[科普中國]-柴油發(fā)電機

柴油發(fā)電機定義

發(fā)電機是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機械設(shè)備。

柴油發(fā)電機是柴油發(fā)動機與發(fā)電機（通常是交流發(fā)電機）的組合以產(chǎn)生電能。 柴油壓燃式發(fā)動機通常設(shè)計成在燃油上運行，但是有一些類型適用于其他液體燃料或天然氣。

發(fā)展歷史1897年全世界第一臺柴油機誕生于德國的奧格斯堡（Augsburg），是由MAN公司的創(chuàng)始人Rudolf Diesel 發(fā)明的。柴油機的英文名字即為創(chuàng)始人的姓名 Diesel。

MAN公司乃當(dāng)今世界上最為專業(yè)的柴油機制造公司，單機容量最大可達(dá)到15000kW。是海洋船運業(yè)的主要動力供應(yīng)商。中國的大型柴油機發(fā)電廠亦依賴MAN公司，如廣東惠州東江電廠（10萬kW）。佛山電廠（8萬kW）均為MAN公司提供的機組。

世界上最早的柴油機被存放在德國國家博物館的展廳里。

基本結(jié)構(gòu)及原理基本結(jié)構(gòu)柴油發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)是由柴油機和發(fā)電機組成，柴油機作動力帶動發(fā)電機發(fā)電。

柴油機的基本結(jié)構(gòu)：由氣缸、活塞、氣缸蓋、進(jìn)氣門、排氣門、活塞銷、連桿、曲軸、軸承和飛輪等構(gòu)件構(gòu)成。柴油發(fā)電機的柴油機一般是單缸或多缸四行程的柴油機，下面我只說說單缸四行程柴油機的工作基本原理：柴油機起動是通過人力或其它動力轉(zhuǎn)動柴油機曲軸使活塞在頂部密閉的氣缸中作上下往復(fù)運動?；钊谶\動中完成四個行程：進(jìn)氣行程、壓縮行程、燃燒和作功（膨脹）行程及排氣行程。當(dāng)活塞由上向下運動時進(jìn)氣門打開，經(jīng)空氣濾清器過濾的新鮮空氣進(jìn)入氣缸完成進(jìn)氣行程?；钊上孪蛏线\動，進(jìn)排氣門都關(guān)閉，空氣被壓縮，溫度和壓力增高，完成壓縮過程?；钊麑⒁竭_(dá)最頂點時，噴油器把經(jīng)過濾的燃油以霧狀噴入燃燒室中與高溫高壓的空氣混合立即自行著火燃燒，形成的高壓推動活塞向下作功，推動曲軸旋轉(zhuǎn)，完成作功行程。作功行程完了后，活塞由下向上移動，排氣門打開排氣，完成排氣行程。每個行程曲軸旋轉(zhuǎn)半圈。經(jīng)若干工作循環(huán)后，柴油機在飛輪的慣性下逐漸加速進(jìn)入工作。

柴油機曲軸旋轉(zhuǎn)便帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，發(fā)電機有直流發(fā)電機和交流發(fā)電機。

直流發(fā)電機主要由發(fā)電機殼、磁極鐵芯、磁場線圈、電樞和炭刷等組成。工作發(fā)電原理：當(dāng)柴油機帶動發(fā)電機電樞旋轉(zhuǎn)時，由于發(fā)電機的磁極鐵芯存在剩磁，所以電樞線圈便在磁場中切割磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，由磁感應(yīng)產(chǎn)生電流并經(jīng)炭刷輸出電流。

交流發(fā)電機主要由磁性材料制造多個南北極交替排列的永磁鐵（稱為轉(zhuǎn)子）和硅鑄鐵制造并繞有多組串聯(lián)線圈的電樞線圈（稱為定子）組成。工作發(fā)電原理：轉(zhuǎn)子由柴油機帶動軸向切割磁力線，定子中交替排列的磁極在線圈鐵芯中形成交替的磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，磁通的方向和大小變換多次，由于磁場的變換作用，在線圈中將產(chǎn)生大小和方向都變化的感應(yīng)電流并由定子線圈輸送出電流。

為了保護(hù)用電設(shè)備，并維持其正常工作，發(fā)電機發(fā)出的電流還需要調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制等等。

原理簡而言之，就是柴油發(fā)電機驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)。
在汽缸內(nèi)，經(jīng)過空氣濾清器過濾后的潔凈空氣與噴油嘴噴射出的高壓霧化柴油充分混合，在活塞上行的擠壓下，體積縮小，溫度迅速升高，達(dá)到柴油的燃點。柴油被點燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動活塞下行，稱為‘作功’。各汽缸按一定順序依次作功，作用在活塞上的推力經(jīng)過連桿變成了推動曲軸轉(zhuǎn)動的力量，從而帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。將無刷同步交流發(fā)電機與柴油發(fā)電機曲軸同軸安裝，就可以利用柴油發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，利用‘電磁感應(yīng)’原理，發(fā)電機就會輸出感應(yīng)電動勢，經(jīng)閉合的負(fù)載回路就能產(chǎn)生電流。
這里只描述發(fā)電機組最基本的工作原理。要想得到可使用的、穩(wěn)定的電力輸出，還需要一系列的柴油發(fā)電機和發(fā)電機控制、保護(hù)器件和回路。1

孤島操作模式在沒有連接到電網(wǎng)的情況下操作的一個或多個柴油發(fā)電機被稱為孤島操作模式。并聯(lián)的工作發(fā)電機可以在部分負(fù)載下獲得更好的效率。用于孤立社區(qū)的主電源的孤島電廠通常將具有至少三個柴油發(fā)電機，其中任意兩個均被額定承載所需的負(fù)載。

發(fā)電機可以通過同步過程電連接在一起。同步涉及在將發(fā)電機連接到系統(tǒng)之前匹配電壓，頻率和相位。在連接之前無法同步可能會導(dǎo)致高短路電流或發(fā)電機或其開關(guān)設(shè)備的磨損。同步過程可以由自動同步模塊自動完成，或由指導(dǎo)的操作員手動完成。自動同步器將從發(fā)電機和母線電壓讀取電壓，頻率和相位參數(shù)，同時通過發(fā)動機調(diào)速器或ECM（發(fā)動機控制模塊）調(diào)節(jié)速度。

負(fù)載可以通過負(fù)載共享在并聯(lián)運行的發(fā)電機之間共享。負(fù)載共享可以通過使用由發(fā)電機頻率控制的下降速度控制來實現(xiàn)，同時其不斷地調(diào)節(jié)發(fā)動機燃料控制以將負(fù)載轉(zhuǎn)移到剩余電源或從剩余電源轉(zhuǎn)移負(fù)載。當(dāng)向其燃燒系統(tǒng)的燃料供應(yīng)增加時，柴油發(fā)電機將承擔(dān)更多的負(fù)載，而如果燃料供應(yīng)減少，則釋放負(fù)載。2

機組型號柴油發(fā)動機，發(fā)電機和各種輔助裝置（例如基座，頂蓋，聲衰減，控制系統(tǒng)，斷路器，夾套熱水器和起動系統(tǒng)）的封裝組合被稱為“發(fā)電機組”。3

標(biāo)準(zhǔn)機組標(biāo)準(zhǔn)機組廣泛應(yīng)用于機房內(nèi)安裝的一般場所。機組主要由柴油機、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、機座、減震裝置、冷卻系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、和輸出保護(hù)開關(guān)等部分組成。

防護(hù)型機組防護(hù)型機組應(yīng)用于對噪聲沒有特殊要求的戶外場所。主要由標(biāo)準(zhǔn)機組、防護(hù)罩殼、排煙系統(tǒng)等組成。由于防護(hù)罩殼沒有設(shè)置降噪裝置，只要滿足通風(fēng)和防雨雪條件即可，故其外形體積較小，成本較低。機組運行時開門開窗通風(fēng)。防護(hù)型電站可以單臺，也可以多臺并聯(lián)使用，多臺并聯(lián)使用特別適用于負(fù)載變化較大、連續(xù)運行可靠性要求較高及低成本經(jīng)濟(jì)使用的場合，如配套油田鉆機等。

防音型機組防音型機組廣泛應(yīng)用于對環(huán)境保護(hù)有特殊要求的戶外或室內(nèi)需要防護(hù)降噪的場所，主要由標(biāo)準(zhǔn)機組、防音罩殼、進(jìn)排風(fēng)降噪裝置和排氣降噪裝置等組成，其主要特征是防音罩殼設(shè)置隔音和吸音層、進(jìn)排風(fēng)通道做降噪處理、排氣采用工業(yè)型和住宅型消聲器的組合，分別降低其高頻和低頻段的噪聲。標(biāo)準(zhǔn)防音型機組噪聲一般在78～85dB（A），超級防音型機組噪聲一般在70～78dB（A）。超級防音型機組是在標(biāo)準(zhǔn)防音型機組的基礎(chǔ)上對噪聲排放采取更加嚴(yán)格的控制措施，如采用迷宮式進(jìn)排風(fēng)通道設(shè)計等來實現(xiàn)的。

超級防音型機組一般外型尺寸都較大，制造成本也比標(biāo)準(zhǔn)防音型機組要高得多。防音型機組和超級防音型機組通常在防音罩殼外操作、保養(yǎng)和檢修。

露天電站低噪聲方艙電站和集裝箱電站一般應(yīng)用于對環(huán)境保護(hù)有特殊要求的戶外使用場所，可以直接放置在戶外露天使用，省去建造機房，同時具有機動性強和投入使用周期短等特點。低噪聲方艙電站和集裝箱電站的噪聲一般在75～85dB（A），可以在方艙和機廂內(nèi)進(jìn)行操作、保養(yǎng)和檢修。

車載移動電站車載電站廣泛應(yīng)用于通信、電視轉(zhuǎn)播、高速公路、搶險、供電和軍隊等對于快速、機動性和可靠性要求較高的電源應(yīng)急場合。主要將機組安裝在汽車的車廂內(nèi)，并可以配備電動電纜絞盤、多路輸出插座和機械（或液壓）支腿，也可以很方便的實現(xiàn)多輛車載移動電站并聯(lián)使用。車載移動電站一般噪聲在70～80dB（A）。

參數(shù)制造商提供詳細(xì)的安裝指南，以確保正確的功能，可靠性和低維護(hù)成本。在線購買發(fā)電機時，必須確保產(chǎn)品附帶安裝指南和產(chǎn)品描述。指南涵蓋以下內(nèi)容：

尺寸和選型 - 電氣設(shè)備的典型負(fù)載，應(yīng)用的預(yù)期負(fù)載

電氣因素 - 峰值負(fù)載與穩(wěn)定，允許的應(yīng)用

冷卻 - 發(fā)電過程中的發(fā)動機冷卻

通風(fēng) - 冷卻過程中允許氣流（設(shè)計）

燃料儲存 - 發(fā)電機以特定的使用率運行多長時間

特定型號的噪聲 - dB水平

排氣量 - ppm（百萬分之幾）的某些元素，考慮環(huán)境和發(fā)電機周圍的環(huán)境

啟動系統(tǒng) - 鑰匙啟動，拉動啟動，按鈕啟動等等4

機組尺寸家庭、商店、辦公室對于家庭，小商店和辦公室，設(shè)備尺寸范圍從8到30千瓦（也是8到30千伏安單相）

工廠大型工業(yè)發(fā)電機從8千瓦（11千伏安）到2,000千瓦（2,500千伏安三相）復(fù)合體。 2,000 kW裝置可以安裝在12米的ISO集裝箱中，燃油箱，控制器，配電設(shè)備和作為獨立電站運行所需的所有其他設(shè)備或作為電網(wǎng)電力的備用。2

小型發(fā)電站這些模塊的組合用于小型發(fā)電站，并且每個模塊使用1到20個單元，并且可以組合成數(shù)百個功率模塊。在這些較大的尺寸中，功率模塊（發(fā)動機和發(fā)電機）被單獨帶到拖車上，并且用大電纜和控制電纜連接在一起以形成完全同步的發(fā)電設(shè)備。還有許多選擇來滿足特定的需求，包括用于自動啟動和電源并聯(lián)的控制面板，用于固定或移動應(yīng)用的通風(fēng)設(shè)備，燃料供應(yīng)系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)等。3

主要用途日常使用供電盡管柴油發(fā)電機組的功率較低，但由于其體積小、靈活、輕便、配套齊全，便于操作和維護(hù)，所以廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、野外工地、道路交通維護(hù)、以及工廠、企業(yè)、醫(yī)院等部門。

應(yīng)急電源柴油發(fā)電機組用于沒有連接到電網(wǎng)的地方，或者在電網(wǎng)故障時用作應(yīng)急電源，以及用于更復(fù)雜的應(yīng)用，例如峰值跳閘，電網(wǎng)支持和電網(wǎng)輸出。

發(fā)展方向發(fā)電機組肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)以及人民生活用電提供發(fā)電成套設(shè)備的重任，所以它在很長一段時間內(nèi)還會占據(jù)著很重要的位置。而伴隨著時代的進(jìn)步社會的發(fā)展，原有的那種發(fā)電機組笨重、耗油高、噪音大、尾氣污染嚴(yán)重，顯然已經(jīng)不適合社會的需要。所以未來發(fā)電機組的發(fā)展方向應(yīng)該是節(jié)能、環(huán)保、輕型化、小型化、美觀大方。這樣才能發(fā)揮出發(fā)電機組的潛在優(yōu)勢。

前沿應(yīng)用1、獨立交流微網(wǎng)中電池儲能與柴油發(fā)電機的協(xié)調(diào)控制

在獨立交流微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi),柴油發(fā)電機和電池儲能之間的協(xié)調(diào)控制是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。利用電池儲能的快速響應(yīng)特性,提出了柴油發(fā)電機和儲能電池的協(xié)調(diào)控制方法。柴油發(fā)電機作為主電源時,通過在儲能系統(tǒng)傳統(tǒng)下垂控制中引入輔助功率控制信號,防止柴油機長時過流引起的系統(tǒng)崩潰,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對微網(wǎng)內(nèi)主電源從儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)為柴油發(fā)電機或者從柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)為儲能系統(tǒng)時的短時停電問題,提出了柴油發(fā)電機和儲能電池雙主電源的無縫切換控制策略。5

2、船舶柴油發(fā)電機組的建模與運行仿真研究

船舶柴油發(fā)電機組的運行過程是電站運行的重要組成部分。并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機組數(shù)量決定了船舶電站的容量。并聯(lián)運行的穩(wěn)定性與船舶電站的穩(wěn)定性密切相關(guān)。建立能準(zhǔn)確反映柴油發(fā)電機組運行的數(shù)學(xué)模型對電站的運行控制、仿真和性能分析都具有重要意義。柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行過程的研究涉及到柴油發(fā)電機的模型、并聯(lián)運行控制模型、電力負(fù)荷模型等的建立。其中,柴油發(fā)電機模型盡管存在一些不同的建模方法,但大多數(shù)僅限于單臺模型仿真。以柴油發(fā)電機模型為核心,建立多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的數(shù)學(xué)模型。以“育鯤”輪的船舶電站為參考對象,分別建立了柴油發(fā)電機模型、電力負(fù)荷模型,并聯(lián)運行控制系統(tǒng)模型。6