脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機組的設(shè)計及試驗研究*

袁利國 曾凡明 沈 兵 趙同賓

(海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院1) 武漢 430033)(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院2) 武漢 430033)

(中船重工第七一一研究所3) 上海 200090)

0 引 言

脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機組的工作特性是:負(fù)載在空載和帶載間周期性波動,機組大部分時間運行在動態(tài)過程中,載荷幅度有時甚至超過機組額定負(fù)荷.這種負(fù)載形式的特殊性決定了在機組匹配中不能采用常規(guī)的設(shè)計方法.

1 脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機組設(shè)計考慮因素

1)柴油機功率的確定 如果以負(fù)載的峰值功率來確定柴油機的功率,用柴油機直接拖動發(fā)電機,一方面,柴油機在工作間隙期間處于低負(fù)荷下,容易引起氣缸、增壓器等部位積炭,長時間工作會影響到柴油機的可靠性;另一方面,基于經(jīng)濟(jì)性的考慮,勢必造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[1].

2)儲能飛輪的設(shè)計 如果用柴油機直接拖動發(fā)電機,大負(fù)荷工作時,會引起柴油機瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的較大波動.目前常用且簡單有效的解決方法是在柴油機和發(fā)電機之間增加儲能飛輪.飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定有兩個限制條件:如轉(zhuǎn)動慣量太小,則在突變負(fù)荷情況下,瞬態(tài)響應(yīng)差,甚至?xí)l(fā)生機組悶死的情況;取值太大,則機組在突變負(fù)荷后恢復(fù)時間拉長,對于承擔(dān)周期性波動負(fù)載的情況是不利的.

3)增壓器匹配設(shè)計 從脈沖負(fù)載機組的匹配設(shè)計實踐看,一般選用非增壓或復(fù)合增壓的柴油機作原動機,但根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展的情況,渦輪增壓系統(tǒng)的性能明顯提高,采用廢氣渦輪增壓柴油機作為該型機組的動力源已成為國內(nèi)外的必然趨勢.

4)調(diào)速系統(tǒng)的性能匹配 對于有儲能飛輪以承擔(dān)脈沖負(fù)載的廢氣渦輪增壓柴油機組,它大部分時間運行在動態(tài)過程中,此時的運行特性與穩(wěn)態(tài)工況有很大的差別,一個有效的解決辦法就是選擇可調(diào)參數(shù)多、參數(shù)調(diào)整方便的調(diào)速系統(tǒng),然后根據(jù)機組的具體運行工況進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)整定.

此外還需考慮離合器和高彈聯(lián)軸器的選型匹配、以及配置大飛輪后引起機組啟動停機困難等其他因素[2].

2 某脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機組設(shè)計

某一電站的負(fù)載形式如圖1所示,其中t1和t2分別為脈沖電流的持續(xù)時間和間隔時間.電站的性能要求指標(biāo)包括最大脈沖負(fù)載功率、機組最大轉(zhuǎn)速超調(diào)量、脈沖電流的最大上升時間和下降時間等,其中機組最大轉(zhuǎn)速超調(diào)量要求＜10%.

圖1 脈沖電流示意圖

2.1 方案設(shè)計

首先需要確定原動機的功率.原動機功率的確定以原動機動態(tài)響應(yīng)特性和儲能飛輪的轉(zhuǎn)動慣量大小為基礎(chǔ).目前一般認(rèn)為最大負(fù)載功率/原動機額定功率為1.5左右較為合適.陸用機組由于尺寸限制小,可取小值,船用機取大值;高增壓機取小值,非增壓或低增壓機取大值;小型機組取大值,大型機組取小值.在該機組的設(shè)計中,機組最大設(shè)計負(fù)載功率/柴油機額定功率確定為1.17.

由于電控燃油噴射系統(tǒng)的控制精度高、控制自由度大、控制功能齊全,能實現(xiàn)整個運行范圍內(nèi)參數(shù)優(yōu)化,同時可以較方便地調(diào)節(jié)與廢氣渦輪增壓器的匹配,所以在原動機選型時,選擇了電控泵管嘴燃油噴射、廢氣渦輪增壓柴油機.

儲能飛輪在其設(shè)計中,非常關(guān)鍵的一項內(nèi)容是轉(zhuǎn)動慣量大小的計算.它與柴油機功率大小、動態(tài)響應(yīng)特性以及負(fù)荷形式有關(guān).一般按照最嚴(yán)酷的工況估算儲能飛輪轉(zhuǎn)動慣量的大小.

圖2 脈沖過程仿真圖

圖2 為首脈沖功率為最大負(fù)載功率、脈沖保持時間和脈沖間隔時間最長的一組脈沖過程中前3個脈沖的仿真圖.其中首脈沖過程是機組最惡劣的工況.設(shè)在此過程中,脈沖負(fù)載保持時間為t3,脈沖功率為 p,機組轉(zhuǎn)速從 ω1下降為 ω2.

在此過程中,機組所需要的能量為E1=p×t3,柴油機發(fā)出的能量為E2.所以,機組軸系應(yīng)釋放的能量:E3=E1-E2.根據(jù)E=×I×(-ω22),機組的總慣量為 I=2E3/(-),如果軸系其他運動件的總慣量為 I1,則飛輪的轉(zhuǎn)動慣量If=I-I1.在該機組的設(shè)計中,飛輪的轉(zhuǎn)動慣量與機組其他運動件轉(zhuǎn)動慣量的比值為20.5.

最后,設(shè)計的機組組成如圖3所示.

圖3 機組組成布置圖

2.2 動態(tài)仿真校核

由于機組大部分時間運行在動態(tài)過程中,其動態(tài)性能是人們關(guān)注的主要內(nèi)容之一.文中基于專業(yè)發(fā)動機仿真分析軟件GT-POWER對整個系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性仿真校核.

由于機組大部分時間運行在瞬態(tài)工況,燃燒模型采用半預(yù)測模型和自定義修正模型:半預(yù)測模型根據(jù)氣缸壓力、燃油噴射率、噴射正時的影響來改變?nèi)紵艧嵋?guī)律;自定義修正模型借用G.沃希尼對柴油機變工況燃燒規(guī)律提出的修正模型.采用的滯然期公式為p為氣缸內(nèi)壓力.此式計算的τi值與實測值的相對誤差的絕對值的平均值為3.5%[3].

在對進(jìn)排氣系統(tǒng)建模時,采用一維交錯網(wǎng)格,將柴油機進(jìn)排氣系統(tǒng)分成若干控制體積,應(yīng)用FVM進(jìn)行數(shù)值計算,計算格式為顯式.標(biāo)量在網(wǎng)格中心計算,如壓力、溫度等;矢量在網(wǎng)格的交界面計算,如速度、質(zhì)量流量等.

在機組動態(tài)仿真校核過程中,參考了文獻(xiàn)[4]中機組在額定轉(zhuǎn)速下由空載工況突加100%負(fù)荷的動態(tài)過程的曲線,將模型仿真結(jié)果的趨勢與之比較看其能否較好地反映動態(tài)過程,模型的仿真結(jié)果如圖4所示[5].

圖4 機組負(fù)荷突加的動態(tài)過程仿真圖

在圖4中,可以發(fā)現(xiàn)渦輪前廢氣溫度在某一時刻出現(xiàn)了急速下降,這是因為模型中采用的燃燒效率函數(shù)(求燃油的燃燒比例)由于燃油的急劇增加而迅速減小,實際情況下由于熱慣性的存在,是不會出現(xiàn)這種情況的.從總的趨勢看,模型反映的動態(tài)過程與文獻(xiàn)[4]的過程是一致的.所以,建立的模型能夠在保證一定精度的同時較好地反映機組動態(tài)特性.同時,模型的仿真結(jié)果顯示,機組的各項性能均到達(dá)了設(shè)計要求.

3 試驗研究

3.1 試驗設(shè)備

電站的試驗設(shè)備包括柴油發(fā)電機組、電站監(jiān)控系統(tǒng)及試驗用負(fù)載裝置.

監(jiān)控系統(tǒng)中所采用的開發(fā)軟件包括:工控組態(tài)軟件Intouch9.5、數(shù)據(jù)采集及儀器控制應(yīng)用軟件LabView和Measurement Studio.監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理為:系統(tǒng)接收傳感器測量的柴油發(fā)電機組運行參數(shù)、狀態(tài)信號以及通過CAN總線傳送過來的柴油機相關(guān)參數(shù),并通過PLC通信口傳送給監(jiān)控微機,可在微機中集中顯示.

監(jiān)控參數(shù)主要包括機組轉(zhuǎn)速、柴油機的每循環(huán)供油量、各缸排溫、廢氣渦輪轉(zhuǎn)速、廢氣渦輪進(jìn)出口空氣溫度、空冷器出口空氣壓力、柴油機油水溫度、以及發(fā)電機的電壓和電流等.

試驗中的負(fù)載裝置采用電阻可調(diào)、最大功率為1.2倍最大負(fù)載功率的水負(fù)載.

3.2 試驗結(jié)果與分析

為了考核機組在最大脈沖工況下的能力,具體試驗方案為:(1)脈沖功率最大、脈沖保持時間最長的單脈沖試驗;(2)脈沖功率最大、脈沖保持時間和脈沖間隔時間最長的一組脈沖試驗.

圖5為脈沖功率最大、脈沖保持時間最長的單脈沖過程中脈沖電流和柴油機轉(zhuǎn)速的變化情況.其中,脈沖電流上升時間為要求上限的81%,下降時間為要求上限的72%,轉(zhuǎn)速超調(diào)量為6.8%.圖6和圖7分別為首脈沖功率為最大負(fù)載功率、脈沖保持時間和脈沖間隔時間最長的前10個脈沖過程中柴油機供油量、廢氣渦輪轉(zhuǎn)速和空冷器出口空氣壓力的變化情況.期間,廢氣渦輪增壓器未出現(xiàn)喘振、堵塞現(xiàn)象,但因負(fù)載突加時廢氣渦輪增壓器的滯后性,導(dǎo)致了在脈沖負(fù)載期間的前半段時間內(nèi)柴油機的供氣量明顯不足.

圖5 最大功率單脈沖過程中電流和轉(zhuǎn)速變化圖

圖6 柴油機供油量和廢氣渦輪轉(zhuǎn)速變化圖

圖7 柴油機供油量和空冷器出口空氣壓力變化圖

通過合理調(diào)整電控泵管嘴燃油噴射系統(tǒng)的控制參數(shù)(如PID控制參數(shù)、隨轉(zhuǎn)速變化的供油量限制以及噴油提前角),廢氣渦輪增壓系統(tǒng)和機組的匹配以及機組動態(tài)性能得到明顯改善,機組的直接反應(yīng)是排氣煙度和轉(zhuǎn)速超調(diào)率明顯減小.

4 結(jié) 論

1)機組脈沖功率可達(dá)到最大設(shè)計功率,在最惡劣工況下,機組最大轉(zhuǎn)速超調(diào)量、脈沖電流上升時間和下降時間均符合設(shè)計要求.

2)柴油機功率和儲能飛輪轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計合理.如果柴油機功率過大,柴油機長時間工作在低負(fù)荷狀態(tài),將會影響柴油機的可靠性;如果柴油機功率偏小,所設(shè)計的儲能飛輪轉(zhuǎn)動慣量勢必很大,將會造成機組啟動停機困難以及在負(fù)載突變后機組恢復(fù)時間會拉長等后果.

3)在機組的整個工作過程中,廢氣渦輪增壓器未出現(xiàn)喘振和堵塞現(xiàn)象,在一定程度上較好地利用了廢氣的能量.但由于廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的延遲特性,使得在脈沖負(fù)載初期,柴油機的供氣量明顯不足.改善這一缺點的具體措施有:優(yōu)化進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采用小轉(zhuǎn)動慣量渦輪增壓器、采用變截面渦輪增壓器以及增加補氣裝置,這也是脈沖負(fù)載發(fā)電機組后續(xù)開發(fā)和進(jìn)一步性能優(yōu)化的重點工作.

4)電控燃油噴射系統(tǒng)的使用大大改善了機組動態(tài)性能.在機組試驗中,通過合理調(diào)整電控燃油噴射系統(tǒng)的控制參數(shù),機組的動態(tài)性能得到明顯改善.所以,在運行工況異常惡劣的脈沖負(fù)載柴油發(fā)電機組中,采用電控燃油噴射系統(tǒng)是科學(xué)合理的選擇.

[1]丁東東.帶脈沖負(fù)載的柴油機動力裝置總體優(yōu)化設(shè)計[D].武漢:海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院,2002.

[2] 陳國鈞,曾凡明.現(xiàn)代艦船輪機工程[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2001.

[3]顧宏中.渦輪增壓柴油機性能研究[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1998.

[4]Benson R S,Ledger JD,Whiterhouse N D.et al.Comparison of experimental and simu lated transient responses of a turbocharged diesel engine[J].SAE730666,2024-2447.

[5]李煜暉,崔可潤,魯凱生.柴油機動態(tài)過程仿真研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版,2003,27(3):288-290.