25MW燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站的系統(tǒng)研制

摘 要：25MW移動(dòng)電站是以拖車(chē)裝載要求基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的，以適應(yīng)大功率備用電及應(yīng)急電的需求。在受到拖車(chē)底盤(pán)的裝載空間、承重大小及行走限制等條件制約的情況下，將體積大、氣量及風(fēng)量需求多、噪聲高、振動(dòng)大的25MW燃?xì)廨啓C(jī)及其配套系統(tǒng)集成在一起，技術(shù)難度較大，但應(yīng)用前景廣闊。本文主要針對(duì)25MW移動(dòng)電站的系統(tǒng)研制進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：25MW，燃?xì)廨啓C(jī)，移動(dòng)電站、系統(tǒng)研制

引言

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所于2017年11月正式開(kāi)展中大功率燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站研制，燃?xì)廨啓C(jī)采用七〇三所自主研制的CGT25系列燃?xì)廨啓C(jī)，自主開(kāi)展移動(dòng)載體適配及緊湊集成設(shè)計(jì)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中大國(guó)產(chǎn)功率燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站樣機(jī)。機(jī)組研制期間，城林科技受七〇三所委托按移動(dòng)電站機(jī)組總體設(shè)計(jì)要求與七〇三所聯(lián)合開(kāi)展箱裝體、進(jìn)排氣、通風(fēng)配套降噪系統(tǒng)的研發(fā)工作，并經(jīng)七〇三所專(zhuān)家多輪方案評(píng)審后定型;配套降噪系統(tǒng)滿(mǎn)足中大功率燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站使用需求，助力七〇三所中大功率燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站填補(bǔ)我國(guó)技術(shù)和產(chǎn)品空白。

1 研制內(nèi)容

城林科技公司參與了國(guó)內(nèi)大部分的燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站的設(shè)計(jì)制造，但功率等級(jí)主要集中在2MW左右，該25MW燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站，是國(guó)內(nèi)首臺(tái)套此功率等級(jí)的電源車(chē)，也是城林科技參與的最大功率等級(jí)的電源車(chē)系統(tǒng)研制，其結(jié)構(gòu)、功能、性能等要求的實(shí)現(xiàn)難度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以前的小功率燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站。

除了1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)發(fā)電機(jī)及4套汽車(chē)底盤(pán)外，移動(dòng)電站的系統(tǒng)還包括燃?xì)廨啓C(jī)箱體、燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、箱體通風(fēng)系統(tǒng)、排氣消聲器系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、操控系統(tǒng)這六大系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)使用七〇三所成熟的GT25000型燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電機(jī)及汽車(chē)底盤(pán)均由國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)的廠(chǎng)家非標(biāo)設(shè)計(jì)配套。本次研制內(nèi)容是基于城林科技的系統(tǒng)配套能力，通過(guò)上述六大系統(tǒng)，將燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)及4套汽車(chē)底盤(pán)融合到一起，形成一套25MW功率等級(jí)的移動(dòng)電站，并能夠?qū)崿F(xiàn)僅在24小時(shí)內(nèi)就可以完成組裝，11天就可以就可以投入商務(wù)運(yùn)行，快速提供電力供應(yīng)保障。

2 對(duì)比分析

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)的對(duì)比分析

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是以連續(xù)流動(dòng)氣體為工質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力設(shè)備，包括壓氣機(jī)、燃燒室、動(dòng)力渦輪、發(fā)電機(jī)、輔助設(shè)備等，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組是將液體或氣體燃料與空氣混合后，直接輸入氣缸內(nèi)部燃燒并產(chǎn)生動(dòng)力的設(shè)備，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱機(jī)，具有熱效率高、啟動(dòng)性能好等特點(diǎn)。

與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組相比，燃?xì)廨啓C(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是“小而輕”，重型燃?xì)廨啓C(jī)一般為2-5千克/千瓦，而航改型燃?xì)廨啓C(jī)一般低于0.2千克/千瓦。正是由于燃?xì)廨啓C(jī)“小而輕”的特點(diǎn)，非常適合用做移動(dòng)電站，既可以縮小電站的體積，也可以提高車(chē)速和車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性能。

2.2 25MW級(jí)與2MW燃?xì)廨啓C(jī)的對(duì)比分析

2MW級(jí)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組尺寸小巧，如東安出品的QD16燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組功率等級(jí)為1600kW，主機(jī)尺寸僅為2.7m×1.1m×1.14m左右，見(jiàn)圖表一。

本次研制的25MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，功率等級(jí)可以達(dá)到25000kW，外形尺寸達(dá)到了7.95m×2.5m×2.6m，見(jiàn)圖表二。

雖然燃?xì)廨啓C(jī)比內(nèi)燃機(jī)外形尺寸及重量小很多，但GT25000燃?xì)廨啓C(jī)的外形尺寸仍然較大，其附帶的發(fā)電機(jī)、輔機(jī)及車(chē)體外形尺寸都會(huì)增大很多。集成后的QD16燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站外形尺寸僅9.6m長(zhǎng)、2.5m寬、2.5m高，適合安裝到9.6m長(zhǎng)的汽車(chē)底盤(pán)上，單臺(tái)車(chē)就可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行發(fā)電。而GT25000燃?xì)廨啓C(jī)本體加上進(jìn)氣過(guò)濾消聲系統(tǒng)，其外形尺寸就達(dá)到了13.65m長(zhǎng)，3.2m寬，3.2m高。為了滿(mǎn)足車(chē)輛的通過(guò)性、行進(jìn)速度、載重等要求，將進(jìn)氣系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)放置到第一個(gè)掛車(chē)底盤(pán)上，將發(fā)電機(jī)、滑油站、電壓柜放置到第二個(gè)掛車(chē)底盤(pán)上，將電氣控制系統(tǒng)、UPS、MCC、燃料橇等放置到第三個(gè)掛車(chē)底盤(pán)上，將通風(fēng)消聲過(guò)濾系統(tǒng)、排氣消聲系統(tǒng)及其它設(shè)備放置在第四個(gè)掛車(chē)底盤(pán)上，運(yùn)行時(shí)需要將這四個(gè)底盤(pán)車(chē)組裝到一起才能運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 新技術(shù)及創(chuàng)新

燃?xì)廨啓C(jī)又被稱(chēng)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，其加工制造難度大，運(yùn)行條件也非?？量?，其發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平和綜合國(guó)力的集中體現(xiàn)。四臺(tái)掛車(chē)要在24小時(shí)內(nèi)完成精準(zhǔn)對(duì)接和組裝是非常困難的，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題而創(chuàng)新設(shè)計(jì)和使用了六個(gè)自由度的定位裝配技術(shù)、噪聲控制技術(shù)、系統(tǒng)快裝技術(shù)，成功地解決了大功率燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站的快裝難題。

3.1六個(gè)自由度的定位裝配技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力輸出軸與發(fā)電機(jī)輸入軸之間使用聯(lián)軸器進(jìn)行連接，兩軸之間要求同心對(duì)中。但是分別在兩個(gè)掛車(chē)底盤(pán)的燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)，怎么能夠順利實(shí)現(xiàn)對(duì)中，是此移動(dòng)電站的能否成功研制的關(guān)鍵，通過(guò)吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試侯，最終選用六個(gè)自由度的定位裝配技術(shù)，見(jiàn)圖表3。

該技術(shù)是在發(fā)電機(jī)底盤(pán)側(cè)，設(shè)置左右兩個(gè)高強(qiáng)度的圓柱椎體栓（圖表4），圓柱椎體栓前端為有小變大的椎體栓，后端為圓柱體，憑借其與發(fā)電機(jī)輸入軸的定位及平行度要求保障高精度;在燃機(jī)底盤(pán)側(cè)設(shè)置兩個(gè)高強(qiáng)度的圓柱孔洞，孔洞與圓柱椎體栓為過(guò)盈配合，底盤(pán)加工要求有高的位置精度。在兩個(gè)掛車(chē)底盤(pán)對(duì)接時(shí)，發(fā)電機(jī)掛車(chē)先行固定，燃?xì)廨啓C(jī)掛車(chē)向后與發(fā)電機(jī)掛車(chē)底盤(pán)靠攏，圓柱椎體栓前端進(jìn)入圓柱孔洞，隨著圓柱椎體栓的不斷進(jìn)入，燃?xì)廨啓C(jī)掛車(chē)底盤(pán)逐漸升高（圖表5），并克服輪胎的位置偏差，進(jìn)行自動(dòng)矯正。到達(dá)安裝位置后，同時(shí)落下兩個(gè)拖車(chē)底盤(pán)的支撐腿，再通過(guò)高強(qiáng)度螺栓將兩個(gè)汽車(chē)底盤(pán)牢牢的連接到一起，實(shí)現(xiàn)底盤(pán)間的高精度對(duì)接。

3.2噪聲指標(biāo)控制新結(jié)構(gòu)

燃?xì)廨啓C(jī)的噪聲很大，GT25000型燃?xì)廨啓C(jī)的最大聲功率級(jí)達(dá)到了146dB（A），嚴(yán)重影響發(fā)電作業(yè)環(huán)境，對(duì)附近工作人員及居住生活人員的身心健康損害極大。為了減少對(duì)人體健康的影響，通過(guò)大量的計(jì)算分析及試驗(yàn)，研制出適用移動(dòng)電站的消聲結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了距離移動(dòng)電站1m距離處的噪聲低于95dB（A）的要求。

噪聲控制的重點(diǎn)在于進(jìn)排氣通道消聲器及通風(fēng)系統(tǒng)消聲器，不僅要解決噪聲的問(wèn)題，還要在有限的空間內(nèi)，有限的重量條件下，確保氣動(dòng)性能。氣動(dòng)性能是消聲器的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)時(shí)，大量使用了氣動(dòng)仿真技術(shù)，不斷調(diào)整消聲器結(jié)構(gòu)，最終找到和適合的消聲結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不同于我們常用的產(chǎn)品，仿真模擬效果如下：

（1）進(jìn)氣消聲系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)采用城林科技公司的專(zhuān)利產(chǎn)品-列管式消聲器，進(jìn)氣流場(chǎng)的不均勻度僅為2.87%。

（2）排氣消聲系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)采用非標(biāo)設(shè)計(jì)的雙阻抗消聲器（圖表8），在有限的空間內(nèi)，嘗試?yán)脙蓪涌臻g消聲及兩級(jí)阻性消聲，最終實(shí)現(xiàn)了高降噪指標(biāo)（95dB（A）），以及低阻力特性（總流阻<522Pa），見(jiàn)圖表9。

（3）通風(fēng)消聲系統(tǒng)

由于箱體通風(fēng)時(shí)，中間部分被排氣管阻擋，通風(fēng)氣流大多由兩側(cè)直接繞過(guò)排氣管而排出箱體，導(dǎo)致在通風(fēng)量一定時(shí)的冷卻效果有限，尤其是對(duì)動(dòng)力渦輪上方和排氣管前方的高溫部分冷卻效果較差（圖表10）。因此，通過(guò)對(duì)于箱體內(nèi)的流場(chǎng)分析后，在箱體進(jìn)風(fēng)口處有針對(duì)性地設(shè)置導(dǎo)流板，使得通風(fēng)流場(chǎng)更加合理，冷卻效果更好（圖表11）。經(jīng)仿真計(jì)算，排風(fēng)消音器流阻為83Pa，而箱體整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)自風(fēng)機(jī)后至排風(fēng)消聲器前的總流阻僅為230Pa。

3.3系統(tǒng)快裝技術(shù)

各系統(tǒng)間的連接方式通常為：各系統(tǒng)間的安裝孔定位后，使用螺栓將各系統(tǒng)連接緊密。但為實(shí)現(xiàn)24小時(shí)內(nèi)組裝并發(fā)電的要求，各系統(tǒng)部件之間同樣需要快速精準(zhǔn)組裝。該25MW燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站采用了公司自主研發(fā)的快速定位組件，其原理為：紅色組件安裝在下方部件上，綠色組件安裝在上方部件上，首先使快速定位組件的子母卡扣作為定位點(diǎn)，向前移動(dòng)部件直至限位組件處的限位塊相互貼合，部件下落至安裝面，通過(guò)周圈預(yù)留的扳手口，安裝各部件的連接螺栓。安裝扳手口封堵件，見(jiàn)圖表12。

4 新產(chǎn)品解決的問(wèn)題

25MW燃?xì)廨啓C(jī)移動(dòng)電站的研制成功，解決了我國(guó)大功率移動(dòng)電站的技術(shù)和產(chǎn)品空白。從應(yīng)用市場(chǎng)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)需求巨大，將被廣泛應(yīng)用于電力、軍工、能源、制造業(yè)等眾多領(lǐng)域，特別是在電力落后地區(qū)的能源開(kāi)發(fā)、油氣輸送、大型野外軍事部署、大型活動(dòng)等快速用電場(chǎng)景，將起到關(guān)鍵作用。

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作者簡(jiǎn)介：

呂金剛（1982.3-），男，山東省文登市人，工學(xué)學(xué)士，城林科技（上海）有限公司副總裁、哈爾濱城林科技股份有限公司總經(jīng)理。研究方向：氣動(dòng)系統(tǒng)、噪聲治理、裝備制造的技術(shù)及管理等。

（城林科技（上海）有限公司，上海 201306）