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          康明斯發電機組在負荷突加之前齒條已開始回拉

          文章出處:杭州康明斯發電機 人氣:發表時間:2020-08-12

            2020年8月12日東風康明常見型號為:4B3.9-G1,4BT3.9-G1,4BTA3.9-G2,6BT5.9-G1,6BTA5.9-G2,6CTA8.3-G2,6CTA8.3-G3,6LTAA8.9-G2。港口由于裝卸機械等周期性作業設備的存在,用電負荷頻繁突變。針對港口的瞬變沖擊負荷,設計了一種蓄能柴油發電機組,該機組可用于港口的緊急供電,目前已成功應用于國內某港口。蓄能機組在柴油機(杭州康明斯)輸出軸和發電機輸人軸之間串接了飛輪蓄能柴油發電裝置,外負荷突變時,飛輪或者吸收能量減小機組輸出功率的變化,柴油機RPM的波動,優化輸出的電品質。圖1所示為某港口所用緊急蓄能機組。經過實際應用驗證,與常規機組相比,蓄能機組具有如下優點:

            (1)機組的裝機功率利用率高,可高達92.9%:(2)電品質優良,頻率波動范圍為一1.54%~1.42%;(3)蓄能飛輪有效減小并補償了功率分配不均勻性對機組運轉狀態的沖擊,機組軸系沖擊小;(4)柴油機組長期運轉于最經濟工況區,油耗較低,電站全生命周期經濟性好;(5)機組臺數少,初期投資成本低,并聯運行可靠,控制、使用和方便。

          康明斯發電機組在負荷突加之前齒條已開始回拉

            基于以上特點,蓄能機組對港口而言是理想的緊急電源。本文針對蓄能機組在瞬變突加負荷的作用下RPM跌落幅度較大的問題,對蓄能機組的預升速技術開展了研究,以自主搭建的蓄能機組試驗樣機為平臺,進行了預升速條件下的蓄能機組負荷試驗。在試驗中,選取不同的預升速方案,測試機組在瞬變突加負荷作用下的運行過程,診斷升速提前時間和升速設定RPM對機組運行過程的影響規律,包括RPM跌落過程、燃油齒條變化和增壓器RPM的變化等。

            1蓄能機組預升速技術診斷針對瞬變負荷設計的蓄能機組,由蓄能機構能量來補充負荷突加時對柴油機功率突加的沖擊。負荷突加時引擎被動加載,蓄能機構和吸收的能量如圖2所示。由于柴油機(杭州康明斯)的RPM調節是基于RPM變化的反饋,大的沖擊負荷必然會導致機組RPM的跌落。而由于電氣設備對用電品質的要求,發電機的RPM不得低于某一RPM,所以因負荷突加引起的RPM跌落存在最低限值由公式(1)可知,當E一定時與成反比。在實際工程中,在最大突加負荷已知的情況下進行蓄能機構設計時,通常的做法是將跌落后的最低RPM設定在,以盡量減小蓄能機構的轉動慣量。所謂預升速,就是在瞬變負荷突加前的某一時刻將機組的RPM提升至某一RPM。當RPM為時,機組蓄能系統儲能為(2)設突加負荷為P,若不對機組進行預升速,負荷突加前的RPM為,跌落后的最低RPM為;在負荷突加前進行升速,當負荷突加時RPM已增加△,與之相對應跌落后的最低RPM為,則有如下對應關系:由式(5)可看出:預升速能夠提高機組在負荷突加工況中RPM跌落后的最低RPM。因此,預升速技術可以用于如下幾個方面:

            (1)對于某一確定的蓄能機組,其轉動慣量I,和機組所允許的最低RPM∞一定。當突加負荷不變時,若使用預升速技術使跌落后的最低RPM上升,則RPM波動率降低,利于提高電網的供電品質。(2)在轉動慣量不變的條件下,使用預升速技術,在維持跌落后的最低RPM不變時,可以增加機組可承受的最大負荷,提升機組功率。(3)在進行蓄能機構設計時,結合預升速技術,在滿足設計要求的前提下,可以進一步減小蓄能機構的轉動慣量。這對針對瞬變負荷而設計的蓄能機組具有重要意義。2蓄能機組的預升速工況試驗以自主搭建的蓄能機組試驗樣機為平臺,進行了蓄能機組的預升速工況試驗。2.1蓄能機組試驗樣機概況機組額定RPM為1450(r·min),主要由MWMTBD234V6柴油機(杭州康明斯)、高彈性聯軸器、飛輪蓄能裝置、發電機、公共底座、機旁控制箱、冷卻風扇水箱、加熱器、起動系統、排氣消音器等組成。蓄能機組慣量系統構成:柴油機軸系慣量:20.3(kg·In);發電機轉子慣量:82(kg·m);飛輪蓄能裝置慣量:798(kg·m)。機組總慣量為:902.3(kg·m)。在蓄能機組的柴油機調速系統中增加預升速性能,外負荷為周期性突變負荷,負荷持續時間和間隔時間均為10s,負荷個數為2個。首先改變設定的突加負荷功率,進行常規負荷突加試驗直到機組輸出最大功率P,記錄此時的給定勵磁電流,n,按表1所示工況分別改變升速設定RPM和升速提前時間,進行預升速條件下的負荷突加突卸試驗。根據試驗,可以得到在不同升速設定RPM下的最優升速提前時間,然后根據不同的升速設定RPM及其對應的最優升速提前時間,完成機組所能達到的最大突加負荷功率試驗。3試驗結果診斷3.1突加負荷相同,不同預升速策略3.1.1提前2.0s,升速設定RPM不同突加負荷功率相同,升速提前時間為2.0s,不同升速設定RPM時的試驗結果對比如表2和圖3所示。從結果中可以看出,采取預升速控制策略,可以明顯提高機組在負荷突加工況運行過程中RPM跌落后的最低RPM。在負荷突加前提高機組的設定RPM時,柴油機(杭州康明斯)齒條位移提前增大,機組RPM和渦輪RPM都提前上升;當設定RPM提高到1460(r·min)時,在負荷突加之前齒條已開始回拉,但機組RPM和增壓器RPM都還沒來得及下降;當設定RPM為1470(r·min)時,在負荷突加之前齒條也有一點回拉但不明顯;當設定RPM為1480(r·min)時,在負荷突加之前齒條沒有任何回拉。當升速提前時間為2.Os時,升速設定RPM從1460(r·min)經1470(r·min)再到1480(r·min),機組在負荷突加過程中的運行性能不斷得到改善,跌落后的最低RPM越來越高;但當設定RPM從1470(r·min)升高到1480(r·min)時,機組跌落后的最低RPM升高已經不明顯,這主要是因為當設定RPM為1480(r·min)時,由于柴油機調速性能的關系,機組在提前2.Os的時間內已經無法使機組的RPM進一步提高,導致機組的性能無法進一步改善。所以在升速提前時間為2.0s時,最優升速設定RPM應比1470(r·min)稍高,而不能超過1480(r·min);如果升速設定RPM為1480(r·min),必須使升速提前時間大于2.0s,才能使機組的運行性能達到最優。再增加機組的性能可能會變差。所以在升速設定RPM為1470(r·min)時,最優升速提前時間應比2.2s稍小,但應高于1.5s。3.1.2升速至1470(r.min)時不同提前時間的RPM對比升速設升速提負荷突加前機負荷突加后跌定RPM/前時間/組達到的RPM/落的最低轉3.2不同預升速策略時最大功率試驗在不同升速設定RPM及其對應的最優升速提前時間條件下,機組所能達到的最大突加負荷功率試驗結果如表4和圖5所示。從結果中可以看出,升速設定RPM越高,最優的升速提前時間也越長,此時機組所能達到的最大突加負荷功率也越高。機組達到最大突加負荷功率的判斷條件為第二個突加負荷時機組的最低跌落RPM,都為1305(r·min)。在各最優預升速方案中,突加負荷到來之前機組的齒條都沒有回拉,渦輪增壓器RPM也持續升高。表4各最優預升速方案時,最大突加負荷試驗結果升速提最優升速負荷突加后的最大突加前RPM/提前時間/最低跌落RPM/負荷功率/圖4升速設定RPM為1470(r·rain),不同升速提前時間時的機組性能參數對比圖5各最優預升速方案時,最大突加負荷試驗機組性能參數對比試驗表明:(1)對于負荷突加工況,預升速技術可以明顯提高蓄能機組RPM跌落后的最低RPM;(2)對于確定的升速提前時間,存在最優升速設定RPM使機組的運行性能達到最優;(3)升速設定RPM一定時,升速提前時間越長,RPM跌落后的最低RPM越高,越有利于機組運行性能的改善;(4)升速設定RPM越高,對應最優的升速提前時間也越長,此時機組所能承受的最大突加負荷功率也越高。4總結基于上述診斷與試驗可知:預升速技術對用于瞬變負荷工況的蓄能機組而言具有重要的意義。一方面,在設計蓄能機構時,結合預升速技術,在滿足設計要求的前提下,可以減小蓄能機構的轉動慣量;另一方面,對于確定的蓄能機組,選取預升速技術可以提高負荷突加工況中機組RPM跌落后的最低RPM以提升供電品質,或者通過預升速增大機組所能承受的突加負荷。

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