不正常,要起動兩、三次,甚至開不起來可能的原因是:起動用蓄電池內阻變大,輸出
電流不足。起動電機離合齒輪故障。燃油泵、濾清器及噴油嘴問題,造成供油異常。氣缸進、排氣門開關不到位。活塞環損壞。處理的方法是:判斷可能出現問題的部位,做重點檢查,進而找出故障原因。采用以下辦法做對診處理:
更換蓄電池。緊固并潤滑離合齒輪。拆修油泵與油嘴,換濾芯。清除氣門積炭。去除有問題的活塞環,安裝新的并調整與缸套的間隙。
(2)發動機開起來后,冒黑煙且噪聲大
有可能存在噴油泵、油嘴供油不正時。進氣門開啟異常,而造成燃油不能充分燃燒等問題。
解決的方法是:重點檢查燃油供給和進、排氣部分。對應更換問題零部件。特別是電動噴油嘴,除了檢查它的電磁部件外,還要注意電子調速器的性能有無變化。
(3)發動機無力,曲軸給不出足夠的扭矩
一般出現這種現象的原因主要是油路:噴油泵或噴油嘴故障,油路倒入空氣。造成需加大油門時噴入汽缸的燃油不足。其次是氣缸蓋與機體之間的密封墊漏氣,使氣缸內的爆燃氣體壓縮無力找到問題的根源,采取更換氣缸蓋的密封墊或油路的故障零部件,是正確的措施。
5 同步發電機一般常見問題的處理
同步發電機直接與負荷連接,電壓高、電流大,在長期的運行中有時也會出現一些問題。
(1)柴油發動機工作正常,但發電機發不出電或發出的電壓很低
這有可能緣于和發電機相關的部件,例如:勵磁機損壞,無法提供勵磁電壓。旋轉整流器故障,不能向轉子繞組注入勵磁電流。轉子鐵心剩磁減弱或消失。都會使得發電機發不出電或輸出電壓極低。
應對的手段一般有:選擇合適的直流電壓并按著極性,直接接到勵磁繞組充磁。仔細檢查勵磁機和旋轉整流器,找到問題元器件或繞組,予以更換修復。
(2)發電機輸出電壓不穩定,而且一帶大負荷,輸出電壓就跌落得很厲害
一般自動電壓調節器(AVR)、勵磁發電機和旋轉整流器有故障,是出現這種現象的主要原因。AVR對電壓或負荷變化的負反饋調節功能失效、旋轉整流器部分器件及勵磁發電機電壓整定電路的元件損壞等,哪個方面出問題都會引起輸出電壓不穩定。
需采取的措施是:重點檢測AVR,用模擬實驗法考核它的靈敏度和輸出線性是否符合出廠標準,有問題則給以維修。旋轉整流器和勵磁發電機相關電路的元器件不多,查測的對象主要是整流元件、電位器。若有損壞及時更換。
(3)運行過程中機體溫升快,振動大
出現這種問題,大多是因為勵磁繞組線圈匝間短路或負荷量嚴重超過額定值,使勵磁電流大增而造成轉子發熱。發電機的轉子與定子間隙變化,導致部分碰觸掃膛,使機體溫度速升。
根據這些情況,要檢查轉子軸前與彈性聯軸器后與軸承,有無零部件松動、損壞。并對診拆舊換新。轉子繞組匝間短路點需重新纏繞絕緣蠟綢。應認真計算并合理配置負荷總的有功功率和無功功率,使它們均不超過發電機的額定值。
6 UPS與柴油發電機組的配接
UPS與柴油發電機組一起組成不間斷供電系統,已是普遍采用的方式。平時UPS靠市電工作;它不僅隔除了電網上的干擾及電壓波動,為設備提供優良的電能,而且還對電池組充電儲能。一旦市電中斷,UPS即刻將電池的直流電能逆變成交流電,不間斷地支撐設備工作。但是電池組的能量必定有限,只有靠柴油發動機組發出的電能代替市電,讓UPS再回到輸入交流電工作,這才可以長時間地保證設備連續的運行。
然而在UPS轉為發電機組供電時,常會出現不能正常工作的問題。分析其原因:主要是有的單相或三相輸入的UPS它們的前級都只是橋式全波整流濾波電路。這種電路導致輸入電流中出現了甚至高達25%的高次諧波分量。這些諧波分量對于電能容量比UPS本身的輸出功率大千萬倍的市電來說,雖然會造成電力網的污染,但形不成對發電廠發電機工作的明顯干擾。而對于輸出功率與UPS相差不大的柴油發電機組而言,就會有很大的問題。含有高次諧波分量的UPS輸入電流,也就是發電機的輸出電流,流經發電機的電樞繞組時所產生的電樞磁場,會因高次諧波電流的存在而變得雜亂。從而使它與主磁場構成的合成磁場也發生畸變和偏移，在這樣的合成磁場作用下發出的電壓，波形自然也會畸變即含有高次諧波分量。此種電壓再送入UPS的輸入端，則UPS的鎖相跟蹤電路就無法鎖定基波而不被高次諧波干擾。從而造成機器總在旁路和逆變之間切來換去無法正常工作。
這里有兩個解決辦法:一是選擇輸出功率比UPS大幾倍甚至十幾倍的柴油發電機組。象市電那樣不怕高次諧波的干擾;另一個是選擇輸入電流高次諧波分量小的即輸入功率因數高的UPS。顯然選擇后者,無論從盡量減小對電力網的污染、采用綠色能源,還是從經濟及設備利用率方面考慮都是正確的。
現代的中、小型UPS大都采用帶有功率因數校正電路(PFC)的全波整流,IGBT整流技術也被大功率UPS廣泛作為前級。這些措施使得輸入電流的高次諧波分量減小到5%以下,輸入電流和電壓幾乎同相,即輸入功率因數達到0.95以上。很小的高次諧波分量不僅大大減少了對電網的污染,而且也使得發電機的合成磁場畸變可以忽略,輸出電壓波形的正弦性得以保持,從而使UPS與差不多同等功率的柴油發電機組能夠很好的配接。
責任編輯：尕刺
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