柴油發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障分析與解決

鄭齊清 劉太民

柴油發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障分析與解決

鄭齊清 劉太民

柴油發(fā)電機(jī)組作為電力供應(yīng)單元，廣泛運(yùn)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。隨著科技進(jìn)步，用電設(shè)備對(duì)電源輸出的穩(wěn)定性提出更高的要求，生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)盡量避免因發(fā)電機(jī)組故障導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)甚至供電中斷。針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的頻率不穩(wěn)故障現(xiàn)象，采用故障樹(shù)分析法建立起發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障樹(shù)，對(duì)頻率不穩(wěn)故障原因進(jìn)行逐步分析，闡述故障快速查找與定位的方法，最終確定故障點(diǎn)，并通過(guò)調(diào)試將故障排除。

柴油發(fā)電機(jī)組；頻率不穩(wěn)；故障分析；調(diào)試

柴油發(fā)電機(jī)組作為電力供應(yīng)單元，要求其輸出電壓、頻率穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。實(shí)踐中出現(xiàn)頻率大幅波動(dòng)的現(xiàn)象比較少見(jiàn)，引起柴油發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障的因素眾多，難以快速定位故障點(diǎn)。本文以實(shí)際故障為例，著重分析故障原因，并結(jié)合試驗(yàn)調(diào)試將故障排除，希望對(duì)同行機(jī)管人員準(zhǔn)確、快速排除此類故障具有參考作用。

一、故障現(xiàn)象

四沖程柴油發(fā)電機(jī)組型號(hào)為JH30，柴油機(jī)型號(hào)為K4100D，電機(jī)型號(hào)為KHI30-14，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定功率為33 kW, 額定電壓為400 V，配置電子調(diào)速控制裝置?？蛰d運(yùn)行時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)頻率不穩(wěn)故障，頻率指示表上顯示頻率波動(dòng)范圍較大，柴油機(jī)各缸發(fā)功不均，有“游車”現(xiàn)象，加負(fù)載5 kW后，頻率指針波動(dòng)劇烈，波動(dòng)的范圍加大。

二、故障原因分析

根據(jù)發(fā)電機(jī)頻率與原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系：

可知，發(fā)電機(jī)組工作頻率f與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n和磁極對(duì)數(shù)p有關(guān)，發(fā)電機(jī)工作頻率的不穩(wěn)定是由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起的。引起這種故障的因素有很多[1]，例如轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量失真、燃油中水分或空氣過(guò)多、燃油管路漏油或臟堵、噴嘴總成失效、油門調(diào)整不當(dāng)、各缸噴油不均、燃油泵故障、電子調(diào)速器故障、柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)震動(dòng)厲害、負(fù)載波動(dòng)太大等。解決故障的關(guān)鍵是從諸多可能情況中確定故障點(diǎn)，故障分析法是復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中迅速查找并準(zhǔn)確定位故障的最有效方法之一[2]。發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障樹(shù)的建立如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障樹(shù)

導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)頂事件發(fā)生的可能故障模式有機(jī)械故障、控制系統(tǒng)故障與外部因素引起的故障。對(duì)于頂事件發(fā)生的判斷可依照由外到內(nèi)、簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序。從以上所述表現(xiàn)的癥狀進(jìn)行分析：機(jī)組運(yùn)行時(shí)震動(dòng)不明顯，機(jī)組和安裝底座的螺栓沒(méi)有松動(dòng)的現(xiàn)象，可以排除震動(dòng)的原因；空載時(shí)，就有“游車”現(xiàn)象，突然加載或卸載的情況可以排除。對(duì)于不能確定的故障可能情況，需進(jìn)行逐一分析與排除。

1.油路問(wèn)題

柴油機(jī)系統(tǒng)中如果出現(xiàn)油路問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)供油不暢燃燒不良，轉(zhuǎn)速下滑與波動(dòng)。油路問(wèn)題包括管路裂紋、油箱液位過(guò)低使燃油中混有空氣，油路中濾器阻塞，燃油管路漏油等導(dǎo)致管路供油不連續(xù)。根據(jù)檢查，燃油質(zhì)量沒(méi)問(wèn)題，油路中的濾器無(wú)臟堵，管路連接良好。

2.噴油泵引起的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)

柴油機(jī)各缸供油不均會(huì)使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)。例如某缸噴油泵供油齒條卡阻，移動(dòng)不靈活，各缸噴油泵供油量調(diào)整不當(dāng)，噴油泵出油閥磨損嚴(yán)重、彈簧彈性失效等，這些都將導(dǎo)致各缸做功不均運(yùn)行轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。

3.噴油器故障

柴油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，燃油中的雜質(zhì)會(huì)附著在針閥偶件上，引起噴油延遲與霧化不良，使噴油器噴油忽大忽小，柴油機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)。

4.轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量失真

在柴油機(jī)的控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速是控制的一個(gè)基礎(chǔ)信號(hào)，此機(jī)型在齒輪旁邊安裝了磁電傳感器。如果柴油機(jī)傳感器松動(dòng)或者長(zhǎng)期運(yùn)行在粉塵環(huán)境中，容易引起測(cè)量間隙發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的失真。

5.調(diào)速控制系統(tǒng)故障

調(diào)速控制系統(tǒng)工作優(yōu)良與否直接影響著柴油發(fā)電機(jī)的工作性能甚至使用壽命。如果使用中的電子調(diào)速器參數(shù)整定值出現(xiàn)漂移，將會(huì)嚴(yán)重影響柴油機(jī)的運(yùn)行工況，需要對(duì)調(diào)速器的參數(shù)重新整定。

三、頻率不穩(wěn)原因判定

故障原因判斷應(yīng)從可能性大的、較容易檢修的地方入手，應(yīng)避免盲目拆檢增加維修工作量。從以上故障原因分析，可將引起頻率不穩(wěn)的原因分為柴油機(jī)問(wèn)題和調(diào)速控制系統(tǒng)問(wèn)題。一般情況下，柴油機(jī)原因?qū)е鹿收系那闆r比較常見(jiàn)，而且大多機(jī)管人員對(duì)柴油機(jī)比較熟悉，可先從柴油機(jī)方面入手。

在排除油路問(wèn)題的情況下，首先將噴油器拆下進(jìn)行霧化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)霧化效果良好，可排除噴油器問(wèn)題。為了減少維修工作量，筆者將整組噴油泵拆下?lián)Q到另一臺(tái)工作性能良好的柴油發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)表明，該機(jī)組柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，電機(jī)發(fā)電頻率正常。到此，可將柴油機(jī)問(wèn)題引起發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)的原因排除，接下來(lái)對(duì)調(diào)速控制系統(tǒng)故障原因進(jìn)行判定。

將傳感器拆下清潔后按安裝間隙要求裝復(fù)后，故障依然，可將轉(zhuǎn)速傳感器的因素排除；在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)，短接控制器1、2腳（如圖2所示），執(zhí)行器應(yīng)輸出最大油位，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)輸出電壓正常，最大供油量位置正確，電磁執(zhí)行器與噴油泵齒條接合處沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象，可將執(zhí)行器的因素排除；那么引起機(jī)組頻率不穩(wěn)故障剩下一個(gè)原因了，就是電子調(diào)速器調(diào)整微分、增益調(diào)諧失靈。

圖2 電子調(diào)速器控制器

四、故障排除

現(xiàn)今柴油機(jī)調(diào)速裝置越來(lái)越多地采用電子調(diào)速器，電子調(diào)速器相比傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)速裝置有著諸多優(yōu)點(diǎn)，其靈敏度高，響應(yīng)速度快，并且動(dòng)靜態(tài)精度更高[3]。一般情況下，出廠時(shí)電子調(diào)速器相關(guān)的參數(shù)都已設(shè)定好，如果參數(shù)產(chǎn)生漂移，柴油機(jī)工況就會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)需要對(duì)電子調(diào)速器的參數(shù)重新調(diào)整。下面以此次故障為例，談?wù)勅绾螌?duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整及調(diào)整過(guò)程中應(yīng)注意的地方。電子調(diào)速器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。電子調(diào)速器參數(shù)的調(diào)整是一項(xiàng)細(xì)致的工作，需要耐心對(duì)待。其調(diào)整的步驟可按下列順序進(jìn)行。

表1 電子調(diào)速器主要技術(shù)參數(shù)①數(shù)據(jù)來(lái)源：《發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)速器使用說(shuō)明書》，云四達(dá)科技有限公司，2012。

1.轉(zhuǎn)速設(shè)定

怠速調(diào)節(jié)。啟動(dòng)柴油機(jī)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速稍偏離怠速值，重新調(diào)整低速設(shè)定電位器，將其調(diào)整到出廠設(shè)定值。調(diào)整的方法為：順時(shí)針調(diào)節(jié)增加轉(zhuǎn)速，逆時(shí)針調(diào)節(jié)降低轉(zhuǎn)速，直至達(dá)到所要求的怠速。然后撥動(dòng)開(kāi)關(guān)使柴油機(jī)從怠速升到高速運(yùn)轉(zhuǎn)。觀察轉(zhuǎn)速表指示，比額定轉(zhuǎn)速值偏低，調(diào)整電位器使轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)時(shí)，順時(shí)針調(diào)節(jié)增加轉(zhuǎn)速，逆時(shí)針調(diào)節(jié)降低轉(zhuǎn)速。

在怠速和高速值設(shè)定后，要仔細(xì)觀察轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況。調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)波動(dòng)幅度超過(guò)±0.25%，需要進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)整將轉(zhuǎn)速調(diào)整到滿足要求。

2.穩(wěn)定性調(diào)整

電子調(diào)速器與發(fā)電機(jī)構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定性取決于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)增益、調(diào)速器環(huán)節(jié)增益、擾動(dòng)等因素。任何閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)范圍，如果超出了如圖3所示的穩(wěn)定域范圍，那么系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。

圖3 穩(wěn)定域示意圖①數(shù)據(jù)來(lái)源：《發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)速器使用說(shuō)明書》，云四達(dá)科技有限公司，2012。

在穩(wěn)定域示意圖3中，微分和增益在陰影區(qū)域時(shí)，發(fā)電機(jī)組才能穩(wěn)定運(yùn)行，如果小于低增益穩(wěn)定線，柴油機(jī)將會(huì)低頻游車；越過(guò)高增益穩(wěn)定線，柴油機(jī)將會(huì)高頻游車。在保證系統(tǒng)具有一定穩(wěn)定余度的前提下，微分和增益應(yīng)接近高增益穩(wěn)定線，確保電子調(diào)速器具有優(yōu)良的動(dòng)穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。

穩(wěn)定性調(diào)整時(shí)，需要調(diào)節(jié)增益、微分（穩(wěn)定）電位器。調(diào)整增益電位器可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度，獲得合適的瞬時(shí)響應(yīng)速度，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)增大，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)減?。晃⒎蛛娢黄骺烧{(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，獲得合適的瞬時(shí)響應(yīng)速率，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)增大，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小。

由于發(fā)電機(jī)為四缸的小功率柴油機(jī)，運(yùn)行時(shí)頻率波動(dòng)較大且快，于是先將微分調(diào)節(jié)置于低增益穩(wěn)定線附近的位置，再將增益從中間位置開(kāi)始逐漸增大至2點(diǎn)鐘方向，然后在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)穩(wěn)定電位器，直至發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)在加載運(yùn)行時(shí)，需重新調(diào)節(jié)穩(wěn)定電位器，如果不能滿足，則需適當(dāng)降低增益，如此反復(fù)調(diào)節(jié)直至在穩(wěn)定域內(nèi)尋找到穩(wěn)定的工作點(diǎn)，在此過(guò)程中，要根據(jù)機(jī)組是否出現(xiàn)快速不穩(wěn)定的現(xiàn)象，適時(shí)調(diào)整狀態(tài)開(kāi)關(guān)。

3.轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)指標(biāo)調(diào)整

調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括瞬時(shí)調(diào)速率和穩(wěn)定時(shí)間，當(dāng)發(fā)電機(jī)組電子調(diào)速器達(dá)到電站調(diào)速指標(biāo)時(shí)，通過(guò)突然卸載負(fù)載對(duì)微分、增益的精細(xì)調(diào)整，來(lái)尋找發(fā)電機(jī)組的最佳工作點(diǎn)。尋找該工作點(diǎn)時(shí)，先將微分置于低增益穩(wěn)定線附近的位置，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)增益電位器至3點(diǎn)鐘方向，直到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)高頻波動(dòng)，然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器逐漸減小微分，直到柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)節(jié)過(guò)程中可結(jié)合柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音來(lái)判斷是否運(yùn)行平穩(wěn)。

4.穩(wěn)態(tài)調(diào)速率調(diào)整

穩(wěn)態(tài)調(diào)速率也稱速降，調(diào)速器的準(zhǔn)確性與速降的值有關(guān)，速降值小準(zhǔn)確性好。發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率通過(guò)轉(zhuǎn)速控制器上的速降電位器調(diào)節(jié)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)調(diào)速率增大，反之減小。調(diào)節(jié)時(shí)，先將速降電位器設(shè)定在一個(gè)位置，然后分別觀察柴油機(jī)空載與負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速變化情況，根據(jù)其計(jì)算公式計(jì)算穩(wěn)態(tài)調(diào)速率的值，如果沒(méi)有達(dá)到要求，根據(jù)其變化趨勢(shì)調(diào)節(jié)速降電位器，然后重復(fù)以上加載試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)節(jié)直到符合要求。值得注意的是每次速降調(diào)節(jié)后，速度調(diào)節(jié)需要重新進(jìn)行。

五、小結(jié)

本文對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)的故障原因進(jìn)行了概括和分析，由于產(chǎn)生此類故障的因素很多，采用故障分析法進(jìn)行逐層逐步分析與排除，最后將故障原因鎖定在電子調(diào)速器上。通過(guò)反復(fù)調(diào)試，最終發(fā)電機(jī)組在不同工況下能穩(wěn)定運(yùn)行。希望文中所述發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)的診斷及電子調(diào)速器參數(shù)整定方法，對(duì)解決此類故障具有一定參考價(jià)值。

[1]徐學(xué)武.康明斯柴油發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障分析及解決[J].設(shè)備管理與維修,2012(4):19-20.

[2]郭富源.故障樹(shù)理論在遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007.

[3]盧新湘,徐健良.電子調(diào)速器故障判斷與排除[J].移動(dòng)電源與車輛,2008(2):40-44.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.09.008

鄭齊清（1985—），男，泉州師范學(xué)院航海學(xué)院，二管輪，碩士。

劉太民（1978—），男，泉州師范學(xué)院航海學(xué)院，輪機(jī)長(zhǎng)。