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船用汽油發電機的研究現狀與發展趨勢
汽油發電機是一種用途非常廣泛、地位十分重要的發電設備,它在國民經濟各部門中得到了普遍應用。如大部分艦船電站、移動電站及各種應急電站都是由汽油發電機組成。汽油發電機是一種技術密集型的產品,涉及到內燃機、電機、自動控制等專業的技術。隨著國民經濟的發展,在汽油發電機需要量逐年增長的同時,對汽油發電機的功能、技術性能的要求也越來越高。
汽油發電機應用得如此廣泛,是因為它具備了其它機組所不具備的突出優點:對匹配高增壓、中速汽油機的發電機組而言,其結構緊湊性好;經濟性好;維護操作簡單、保養方便,所需操作人員少,在備用期間的保養量小;啟動迅速,并能很快達到全功率,汽油機的啟動時間一般只需幾s,在應急狀態下可在1min內帶全負荷,在正常狀態下15~30min內達到全負荷;易于實現自動化;振動、噪聲等能得到有效控制;可靠性較高等等。因此,配裝汽油發電機的移動電站會越來越受到重視,特別是現代戰爭也離不開電源,*野營照明、指揮、控制、通訊、火炮系統、*機場、基地等也都需要電源,所以汽油發電機的前景十分美好。
由于國產機組在機械性能、電氣性能、操作性能、可靠性、日常維護和使用壽命上與*機組差距明顯,所以自20世紀80年代起我國先后引進國外多種型號的船用汽油機(如康明斯、MWM等)、發電機(如斯坦福、西門子等)、空氣斷路器及電表等生產技術,以滿足國內船舶工業的需要。
目前,我國船用汽油發電機主要存在的問題:
(1)汽油發電機設備的科研、設計、試制、生產水平滯后,各科研和生產單位之間缺乏統一的領導和 第26卷第4期2004年8月艦 船 科學技術SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.26,No.4Aug.,2004協調,技術封鎖嚴重;甚至有些單位為了眼前利益,重復引進成套汽油發電機設備,導致重復投資,造成國家資產流失和不必要的經濟損失。
(2)汽油發電機型號多而雜,標準化、系列化程度低,不同產品之間的通用性差,基礎件、零配件質量差,集成性差,安裝和維修難度大。與*機組相比, 汽油機的經濟性、動力性、結構緊湊性、可靠性、耐久性、振動噪聲等指標差距較大;而發電機的結構緊湊性、零部件的通用性、動態和穩態調壓性能、可靠性使用壽命和電磁兼容能力等方面差距也很明顯。
(3)新技術、新工藝應用緩慢。新技術和新工藝zui能提高汽油機的動力性、經濟性,降低振動噪聲和廢氣的含量,提高產品的質量和壽命,如多氣門進氣系統、稀薄燃燒、電控噴射、增壓中冷技術等,不但可提高壓縮比、提高進氣質量、減小進氣阻力,使燃燒更充分,提高汽油機的輸出功率,降低燃油消耗率,而且可以改善排放,降低尾氣中的煙度等。
(4)20世紀80年代引進的船用發電機配套用的汽油機和發電機,雖經企業消化和吸收,并提高了國產化程度、增加了自制件的比例,但忽視了在消化吸收的基礎上進行改進和創新,所以產品性能和質量多年均保持在原有水平上,但隨著國外新產品和新機型的不斷發展,原有的引進產品已失去了市場競爭力。
(5)在船用汽油發電機的電氣設備中,電子與電器元件是zui薄弱環節之一,以至于影響了發電、配電和控制裝置的性能和可靠性,這是我國目前應重點解決的問題。由于汽油機是由汽油機、發電機和自動控制裝置等三部分組成的,而其中任何一部分技術水平的發展和提高,都能推動其它方面的發展,從而提高汽油發電機的整體性能,因此這三部分之間的技術水平是相互促進、相互提高的。
(1)汽油發電機技術
當前,上電站用汽油發電機產品可靠性在不斷提高,并向著大修期前*方向發展;其次是提高經濟性和動力性,要求機組的燃油消耗率達到 210g/(kW#h)以下,機組作功能力強,熱效率高,性價比高,維護保養費用低;結構緊湊性好,單位功率重量小而單位體積功率大;此外對環境指標不斷提出高要求,如汽油機整機噪聲聲壓級要達到96dB(A),排放指標已普遍達到/歐ò0限值標準;適用性好,能在惡劣的環境下正常工作;啟動性好,能在低溫和特殊場合下快速啟動。顯然,目前國內汽油機與上述主要性能指標存在很大差距。
電站機組用調速器的調速特性直接影響到供電品質,從而波及被控制設備的性能,還會影響到電站機組運行的可靠性,故機組對調速特性有特殊的要求。隨著對電站頻率變化率要求的標準越來越高,國外的調速器已從常用的機械離心飛錘式調速器、普通的液壓調速器、雙脈沖液壓調速器、電液調速器發展到全電子調速器,其優點是調節精度高,調節速度快,并且全電子調速器安裝使用十分方便,性能更為*,是今后發展的方向和重點。
(2)發電機技術
國內生產的發電機,如T2H、TFHX-等系列,絕大多數是相復勵系統,其穩態、動態電壓調整特性較差。為了提高這種性能,國內外都在發展無刷勵磁系統。開發出50Hz、60Hz通用F級絕緣、體積小、重量輕、效率高的無刷勵磁發電機,如西門子公司的1FC5系列發電機2、4極發電機經功率加權后的平均效率達到93%以上。為提高勵磁系統的可靠性,其轉子采用整體凸極結構以及導熱性、熱固性好的絕緣膠,整體性好,繞組端部短,速性能可進一步提高;發電機應采用斷路保護,一般具有短路、過載、欠壓等保護功能,隨著保護特性要求的提高,目前向靜止型脫扣器發展,國內引進的H系列、AH系列斷路器具有電子脫扣器,實踐證明有較高的保護特性和精度以及較高的可靠性。
(3)自動控制技術
為了使汽油發電機各個部件處于*工作狀態,且進一步完善應急功能和保護功能,應大力發展汽油發電機的自動控制技術。原來汽油發電機的基本機電參數,如潤滑油壓力、冷卻水溫、轉速、功率等指標遠不能反映其工作的*狀態,也不適應自動電站、自動啟動、自動并車、自動監控、自動解列的要求,必須有更多的參數,如啟動設備的監控量、冷卻水壓力、排氣溫度、汽油發電機3次啟動失敗,主開關3次重合閘失敗,控制空氣低壓,發電機繞組溫度檢測,并車時的監控,自動頻率調節器和電壓調節器的監控等。隨著計算機技術的發展,給汽油發電機自動控制技術的發展提供了新的思路和手段,它極大地提高了汽油發電機自動化運行的*性、保護功能的完善性和應急功能的快速性,也可在組成汽油發電機電站的并聯化和模塊化時更簡便、可靠。
計算機控制的汽油發電機結構框圖如圖1所示。從圖中可見,原來由繼電器或數字電路完成的邏輯控制信號,以及原來由各個獨立的調節器信號,全部通過A/D轉換模塊輸入到控制計算機,由計算機集中處理、控制,根據需要輸入的指令,輸出適當信號,由D/A轉換給汽油機和發電機執行機構,使機組達到理想的運行狀態。在全自動工作方式下,微機控制的汽油發電機可完成:(a)汽油發電機的自動啟動;(b)運行過程中自動整定和調整運行參數,使機組運行在理想的工作狀態;(c)故障的自動診斷和自動處理;(d)實現電站的自動并車、自動負載分配,自動解列。計算機控制汽油發電機的實現對提高電站的自動化、電站的可靠性和電站運行的經濟性起著至關重要的作用,其應用前景更為廣闊。
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