柴油发电机组作为常用后备、应急电源设备,广泛应用于各行各业用电系统中,特别是在负载对供电质量要求越来越严格的今天,已成为不可或缺的供电保障。《柴油发电机组新技术及应用》中的三位作者均来自于柴油发电设备制造第一线,具有深厚的理论知识和丰富的实践经验,他们对近年来柴油发电设备的技术发展以及柴油发电设备在实际工程中的技术应用进行了深入研究,并加以总结归纳,完成《柴油发电机组新技术及应用》。
通过阅读《柴油发电机组新技术及应用》,读者可以了解柴油发电机组作为一种发电设备,在当前用电系统应用中技术发展的新状况,并且还可以了解其中的一些技术细节。《柴油发电机组新技术及应用》信息量丰富、可读性强,在编写内容上博采众家之长,技术应用和工程案例相结合,文字描述与图表、图像直观表达相结合,通俗易懂,易于理解。
《柴油发电机组新技术及应用》适合发电设备制造行业的工程技术人员,电气工程设计人员,广大用户,操作、维修人员以及电气工程专业的在校师生阅读。
我和蔡行荣、庄衍平既是本书的共同作者,也是老同事、老朋友。我们都是在20世纪80年代进入柴油发电机组行业的,当时蔡行荣是企业的生产技术厂长,算是我的老领导,我是技术科长,庄衍平在另一家国企做技术管理工作。后来我们所在的国企因故倒闭,我们只好白手起家,自己创业,但没有改行,一直都是做柴油发电机组产品,从广东做到上海,从一家名不见经传的普通民企做到上市公司,差不多是一辈子只做一个产品,做出感情来了。
我们三个人有一个共同的特点,就是对技术特别感兴趣。在自己创业之后,我们的主要工作都是企业管理,但无论担任什么职务,在什么岗位,对柴油发电机组的技术问题我们始终热情不减,情有独钟。只要有时间,我们都喜欢一头扎进对某个技术问题的钻研之中,一旦攻克了某个技术难题,或者在技术方面有了新的发明创造,那种喜悦之情难以言表。多年来,我们三人都有不少技术研发成果,有的是公开发表的论文,有的是国家专利。在政府部门的人事管理中,有所谓学者型干部的说法,我以为,我们三人应当属于技术型企业管理者吧。
撰写《柴油发电机组新技术及应用》这本书的想法,是我们在上海科泰电源股份有限公司工作期间形成的。上海科泰电源股份有限公司成立于2002年,蔡行荣、庄衍平是上海科泰电源股份有限公司的元老,我参与了上海科泰电源股份有限公司的创建,但实际参与上海科泰电源股份有限公司的管理要晚一些。上海科泰电源股份有限公司于2010年在深圳证券交易所挂牌上市,股票代码为300153,算是中国柴油发电机组行业一家龙头公司。在上海科泰电源股份有限公司十几年的发展历程中,我们投入最多的是对产品的质量控制,以及千方百计地满足市场对柴油发电机组技术的各种最新需求。在工作实践中,我们切身体会到:企业竞争,质量领先,技术为王。柴油发电机组看起来是一种很简单的机电集成产品,但是如何提高它的质量以及如何才能使它更好地适应新的使用环境,却是一个每天都有新发展、新挑战的课题。在中国柴油发电机组行业,凡是发展比较好的企业,一定都是能较好地面对这些发展和挑战的;而忽略这些发展和挑战,只把关注点放在抢市场、拼价格上的企业都不能长久。因此,对柴油发电机组产品的最新应用技术进行总结,不仅关系到产品的进步,还关系到行业的生存和发展。
柴油发电机组在应用技术方面的变化,主要体现在以下两个方面:
首先,柴油发电机组作为一种集成设备,其自身的应用技术近年来有了很大的进步。在20年前,中国柴油发电机组设备的技术是很原始的,只要能用一台柴油发动机联上一台交流发电机,发出电来给负载就可以了,对电气指标、噪声、污染、能耗和控制等要求都比较低。
但是今天,时代进步了,观念更新了,使用环境对柴油发电机组产品自身的技术要求变得越来越严苛了,不仅要求运行平稳可靠,而且要求低能耗、绿色、无污染;不仅要求能适应高寒、沙漠等特殊的使用环境,而且还要求远程遥控,无人值守。于是,一系列柴油发电机组产品自身的新技术诞生了,如发动机的高压共轨技术、交流发电机组的DVR (DigitalVolatgeRegulation,数字电压调节)技术、控制系统方面的全自动数字控制技术,以及最新投入应用的“云计算”技术。可以说,今天的柴油发电机组和20年以前已经完全不一样了,而且可以预料,前 言·Ⅴ ·在今后这种柴油发电机组自身应用技术,还将有一个突飞猛进的发展。中国制造的柴油发电机组不仅要跟上世界最新技术的发展,而且还要引领世界技术潮流,这才是中国柴油发电机组行业的生命所在。
其次,柴油发电机组作为一种电力设备,在它的使用领域,应用技术也发生着日新月异的变化。记得20世纪80年代我们刚刚进入柴油发电机组行业时,柴油发电机组的用途非常简单,就是作为备用电源,当主电源不能正常供电时,将柴油发电机组发动起来供电就可以了。
但是,到了网络时代,柴油发电机组的作用已今非昔比,不仅用途大大拓宽,而且使用的条件更加复杂,更加敏感,作用也更加重要。比如上海科泰电源股份有限公司比较擅长的核电站专用柴油发电机组,就要考虑到在遭遇地震、洪水等自然灾害时,如何保证机组依然能安全、可靠地运行。在20多年以前,500kW的柴油发电机组就属于大功率了,然而,现在的大型数据中心,柴油发电机组的功率都要求在2000kW 甚至3000kW 之上,而且是多机高压并机。军事用途的柴油发电机组已经成为现代化武器不可或缺的一个组成部分,关系到军队的战斗力。此外像石油、航空、船舶和通信等领域,对柴油发电机组的应用技术也都有着各自特殊的要求。
另外,随着社会现代化的进程,人类对供电的要求越来越高,工况环境也越来越复杂,比如正在被人们所熟悉和接受的分布式能源,就是以燃油(气) 发电机组为核心,就地进行能源转化,电、热(冷)联供的新型电力生产方式,可以达到最佳的效率和环保效果。可以说,我们用老眼光,可能已经完全无法看懂今天柴油发电机组的应用技术了。因而,有必要对柴油发电机组的最新应用技术进行研究,以使我们的思想跟得上时代的进步。
而这些,正是我们撰写本书的目的。我们三位作者———几乎与柴油发电机组打了一辈子交道的行业老兵,将我们近年来的一些亲身体验诉诸笔端,对柴油发电机组近年来的最新应用技术进行总结归纳,与行业同仁、用户及读者进行分享,这既是我们的责任,也是我们的快乐!
在本书撰写的过程中,得到了上海科泰电源股份有限公司很多同事的帮助,如杨少慰、田智会、杨少琴、郭海燕、王瑞锋、胡耀军、陆宝冬、李作雨和陈章浓等同事都协助进行了资料的收集整理,并参与了初稿的撰写,在此表示感谢!
我们感谢兰州电源车辆研究所有限公司的张红忠副总经理,他作为行业的专家和中国电器工业协会内燃发电设备分会的理事长,为本书写了序。行业和领导的支持,是对我们最大的鼓舞。
我们特别要感谢空军工程大学退休教授石楚生先生,他在百忙之中对我们进行了专业的指导,并审阅了书稿全文,对提高本书的质量起到至关重要的作用。在此,我代表三位作者对石老师表示深深的感谢!
我们还要感谢机械工业出版社的林春泉编审,这是我们的第二次合作了。林编审在本书的撰写过程中给予了我们很多鼓励,没有她的支持,我们几位业余作者要完成本书的撰写,是难以想象的。
由于水平所限,本书难免有浅薄疏漏之处,责任在作者,请各位专家、同行、读者多加原谅,并欢迎提出宝贵意见,以便我们改进!
许乃强2017年12
序
前言
第1章 柴油发电机组概述1
1.1 柴油发电机组的技术发展历程1
1.2 柴油发电机组的结构1
1.3 柴油发电机组的特点2
1.4 柴油发电机组的分类2
1.5 柴油发电机组的技术标准与性能6
1.5.1 柴油发电机组的标准6
1.5.2 柴油发电机组的工况条件7
1.5.3 柴油发电机组的功率标定和修正7
1.5.4 柴油发电机组的电气性能指标11
1.6 柴油发电机组的选择19
第2章 柴油机新技术的应用26
2.1 柴油机概述26
2.2 柴油机技术的发展35
2.3 电控燃油系统38
2.3.1 电控燃油系统概述38
2.3.2 电控单体式喷油器(EUI)燃油
系统42
2.3.3 电控高压共轨(DCR)燃油
系统44
2.3.4 其他类型的电控燃油系统49
2.3.5 电控燃油系统的故障诊断方法54
2.3.6 帕金斯(Perkins)电控燃油系统及
故障诊断56
2.3.7 沃尔沃(VOLVO)电控燃油系统及
故障诊断63
2.3.8 奔驰(MTU)电控燃油系统及故障
诊断71
2.3.9 康明斯(Cummins)电控燃油系统及
故障诊断73
2.4 增压中冷及多气门技术86
2.4.1 增压中冷技术86
2.4.2 多气门技术88
2.5 智能变速风扇及其他88
2.5.1 智能变速风扇88
2.5.2 废气再循环(EGR)技术的应用91
2.5.3 后处理技术92
2.5.4 乳化柴油的应用92
2.5.5 机油消耗控制技术93
第3章 发电机及励磁系统的新技术95
3.1 概述95
3.2 发电机的基本参数96
3.3 发电机的分类98
3.4 发电机的新技术和应用100
3.4.1 现代发电机的智能化101
3.4.2 云端大数据的分析和新产品开发中的
客户交互101
3.4.3 IDC数据中心的单独功率标定和高压
大容量多机并机、冗余控制等技术
的使用103
3.4.4 成型绕组发电机与散嵌绕组
发电机109
3.5 永磁发电机111
3.5.1 永磁同步发电机的特点111
3.5.2 永磁同步发电机的结构112
3.5.3 永磁同步发电机的参数、性能和
运行特性113
3.5.4 永磁发电机的应用116
3.6 异步发电机118
3.6.1 异步发电机的工作原理118
3.6.2 异步发电机的自激建压条件119
3.6.3 异步发电机负载运行状态及
应用120
3.7 无刷发电机的励磁系统122
3.7.1 PMG永磁机励磁系统122
3.7.2 辅助绕组励磁系统122
3.7.3 自励式励磁系统123
3.7.4 旋转晶闸管(SCR)励磁系统124
3.7.5 相复励励磁系统125
3.8 励磁系统的数字电压调节器
(DVR) 126
3.8.1 DVR2000E数字电压调节器综述126
目 录·Ⅶ
3.8.2 DVR2000E型数字电压调节器的功能
及运行特性127
3.8.3 DVR2000E典型应用的接线与
调整131
第4章 发电机组新控制技术133
4.1 柴油发电机组控制系统的发展趋势133
4.1.1 柴油发电机组控制系统概述133
4.1.2 柴油发电机组控制系统的发展
趋势137
4.2 发电机组的复杂应用139
4.2.1 冗余应用139
4.2.2 通信应用140
4.2.3 快速并机应用140
4.2.4 复杂并机项目的应用141
4.3 基于移动云服务的柴油发电机组远程
监控系统141
4.3.1 移动云服务的特点142
4.3.2 系统组成142
4.3.3 通信与数据交互143
4.3.4 远程数据管理与服务144
4.3.5 项目的技术框架及其关键技术145
4.3.6 科泰天辰云系统的主要功能145
4.3.7 科泰天辰云系统的优点146
4.4 科泰TC系列控制屏147
4.4.1 简易控制屏147
4.4.2 单机自动控制屏152
4.4.3 TC3.0发电机组并联控制器159
第5章 高电压柴油发电机组166
5.1 高电压柴油发电机组概述166
5.2 高电压发电机组的特点166
5.2.1 高电压发电机组主要技术特征及
指标166
5.2.2 高电压柴油发电机组的组成167
5.3 高电压柴油发电机组的配电系统169
5.3.1 高压配电系统的组成169
5.3.2 配电系统各部分的特点169
5.4 高电压交流柴油发电机组系统的
保护170
5.4.1 发电机组差动保护171
5.4.2 高电压发电机组系统的接地
保护171
5.5 高电压柴油发电机组与市电的工作逻辑
关系173
5.5.1 自启动逻辑173
5.5.2 市电恢复切换逻辑173
5.5.3 并机逻辑174
5.6 高电压发电机组的选型与分布式
并机174
5.6.1 高电压发电机组的选型174
5.6.2 高电压发电机组的分布式并机
系统178
5.7 高电压发电机组的安全管理和操作
规范186
5.7.1 高电压柴油发电机组的安全
管理186
5.7.2 高电压发电机组的操作规范187
第6章 特殊用途的柴油发电机组188
6.1 低噪声柴油发电机组189
6.1.1 低噪声柴油发电机组的噪声
控制189
6.1.2 低噪声柴油发电机组的外观、结构
和系统191
6.1.3 静音型机组的防尘防雨设计195
6.1.4 组合式低噪声方舱电站197
6.2 移动式柴油发电机组199
6.2.1 概述199
6.2.2 车载电站200
6.2.3 挂车电站210
6.3 特殊环境条件下柴油发电机组的
应用211
6.3.1 极端高温环境条件下柴油发电机组
的应用212
6.3.2 极端低温环境条件下柴油发电机组
的应用213
6.3.3 高原环境条件下柴油发电机组
的应用214
6.3.4 上海科泰电源股份有限公司内装式电动
电缆绞盘222
第7章 数据中心和通信用发电机组224
7.1 通信行业的发展对应急电源的要求224
7.2 高压交流柴油发电机组在通信行业
的应用225
7.3 通信基站应急供电用高压直流柴油
发电机组232
7.4 通信基站户外型耐低温风冷柴油
发电机组234
7.5 电动汽车应用于通信基站的应急
供电237
·Ⅷ · 柴油发电机组新技术及应用
7.6 通信基站混合能源系统240
7.6.1 变频节能混合能源系统241
7.6.2 混合能源管理系统246
7.6.3 上海科泰电源股份有限公司混合
能源系统249
7.6.4 混合能源系统的方案设计实例253
第8章 柴油发电机组在发电厂保安电源
的应用255
8.1 发电厂保安电源柴油发电机组概述255
8.2 黑启动柴油发电机组概述256
8.3 火力发电厂保安电源柴油发电机组256
8.4 水力发电厂保安电源柴油发电机组260
8.5 核电站保安电源柴油发电机组263
8.6 保安电源控制系统分类263
8.6.1 不与发电厂保安电源进行同期并网的
控制逻辑264
8.6.2 与发电厂保安电源进行同期并网的
控制逻辑265
8.6.3 黑启动应用的控制逻辑和一次
系统图269
8.6.4 柴油发电机组的控制系统269
第9章 柴油发电机组在核电站的
应用271
9.1 核电站柴油发电机组概述271
9.1.1 核电站的发展史271
9.1.2 核电站应急柴油发电机组的
重要性272
9.1.3 核电站柴油发电机组的分类272
9.1.4 核电站应急柴油发电机组简述273
9.2 核电站柴油发电机组的主要应用
形式275
9.2.1 核安全级柴油发电机组275
9.2.2 水压试验泵柴油发电机组280
9.2.3 附加柴油发电机组284
9.2.4 移动式应急柴油发电机组286
9.3 核电站柴油发电机组的典型案例
分析294
9.3.1 核安全级柴油发电机组
(KMS1000E) 294
9.3.2 水压试验泵柴油发电机组
(KV275E) 296
9.3.3 移动式应急柴油发电机组
(KV570CV) 297
9.3.4 柴油发电机组的抗震试验300
第10章 柴油发电机组在石油和天然气
行业的应用305
10.1 概述305
10.2 传统油田钻机负载特性及配套机组
的现状306
10.3 上海科泰电源股份有限公司采用的单机
容量为500kVA,3台机组智能并机的
解决方案307
10.4 1200kW陆地钻机发电机组(动力
模块) 309
第11章 柴油发电机组在港机的应用316
11.1 港口起重设备概述316
11.2 轮胎式集装箱龙门起重机动力房柴油
发电机组317
11.2.1 轮胎吊简介317
11.2.2 柴油发电机组动力房的选型及
设计318
11.3 移动式动力房325
11.3.1 挂车电站325
11.3.2 集装箱式电站326
......