应用柴油发电机组在高原环境条件下的优化方案

1.高原环境的特点

青藏高原海拔在4000m以上，自然条件极为严酷。随着国家对西部地区的开发，青藏高原的开发也在加速进行。由于青藏高原人迹稀少，地域辽阔，电网不能覆盖全部地区，因此内燃发电设备在青藏高原的应用日益广泛，但是传统的内燃发电设备不能满足高原地区的使用要求。

按GB/T 19607—2004《特殊环境条件防护类型及代号》规定，高原防护类型按海拔划分，分别用以下代号表示：

G2 表示适用于最高2000m的地区；

G3 表示适用于最高3000m的地区；

G4 表示适用于最高4000m的地区；

G5 表示适用于最高5000m的地区。

不同海拔环境条件，按GB/T 14597—2010《电工产品不同海拔的气候环境条件》的规定，高原环境条件参数见表6-3。

表6-3 高原环境条件参数表

注：1.为便于比较，将标准大气条件参数（0～100mm）列入表中。

2.在最低空气温度、最大日温差、最大风速、10min降水量等几项中，可取所列数值之一。

（1）气压下降

随着海拔的升高，大气压下降，其降低情况比较见表6-4。

表6-4 大气压力与海拔的关系

由上表可知随海拔的升高，大气压力下降明显，基本上在0～4000m范围内每上升1000m，大气压力下降10%左右。

（2）太阳辐射强度增大

随着海拔的升高，太阳辐射强度逐步增强，其增强情况见表6-5。

表6-5 太阳辐射强度与海拔的关系

由表6-5可知，海拔超过1000m后，太阳辐射强度平均每升高1000m增强6%。

（3）绝对湿度下降

年平均绝对湿度从0海拔的11g/m³到5000m时的1.7g/m³，下降速率明显，这意味着随海拔的升高，空气越来越干燥。

（4）空气的最高温度和平均温度随海拔的升高而降低

从表6-3中可知，海拔在1000m以上，每上升1000m空气的最高温度和平均温度均下降5℃。

（5）高原地区日温差加大

一般平原地区日温差为10～15℃，高原地区日温差可达25～30℃。

2.高原环境对电站的影响

内燃机电站主要由柴油机、发电机、配电系统和机械结构件等组成，对移动电站还有行走系统等，高原环境对这些设备都有一定的影响。

（1）对柴油机的影响

高原的环境特点，特别是大气压力下降，对柴油机的影响最大。

随海拔的升高，大气压力下降，空气密度下降，空气中含氧量降低，造成燃油燃烧不充分，爆发压力下降，驱动功率下降。

1）自然吸气式柴油机 一般自然吸气式柴油机随海拔的升高，输出功率的下降速度较快，与标准工况相比，平均海拔每升高100m，输出功率下降约1%左右。

2）增压型柴油机 增压型柴油机，一般在海拔1000m以下功率可不作修正，康明斯柴油机在1525m以下输出功率可不作修正。在环境温度不变情况下，康明斯柴油机规定海拔高于1525m时，每升高300m，功率下调4%：道依茨柴油机，如BF913系列，海拔1000m以上，每升高1000m，功率约下降7.5%。

3）低温低压缺氧环境对柴油机启动的影响 在高海拔的极寒地区，柴油机通常启动极为困难，除了温度极低外，空气的密度低，柴油机点火非常困难，海拔越高，启动越困难，特别是增压型柴油机，在启动瞬间，增压器使得启动更为困难。同时，高海拔、低气压、低温导致柴油机油泵的泵油能力下降，吸入柴油机的柴油压力下降，柴油的黏度增加等，所有这些方面都将导致柴油机的启动更加困难。

4）对燃油消耗率的影响 一般情况下，柴油机按标准大气状态整定供油量。柴油机在运行时，供油量是随负载变化自动调整供油量。在高原状态下，同样的负载变化，由于供氧量不足造成转速下降的幅度要比平原地区大，因此同样一个负载变化率，高原地区的供油量要比平原地区大，就造成燃油消耗率增加。

过多的燃油和较少的氧气，必然造成燃烧不完全，排放性能变差，排放温度升高，整机热效率下降。

（2）对发电机的影响

高原环境对发电机的影响主要表现在温升上。一般情况下，海拔在1000m以上时，每升高100m，最高环境温度将下降0.5℃。同时，由于海拔升高、空气密度降低，散热效果变差，造成发电机的温升升高。一般规定海拔每升高100m，温升将升高0.5℃。这样允许温升限值可不作修正，输出功率也不需修正。

但对于某些用户规定高海拔地区最高环境温度为40℃或不按上述规定降低使用的环境温度，这样发电机输出功率就应该修正。

（3）对低压电器的影响

高原环境对电工产品的综合影响主要表现在如下几个方面：

1）对开关电器灭弧的影响 一般开关电器的灭弧是利用空气为灭弧介质，如接触器、断路器等。由于海拔升高空气密度降低，造成灭弧时间延长，触头易被烧损，使开关通断能力下降，使用寿命缩短。

2）对温升影响 海拔升高，环境温度低，可部分或全部补偿因海拔升高引起的产品温升增加值，具体补偿数值要看产品的结构特点而定。

3）对绝缘强度的影响 海拔升高，空气密度降低，介质绝缘强度降低，绝缘外表面及空气隙之间击穿电位降低。一般情况下，海拔每升高100m空气绝缘强度下降1%，在产品电气间隙和绝缘距离不变的条件下，产品的额定绝缘电压、介电强度、最大额定电压或最高使用电压均要降低。

4）辐射的影响 高海拔的太阳辐射强度大，海拔在1000m以下的辐射强度为1000W/m²，而在5000m是1250W/m²，后者是前者的1.25倍。同时还造成产品温升增加，加速产品的热老化。

紫外线辐射随海拔升高上升幅度更快，海拔3000m时是平原地区的2倍，其加速有机绝缘材料的老化速度，空气易于电离而导致绝缘强度降低，使产品寿命降低，且使产品涂层劣化，表面易粉化、脱落。

5）静电的影响 高原地区湿度低，空气较干燥，干燥空气有利于产生静电电荷，静电电荷增加对电子设备影响较大。

3.高原环境条件下柴油发电机组的应对措施

（1）柴油机的改进措施

1）柴油机采用恢复性增压技术 柴油机要采用恢复性增压技术，这一技术的要点实际上是让增压器的额定工作点按高原环境整定，使柴油机在海拔升高的同时，让增压器增加转速，提高供气量，但又不能使增压器超速造成损坏，从而改善柴油机在高原地区的运行工况，使高原地区运行时燃油消耗率上升率，功率下降率，排气温度升高情况均较普通增压柴油机有较大程度的改善。

2）充分利用中冷技术 尽可能改善中冷器的冷却效果，使进气通过增压器作用，进气压力提高造成温度升高的程度得到改善，从而在相同的压力情况下，提高了进气的空气密度，从而改善油机的运行工况。

3）提高水冷系统的预压力 由于大气压力降低，这样会使水冷系统散热器的压力盖的开启压力相应降低，从而影响水冷系统正常工作，提高压力盖的开启压力，使之弥补，由于海拔升高引起的大气压力降低，使水冷系统开启压力与平原相当。

4）改善冷却液的散热效果 尽可能降低冷却液的温度，降低缸体、缸盖温度，从而达到降低进气温度的目的，使空气密度提高，增加进气的供氧量，改善运行工况。

5）改善空滤器结构，适应高原干燥多尘环境 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、成本低和易保养等特点。可选加一级空滤器，或用沙漠型空滤器，要保证柴油机正常运行，空滤器保养间隔时间为50～100h。

6）应对极寒地区柴油机低温启动困难 可以采用机油加热、缸套水加热、进气加热等辅助低温预加热系统使柴油机更容易启动。同时，使用与环境温度相适应的低温柴油、冷却液、低温润滑油和有充足电力的低温电瓶。一般低温柴油、低温润滑油、冷却液的标号至少要比环境温度低5℃以上。这一套综合措施将更好解决柴油机低温启动困难的问题。

（2）发电机的功率修正

发电机的选用主要考虑功率修正。对在高原环境条件下环境温度仍以40℃要求的产品则一般应按海拔1000m以上。每升高100m允许功率下降1%来计算。

（3）低压电器的选择

1）最大工作电压的选择 海拔升高，低压电器最大工作电压会随之降低。一般讲，低压电器的电气间隙和漏电距离的击穿强度随海拔增高而降低，其递减率一般为每100m下降0.5%～1%，最大值不超过1%。

对此我们可以考虑按提高工作电压等级的方法来选用低压电器，如额定电压400V的系统，在4000m使用时，应选用低压电器的工作电压值为

400V×（100+30）%=400V×130%=520V

即选用额定使用环境在1000m及以下的工作电压（额定工作电压）大于520V的低压电器即可。

2）额定工作电流修正 低压电器在高原地区，由于散热困难，工作条件差，会造成温升增加，大多情况下，温升的增加会由于海拔升高环境温度下降得到补偿，但有些产品因为补偿不足，而造成允许工作温度过高，这种情况下，一般可按每超过1℃容量下降1%予以修正。特别在高海拔地区环境温度为40℃要求工作的产品，一定要修正功率，按海拔1000m以上，每升100m允许使用功率下降1%计算来选用合适的产品。

3）改善静电的影响 主要通过抗静电设计来改善静电的影响，使用抗静电材料，或采用屏蔽，改善屏蔽层接地的效果。

4）电气间隙的修正 在电气间隙不变情况下，其耐压水平随海拔高度每升100m，降低1%，因此一般可以按海拔每升高100m，电气间隙和爬电距离增大1%来修正。按GB/T20626.1—2006《特殊环境条件 高原电工电子产品通用技术要求》提供的修正系数见表6-6。

表6-6 电气间隙修正系数

5）工频耐压试验修正 一般以考核内绝缘质量为主的例行试验，按有关产品标准的规定，试验电压取海拔1000m或2000m时产品的耐压值，不作修正。一般情况下产品的使用海拔与试验海拔不一致时应按GB/T 20626—2006《特殊环境条件高原电工电子产品通用技术要求》提供的修正系数修正，见表6-7。(www.xing528.com)

表6-7 海拔修正系数Ka

（4）防紫外线辐射

1）使用抗紫外线辐射的涂料，如采用耐紫外线的聚氨酯丙烯酸涂料等。

2）电缆可选用耐紫外线和太阳辐射的产品。

3）塑料和橡胶制品选用抗紫外线辐射的产品，以防止加速老化、变质。

4）导线、电缆、塑料、橡胶件制品；主要要选用与环境温度相适应的产品，保证低温下不开裂、脆化等，如QxRF电力电缆、QxRFP控制电缆、FvN聚乙烯尼龙护套线等。

5）仪表 仪表要选用c组，即适应低温组别的仪表。

4.高原环境条件下柴油发电机组的应用

本工程案例为应中国南极科考队要求，在南极高原昆仑站应用的柴油发电机组。其应用环境是典型的高原极寒环境。

（1）设备基本要求

1）设备使用背景 目前，中国南极内陆考察的后勤保障基地（出发基地）为中山站，内陆考察目的地有三个，分别是昆仑站（距中山站1250km）、泰山站（距中山站520km）、格罗夫山区域（距中山站500km），内陆移动舱体（以下简称“内陆舱”）用于内陆考察队从中山站出发，前往各考察目的地途中及到达考察目的地之后考察队员食宿、发电、食品贮藏等后勤保障需求，重点满足从中山站往返昆仑站的途中以及抵达昆仑站之后的各项后勤保障需求。内陆舱的运载方式为地面运输，运载工具为雪地车及内陆考察专用雪橇，内陆舱的电力供给为柴油发电机组。南极内陆自然条件十分恶劣，以昆仑站区域为例，该站海拔为4093m，夏天最低温度零下40℃以下，属于典型的高海拔、极寒区域，而且往返昆仑站路途较长（往返约2600km），途中路面十分颠簸，还会遭遇暴风雪、白化天等极端天气，因此对内陆舱的可靠性、保温性和密封性有较高要求。

2）设备总体要求 发电舱室内的尺寸为6.3×2.8×2.2m，墙体保温厚度≤150mm。整体吊装重量（含包装）≤4.0t。设备由雪龙号运输至中山站，再转地面运输至内陆，应考虑运输沿途路面颠簸的因素，仓内所有设备必须牢固、固定可靠、防振动，采用野外型紧固件及连接件。仓内敷设的电缆采用耐低温硅橡胶电缆。仓内电气设备电源由移动柴油发电机提供，仓内设置总电源开关，二路进线。仓外顶部设置吊耳，并设置安全上顶梯。仓体安装在雪橇车上方，固定接连方式同20尺标准集装箱。仓体室外斜梯按雪橇车高度设置，为可收缩型，结实耐用。仓体所有制造材料应符合国家标准规定，选用安全、环保、节能型以及阻燃性产品。

发电舱2个。除满足设备总体要求外，还需满足以下要求：

舱内发电机组配备的柴油发动机、发电机、电器开关、继电器等重要设备均为国内（外）知名品牌产品。

发电机组额定功率不小于80kW。

发电机组可在零下40℃条件下正常启动、运行。

舱内所有电源线及电器元件均选用耐低温型号。

舱内配电及线路设计均符合相关国家安全规定。

容积不小于1000L的油箱及相应的加油设施，油箱配备有可靠耐用的油位观察装置并在顶部留有直径不小于15cm的通气孔（也可用于加油）。

舱体两侧各留有8～10个220V输出的航空插座及2～3个380V输出的航空插座。舱体留有1～2个通风口及1个窗户。舱内所有设备必须可靠固定，可保证能在颠簸路面运输。舱内配有1个大小适中的工具箱。

（2）中国南极科学考察队内陆考察移动电站项目的方案

基于使用环境及运输等多方面考虑，总体技术方案是一台400/230V，常用功率为80kW（极地研究中心已考虑功率折损与实际负载匹配）风冷柴油发电机组，并配以集装箱式箱体等。

1）设计规范和标准 上海科泰电源股份有限公司柴油发电机组的设计、选型、生产、质量控制过程严格按照国标（GB）和国际电工委员会（IEC）以及国际单位制（SI）现行相关标准执行，机组符合：

GB/T 2819《移动电站通用技术条件》；

GB/T 2820《往复式内燃机驱动的交流发电机组》；

GB 755《旋转电机 定额和性能》；

ISO 8528《往复式内燃机驱动的交流发电机组》；

ISO 3046《往复式内燃机》；

DIN 6271《活塞式内燃机》；

BS 5514《往复式内燃机规范、性能》；

BS 5000《特种或专用旋转电机》；

IEC 60034-1《旋转电机定额和性能》；

JB/T 10303《工频柴油发电机组技术条件》。

这些法则和标准提出了对发电设备的最基本要求。

整机性能符合《中国南极科学考察队内陆考察移动舱体技术需求》中各项要求。

2）机组的选型 选用上海科泰电源股份有限公司KD100机组，400/230V，常用功率为80kW柴油发电机组（海拔折损计算后），整个机组由发动机、发电机、控制系统以及必要的附件组成，其中柴油发动机采用DUETZ品牌BF6L913C；发电机采用Stamford品牌UCI274D，并配套自动调压系统；控制系统采用上海科泰电源股份有限公司天辰系列控制屏。

3）集装箱式电站技术规格：

外形尺寸：（长×宽×高）：13192（长）×3000（宽）×3000（高）/mm；

重量：≤4.2t；

发电机组常用功率：80kW；

额定电压：三相交流400/230V；

额定频率：50Hz；

额定转速：1500r/min；

功率因数：0.8（滞后）；

绝缘等级：H级绝缘；

防护等级：IP23。

4）发电机组技术性能：

日用油箱容量：1000L，满足机组连续工作时间≥24h；

发动机由24V直流电动机启动，配备适应极寒地域环境免维护蓄电池；

匹配弹簧避震装置。

配备消音功能大于15dB的消音器和膨胀节。

发电机过载能力能承受3倍额定电流的过载10s和在一定的三相对称负载下在其中任意相上再加25%额定相功率的阻性负载，该相总负载电流不超过额定值时能正常工作。

有短路保护、超负载保护等功能。

5）设计方案简介 基于极地严寒气候环境及运输方式等特点要求，技术方案采用整体式箱体设计，箱体内布局为箱体内部设有油箱间、机组工作间和工具间等。

柴油发电机组所用发动机选用风冷方式，风冷方式发动机具有暖机快，启动性能好，只需5～6min就可达到工作温度，可快速进入带负载工作状态，同时由于风冷发动机需要的空气量比水冷发动机约少1/3，具有因而进排风开口小容易实现封闭等优点。

发电机组配置可实现无人值守的智能化控制系统。

现场最低温度可到-40℃，箱内需要加热和保温，采用两层铝板焊接中心填充100mm厚保温材料，整体用螺栓固定在经特殊设计的柴油发电机组安装的底架上。铝质外壳和共用底架方案大幅降低了总重量，箱体门框所用密封条耐低温，密封可靠。底架四角按标准集装箱尺寸焊接集装箱角件，位置尺寸严格按GB/T 1413—2008《集装箱分类、尺寸和额定质量》规定尺寸，满足雪地车及内陆考察专用雪橇需要的集装箱式运输方式的尺寸要求。为防止起吊时钢丝绳挤压铝质保温壳体，底架四角增设起吊立柱，并在立柱上安装脚踏以方便人员穿持吊绳为增强强度在立柱顶部设有矩形框架连接，该框架尺寸超出铝质保温壳体，可以在雪橇车雪地翻覆时框架触地受力防止铝质保温壳体挤压损坏。安装底架上空间填充保温材料（聚氨酯板）并上下面铺设承重强度足够的薄钢板，保证人员可进入内部工作。以上方案大幅度减轻了设备总重量，同时满足标准集装箱车载运输方式和直升机空中吊运方式。

油箱隔间采用防火隔墙隔开；并在隔墙上预先铺设进、回油油管沟和进、出线镀锌管。油箱间采用波纹管合理布置内部走线。油箱间墙壁开设透气窗。油箱间油箱漏油盘侧墙壁上安装二氧化碳灭火器。

机组工作间内部设置有燃油加热器加热保温。机组工作间门后固定放置二氧化碳灭火器。根据机组重量合理安装集装箱底部槽钢，并保证机组地脚螺栓孔下方有横梁加强，机组固定螺母焊接于横梁下方。机组工作间走线采用走线槽、波纹套管等合理布线，并将交、直流走线分开，信号线和电源线分开。机组工作间总体隔热保温。根据空间位置设置有合理尺寸的工具间。

箱体外部的两侧开有维修门、观察窗和通风口。所有门框四边加固，防止门框变形。门锁结构合理、强度高、不易损坏、开关方便。密封条密封可靠（防风雪和隔音），耐低温。箱体每扇门后安装风钩，门打开后可挂于其上固定，避免因风误关夹伤工作人员。设有维修门，门上安装密封条，保证密封以使维修门关上时能完全防风雪，维修门打开角度为180°。

设有观察门以便机组工作时能随时观察到机组的控制仪表，了解机组内部运行情况；观察门上设有双层中空钢化玻璃观察窗，观察窗对应于机组控制面板。观察门旁设置有急停开关。箱体两侧合理位置设置进排风口开口。保温材料采用聚氨酯板，厚度为100mm，钢材选用高耐寒结构钢Q345GNHL，铝材选用6063，可满足极地条件对保温、对材料低温环境的强度、焊接性能等的要求。

为了提高机组可靠性及减少维护工作量，设置有燃油过滤系统，机组配套了保证燃油清洁的油水分离器，可以减少机组在工作时燃油油管堵塞的几率。安装机油过滤器，保证润滑油路燃油质量。设置温度低于-40℃到-5℃的启动辅助设备，配备自动控温系统的燃油加热器可对箱体内部整体预热。

排烟系统为防止风雪从排烟口进入及逆风影响，排烟口采用水平短管中部贯穿焊接垂直管的形式，排烟口分置箱体两侧并下陷安装，保证排烟口安装后尺寸不超出箱体尺寸。

此方案整体重量不超过4000kg，满足直升机吊装质量要求。