1.前言
　　
　　在高原，由于环境因素的变化，导致工程机电装备的实际使用条件与原设计条件产生了较大的差异，致使工程机电装备的性能及可靠性严重下降，给国家经济建设和国防建设造成了持续不断的损失。因此，加强工程机电装备高原环境适应性技术的基础研究工作，对发展高原型工程机电装备是必不可少的。
　　
　　柴油发电机组，广泛地应用于我国高原地区矿山、交通、建筑、农田、水利等工程施工部门。目前我国生产的普通型柴油发电机组，只适用于海拔1000m以下。根据GB/T2819规定，在海拔1000m以上、3000m以下，采用功率修正的办法。受高原特殊环境条件的影响，机组原动机功率下降，油耗增加，热负荷上升，对机组功率及主要电气参数产生较大影响；即使是强化增压型机组，由于原动机受高原条件影响的实质并未改变，只是性能下降幅度有所减小，问题依然存在。机组油耗率、热负荷升高和可靠性的下降给用户和国家造成的经济损失每年可达亿元，严重影响高原地区的社会效益和部队军事装备保障的有效性；动力性的下降，致使机组在使用时应有的负荷能力下降，造成设备和电网因电力供应不足，无法达到应有的工作和生产能力。
　　
　　本文从理论分析出发，结合实例，来探讨高原环境对柴油发电机组性能的影响及其对策措施。
　　
　　2.机组性能随海拔高度变化的机理
　　
　　(1)海拔高度变化对发电机组性能的影响
　　
　　机组12h标定输出的电功率与柴油机输出功率间的关系为：
　　
　　P＝η1.η2.η3.Nb 　
　　＝ηz.Nb 
　　＝ηz.Mf.nb
　　
　　其中P——电机输出的额定电功率(kW)
　　
　　η1——柴油机（轴输出功率/额定功率）的输出功率拆合系数η1＝Nf/Nb
　　
　　Nf——飞轮输出功率Nf＝Nb－△N
　　
　　△N——辅件消耗功率(kW)
　　
　　η2——传动效率
　　
　　η3——发电机效率
　　
　　ηz——机组总效率ηz＝η1.η2.η3
　　
　　Nb——柴油机标定功率(kW)
　　
　　Mf——额定点飞轮输出扭矩Mf＝Nf/nb(N.m)
　　
　　nb——标定功率点转速(r/min)
　　
　　因为：P＝IUcosφ
　　
　　其中：I——发电机电流(A)
　　
　　U——发电机额定电压(V)
　　
　　cosφ——功率因数
　　
　　所以电站输出电流：
　　
　　I＝Mfnbηz/Ucosφ
　　
　　由于nb、ηz作为固有特性，属于与海拔高度无关的参数，电压U可通过电压自动调节装置保持常数，功率因数cosφ只与负载有关，负载相同的情况下，cosφ为常数。因此，机组的输出电流是以柴油机输出功率(或扭矩)为自变量的函数，并且基本上呈线性关系I＝f(Mf)＝αMf。而功率(或扭矩)又是以海拔高度为自变量的函数，即：I＝f(H)，其中H为海拔高度变化参数。由此可见，机组的输出电流将随海拔高度的变化而变化。海拔升高，机组的功率即输出电流下降、油耗率上升，这种影响还不同程度地要波及到电气性能指标。
　　
　　因此，要解决因高原环境引起的柴油发电机组电功率下降问题，首先要解决原动柴油机的功率下降问题。通过功率恢复型增压中冷等一系列高原适应性成套技术措施，有效地恢复机组原动柴油机的动力性、经济性、热平衡性及低温起动性能，从而使机组电气性能恢复到原有水平，并将在较宽海拔高度范围内具有很强的环境适应能力。 　　
　　(2)高原型机组主要电气性能指标的变化分析
　　
　　⑴稳态电压调整率δu
　　
　　δu＝│(u1－u)/u│×100％
　　
　　其中：u——空载整定电压(V)
　　
　　u1——负载变化后的稳定电压最大值或最小值(V)，按相对于空载整定电压差值大的计
　　
　　一般柴油发电机组都具有恒压装置，所以其变化程度应与低海拔地区相同。
　　
　　⑵稳态频率调整率δf
　　
　　δf＝│(f1－f0)/f│×100％
　　
　　其中：f1——负载变化后的稳定频率最大值或最小值(Hz)
　　
　　f0——额定负载时的频率(Hz)
　　
　　f──额定频率(Hz)
　　
　　机组的频率是由其本身结构决定的，频率的变化与柴油机转速成正比关系。由于柴油机的调速器为机械离心式，其工作性能不受海拔高度变化的影响，所以稳态频率调整率的变化程度应与低海拔地区相同。
　　
　　⑶瞬态电压调整率δus与瞬态频率调整率δfs?
　　
　　δus?＝│(us－u)/u│×100％
　　
　　δfs?＝│(fs－f2)/f│×100％
　　
　　其中：us——负载变化时的瞬时电压最大值或最小值(V)，按相对于空载整定电压差值大的计算
　　
　　fs——负载变化时的瞬时频率最大值或最小值(Hz)
　　
　　f2——负载变化前的频率(Hz)
　　
　　负载的瞬时变化，必将引起柴油机扭矩的瞬时变化，而柴油机的输出功率不会发生瞬时变化。由公式Nb＝1.04×10-4Mf•nb，可知柴油机转速与扭矩成反比，柴油机的转速也将发生瞬时变化，这样发电机转子的转速也将发生瞬时变化，由此而产生了瞬时电压Us与瞬时频率fs。一般来说，这两个指标不受海拔高度的影响，但对于增压型机组，由于增压器响应速度的滞后影响了柴油机转速的响应速度，这两个指标有所升高。
　　
　　⑷电压稳定时间与频率稳定时间
　　
　　负载的突变引起柴油机转速的波动，通过调速器使燃油供油量向相反的方向变化，从而使柴油机回到规定的转速，也改变了柴油机的输出功率。同样，对于自然吸气的柴油机来讲，海拔高度的变化不会影响这两个指标。但对于增压型柴油机，由于供油量的改变，可燃混合气体的比例也发生变化，排出的废气压力也随之变化，这样经过废气涡轮增压的空气量也发生变化，由于增压机较非增压机在动力响应上有一定的滞后，将使柴油机转速恢复稳定的时间延长，即电压稳定时间与频率稳定时间延长，但这种变化将不会有太大影响。
　　
　　⑸电压波动率δub与频率波动率δfb

　　
　　其中：UBmax——负载不变时的最高电压(V)
　　
　　UBmin——负载不变时的最低电压(V)
　　
　　UBmax和UBmin取同一负载下同一次测量的最大值和最小值
　　
　　fBmax——负载不变时的最高频率(Hz)
　　
　　fBmin——负载不变时的最低频率(Hz)
　　
　　fBmax和fBmin取同一负载下同一次测量的最大值和最小值。
　
　　这两个指标用来考查机组本身的原因对输出电压及频率的影响。由于机组恒压装置和调速器的稳定调节作用，这两个参数不会随海拔高度而变化。但对于增压型机组来说，由于增压系统对进排气的辅助调节作用，这两个指标应趋于减小。 　　　
　　3.实际影响
　　
　　表1是我们对75GT11柴油发电机组原动机(A)6135D所作的平原、高原对比试验数据。从中可以看出，随海拔升高，机组输出功率将显著下降，而油耗率、排温上升，排放状况恶化。负载越大(50～110％)，影响尤甚。
　　
　　表1(A)6135D柴油机高原性能变化试验结果
　　

项目	参数	海拔
		≤500m	2206m		3860m
		标定值	实测值	变化率%	实测值	变化率%
自然吸气	最大供油时功率kW	117	96.75	-17.3	81.75	-30.1
	额定点油耗率g/kW.h	≤227	263.64	16.1	327.43	+44
	额定点排温℃	470℃	550℃	17	630℃	+34
	额定点烟度RB	≤3.0	3.5		6.0
	50%负载时油耗率g/kW.h	257	259	0.7	259	+0.7

　　
　　4.对策措施
　　
　　根据分析研究，我们提出以下解决措施：
　　
　　(1)功率恢复型增压技术
　　
　　功率恢复型增压主要是对非增压柴油机在高原功率下降的情况下采取的增压措施，它通过增压供气，增加气缸的充气密度，以提高过量空气系数，达到缸内燃油充分燃烧、恢复平均有效压力的目的，使其功率恢复到原机低海拔标定水平，期间其供油量保持不变。因此，良好的增压匹配是机组性能恢复最重要的技术关键。
　　
　　(2)中冷措施
　　
　　进气经增压后，其温度随压力同时升高，影响进气密度及功率恢复，并造成热负荷和排温的急剧升高，进一步影响到可靠性。采用中间冷却装置对增压进气进行冷却，有利于降低热负荷，并进一步提高功率，其与增压措施的配合是提高功率和可靠性的关键一环。
　　
　　(3)热平衡控制
　　
　　增压恢复功率后，原机冷却系统已不能满足要求。原因在于高原环境下，空气密度下降，冷却水沸点降低，如若采取水中冷措施，更增加了新的热源，为此需重新调整选配合适的水箱和风扇参数，使柴油机热平衡得到合理控制。
　　
　　(4)增压型空气滤清系统
　　
　　柴油机增压时供气量将增加，尤其针对高原沙尘大的特点，要求空滤器应尽可能具有效率高、阻力小、流量大、寿命长、体积小、重量轻、成本低、保养易等特点。
　　
　　(5)高原低温起动
　　
　　高原低温起动条件比较严酷。海拔4000m以内极端温度虽不是很低(-30℃)，但由于气压低，起动时压缩终点压力及温度不够，以及增压装置对起动进气的阻滞作用，因此使起动状况不佳。但对机组来讲，有利的方面是起动负荷相对较低，可在起动后温度上升至适当状况再加载。根据多年低温起动试验研究，考虑采用预热起动并辅以低温电瓶组合措施。
　　
　　(6)增压润滑系统
　　
　　增压器是高温、高速旋转的部件，转速高达105r/min，冷却润滑极为重要，其油料需专用增压油品，并同时适用柴油机系统。
　　
　　5.试验结果
　　
　　针对75GT11柴油发电机组，我们对其原动机实施了增压中冷恢复功率成套高原适应性技术措施。经海拔2206m、3860m实地试验研究，确定最佳方案如下：
　　
　　(1)GJ80A增压器匹配(A)6135D柴油机；
　　
　　(2)采用水中冷措施，利用水箱回水作为介质冷却进气；
　　
　　(3)实际散热能力较原机增大20％；
　　
　　(4)选用K2640X-1型空气滤清器，其额定流量、滤清效率比原机大约40％；
　　
　　(5)采用YJ-D14/2型起动预热加热器和195D低温电瓶；
　　
　　(6)设计可靠的增压器冷却润滑系统，主选试验油品为CD40级柴机油。
　　
　　表2、表3是采取高原适应性技术措施后原动机、发电机组与改造前的对比试验数据。
表2(A)6135D配GJ80A增压中冷性能实测结果与对比 
   

项目	参数	≤500m标定值	海拔2206m	海拔3860m	恢复率％
CJ80A 匹配	最大供油功率kW	117	118.5	119	100~122
	额定点油耗率g/kW.h	≤227	227.5	227	等同
	额定点排温％	470	407(460)	389(460)	-15.7
	50%负载时油耗率g/kW.h	257	260	258	等同
	额定点烟度RB	≤3.0	2.5	2.5
	额定点压比	/	1.51	1.66

　　 表3高原型机组主要电气性能指标结果与对比
   

测试项目	原机郑州实测值	高原实测值	高原型郑州实测值	GB/T2819-95规定值
环境温度(％)	27	11~22	23
海拔高度(％)	120	3860	120
大气压力(hPa)	1001.08	648	1007.75
绝缘电阻(MΩ)	6		5
稳态电压调整率(%)	±4.1	±3.5	±2.6	±5
稳态频率调整率(%)	±2.8	±3.2	±3	±5
瞬态频率调整率(%)	±3.2	±8	±6	±10
频率稳定时间(s)	1.6	3.3	3.1	7
频率波动率(%)	±0.2	±0.19	±0.1	±1.0
电压波动率(%)	±0.05	0	±0.05	±1.5
功率因数	1.0	1.0	1.0	1.0
燃油消耗率(g/kW.h)	258.6	265	266	≤290
噪音(A)	101.87		101.9

　　表2、3可以看出，在实施增压中冷等措施后，(A)6135D柴油机功率、油耗率得以很好的恢复，热负荷得到有效地控制，75GT11柴油发电机组主要电气性能指标完全符合GB/T2819-95的规定。经海拔3860m、84小时变载荷(0～110％)连续运行试验，发电机组工作可靠，运转性能良好。其低温预热起动装置在海拔2850m、-20℃环境条件下实地试验表明，起动平稳可靠。
　　
　　6.结论
　　
　　(1)试验证明，柴油发电机组随海拔高度上升功率下降、油耗率上升、热负荷升高，性能变化十分严重。
　　
　　(2)实施增压中冷功率恢复等高原适应性成套技术措施后柴油发电机组各项技术性能在海拔4000m可以恢复到原出厂值，对策措施是完全有效可行的。
　　
　　责任编辑：Kelly