系列柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)動慣量配置研究

　柴油發(fā)電機組是柴油機動力裝置的典型用途之一,柴油發(fā)電機組具有機組成套性好,投資費用低,移動、安裝方便,功率選擇范圍大,可單機組運行,也可以多機組關(guān)聯(lián)運行,使用經(jīng)濟性較好,操作方便等特點,被主要用作野外作業(yè),船舶、島嶼和一些電力供應緊張地區(qū)企業(yè)、單位等的主電源;同時,還用于企業(yè)、賓館、郵電通訊、機場等單位的應備備用電源。

 

　由于柴油機的工作原理和工作特點,柴油機輸出轉(zhuǎn)速和扭矩存在一定的波動,在用作發(fā)電機組原動機的情況下,柴油機輸出轉(zhuǎn)速的波動,將對發(fā)電機組的頻率穩(wěn)定有影響,從而影響到用電設(shè)備。為保證用電設(shè)備的正確使用,在國家標準中,對柴油發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速波動率以及對負載的突加/突卸時頻率的變化和穩(wěn)定時間等指標均有明確要求。

 

　為了使柴油機的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)速波動達到要求,除為柴油機選配合適的調(diào)速器以外,還要為整個機組配置合適的轉(zhuǎn)動慣量,在此基礎(chǔ)上,確定柴油機飛輪的轉(zhuǎn)動慣量,利用飛輪在機組轉(zhuǎn)速變化時,能存儲和釋放能量的特點,來緩和和減小機組的轉(zhuǎn)速波動。在考慮機組的轉(zhuǎn)速波動時,通常用柴油機的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ來表示(1)δ=(ω2-ω)/ωm

 

　式中:ω2,ω1,ωm為柴油機一個循環(huán)中最大、最小和平均角速度。

 

　對交流柴油發(fā)電機發(fā)電機組δ=(1/250)～(1/300) (1)機組所需轉(zhuǎn)動慣量的計算

 

　對柴油發(fā)電機組而言,應將整個機組作為一個整體來考慮。在一個循環(huán)內(nèi),機組從ω1加速到ω2,則機組除克服外部阻力外,還存在剩余功ΔE,這部分剩余功必定以動能的形式存儲于機組的各運動件中,按能量守恒定律

 

　ΔE=½/(ω22-ω21) (2)

 

　由于ωm≈ω2+ω/2

 

　對式(1) δ=(ω2-ω1ω)ωm/·(ω2+ω)/2ωm=½·(ω22-ω21ω)/2m

 

　故ΔE=Iω2mδ

 

　I=ΔEδω2m (3)

 

　式(3)是計算柴油發(fā)電機動力裝置所需配置轉(zhuǎn)動慣量I的基本公式。

 

　在系列柴油機和柴油發(fā)電機組設(shè)計中,如嚴格按公式(3)計算,很不方便;同時,由于多缸柴油機輸出扭矩曲線較均勻,按式(3)計算出來的轉(zhuǎn)動慣量值較小,但考慮到保證柴油機起動和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的性能,以及盤車和輸出功率等的需要,仍要為柴油機配置一定慣量的飛輪。所以,在實際的系列柴油機和柴油發(fā)電機組設(shè)計中,如何為機組配置合適的慣量,采用什么方法和公式來計算,就顯得較為重要了。

 

　對幾個常見的計算柴油機飛輪慣量的公式用國內(nèi)引進技術(shù)生產(chǎn)的德國MAN-B&W公司L+V20/27系列柴油機進行了驗證,在驗證的基礎(chǔ)上,推薦了一個可取得與L+V20/27系列柴油機作柴油發(fā)電機組時,所配置慣量很一致的公式

 

　Θp=TaMdωkg.m.s2 (4)

 

　式中:Θp為機組所需的總轉(zhuǎn)動慣量;Ta為時間常數(shù),取Ta=1.8～2,s;Md為柴油機輸出扭矩,kg.m;ω為柴油機角速度l/s。

 

　伊藤動力采用該公式對MAN-B&W L+V48/60系列四沖程,中速柴油機作柴油發(fā)電機組的情況進行驗證時,計算值與設(shè)計值有很大差別,這說明,該公式的適用范圍也存在一定的限制。

 

　從系列柴油機和柴油發(fā)電機組工程設(shè)計的角度來看,其轉(zhuǎn)動慣量的配置除與柴油機的功率、轉(zhuǎn)速有關(guān)外,還有一定的工程實踐經(jīng)驗因素。目前,常見的計算柴油機飛輪慣量的公式,基本上是以式(3)為基礎(chǔ),按“氣缸數(shù)相同的相似發(fā)動機,其扭矩曲線相似,而剩余功ΔE與總扭矩曲線成比例”的理論,在對某些典型柴油機的扭矩曲線進行研究的基礎(chǔ)上,給出不同缸數(shù)柴油機的盈虧功系數(shù)或飛輪系數(shù),進行計算。由于是在對一些典型機型扭矩曲線分析的基礎(chǔ)上給出的半經(jīng)驗、半推導的公式,其適應性有一定的局限是正常現(xiàn)象。本文對L+V48/60系列柴油機

 

　用式(4)驗證的結(jié)果與設(shè)計值差別很大就說明了這個問題。同時,這些公式給出的盈虧功系數(shù)或飛輪系數(shù)只到12缸為止,對12缸以上的柴油機如何計算,則沒有相應的系數(shù),從設(shè)計計算角度講,也不是完整的。

 

2、公式的推導

 

　由于德國MAN-B&W公司設(shè)計制造的L+V20/27系列和L+V48/60系列柴油機是具有較高設(shè)計水平的四沖程、增壓中冷系列柴油機,除可用作柴油發(fā)電機組的原動機外,還可用作船用主機,L+V20/27系列柴油機從直列5缸到V型18缸,柴油機標定轉(zhuǎn)速從720～1000r/min,有四檔,標定功率范圍從360～1800kW;L+V48/60系列柴油機從直列6缸到V型18缸,柴油機標定轉(zhuǎn)速500r/min,功率范圍6930～20790kW。

 

 

　下面根據(jù)基本公式(3),運用反求工程的方法,以20/27和48/60系列柴油機作為典型機型,推導和歸納適合四沖程中速柴油發(fā)電機組整機轉(zhuǎn)動慣量計算的公式。

 

　由I=ΔEδω2m按“剩余功與總扭矩成比例”的理論,即可將剩余功表示為

 

　ΔE≈k Md

 

　式中:k為比例系數(shù);Md為柴油輸出扭矩,Nm。

 

 

　Md=9549Nen

 

　式中:Ne為柴油機功率,kW;n為柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速,r/min。

 

　ωm=n×2π/60

 

　將ΔE,Md,ωm的表達式代入式(3),并進行單位換算,可得

 

　I=87.16×10(kNeδ/n3) (5)

 

　確定系數(shù)k:

 

　(1)以6L20/27柴油機,n=1000r/min,Ne=660kW,取δ=1/250,設(shè)計值I=121kgm2代入,求得系數(shù)k=0.83。

 

　(2)以6L20/27柴油機,n=900r/min,Ne=594kW,取δ=1/250,設(shè)計值I=134kgm2代入,求得系數(shù)k=0.75。

 

　(3)以6L48/60柴油機,n=500r/min,Ne=6930kW,取δ=6930kW,取δ=1/250,設(shè)計值I=10200kgm2代入,求得系數(shù)k=0.84。

 

　可見,其系數(shù)k的值差別不大,最后,可將公式歸納為:在設(shè)計系列多缸柴油發(fā)電機組時,其機組所需的總轉(zhuǎn)動慣量I為

 

　I=ξ×105Neδn3 (6)

 

　式中:ζ=6.5～7.3。

 

　由于一般柴油發(fā)電機組允許每12小時以110%標定功率運行1小時,所以在計算時,柴油機功率按110%標定功率計算。對兩個系列柴油發(fā)電機組的整機轉(zhuǎn)動慣量配置值,按此公式進行驗證的計算結(jié)果見表1(取δ=1/250,ξ=7),其誤差值小于5%。

 

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