船用柴油发电机组的研究现状与发展趋势

第２６卷第４期　２００４年８月　舰船科学技术　

ＳＨ【Ｉ）ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２６．Ｎｏ．４　

Ａｕｇ．，２００４　

文章编号：１６７２—７６４９（２００４）０４～００２３—０３　船用柴油发电机组的研究现状与发展趋势　

王术新，姜春明　（镇江船艇学院，江苏镇江２１２０１３）　

摘　要：　船用柴油发电机组是一种把机械能转变为电能的能量转变装置，用于全船电力、通讯、照明等用电设　备的供电，它的用途十分广泛、地位十分重要。文中概括了我国船用柴油发电机组的研究现状，分析了其发展趋势，并　就如何提高我国船用柴油发电机组的整体性能提出了建议和看法。　关键词：　柴油发电机组；现状；发展　中图分类号：ＴＭ６１１．２２　文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｃｔｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆ　ｍａｒｉｎｅ　ＷＡＮＧ　Ｓｈｕ—ｘｉｎ，ＪＩＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｍｉｎｇ　（Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　ｗａｔｅｒｃｒａｆｔ　ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２００３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｍａｒｉｎｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｂｙ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｉｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ　ｆｏｒ　ｗｈｏｌｅ　ｓｈｉｐ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ａｂｒｏａｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ａｃｔｕ—　ａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ａＪ１ａｌ　州ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆｍａｒｉｎｅ　ｏｆｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ａｎｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆ　ｍａｌｉｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ａｃｔｕａｌｉｔｙ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；　

０　引　言　柴油发电机组是一种用途非常广泛、地位十分重　要的发电设备，它在国民经济各部门中得到了普遍应　用。如大部分舰船电站、移动电站及各种应急电站都　是由柴油发电机组组成。柴油发电机组是一种技术　密集型的产品，涉及到内燃机、电机、自动控制等专业　的技术。随着国民经济的发展，在柴油发电机组需要　量逐年增长的同时，对柴油发电机组的功能、技术性　能的要求也越来越高　Ｊ。　柴油发电机组应用得如此广泛，是因为它具备了　其它机组所不具备的突出优点：对匹配高增压、中速　柴油机的发电机组而言，其结构紧凑性好；经济性好；　维护操作简单、保养方便，所需操作人员少，在备用期　间的保养量小；启动迅速，并能很快达到全功率，柴油　机的启动时间一般只需几Ｓ，在应急状态下可在ｌｍｉｎ　内带全负荷，在正常状态下１５～３０ｍｉｎ内达到全负　收稿日期：２００３—０５—２８　荷；易于实现自动化；振动、噪声等能得到有效控制；　可靠性较高等等。因此，配装柴油发电机组的移动电　站会越来越受到重视，特别是现代战争也离不开电　源，部队野营照明、指挥、控制、通讯、火炮系统、导弹　系统、空军机场、基地等也都需要电源，所以柴油发电　机组的前景十分美好　Ｊ。　

１　船用柴油发电机组的现状　由于国产机组在机械性能、电气性能、操作性能、　可靠性、日常维护和使用寿命上与国外先进机组差距　明显，所以自２０世纪８０年代起我国先后引进国外多　种型号的船用柴油机（如康明斯、ＭＷＭ等）、发电机　（如斯坦福、西门子等）、空气断路器及电表等生产技　术，以满足国内船舶工业的需要。　目前，我国船用柴油发电机组主要存在的问题ｈ３３：　（１）柴油发电机组设备的科研、设计、试制、生产　水平滞后，各科研和生产单位之间缺乏统一的领导和　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２４·　舰船科学技术　第２６卷　协调，技术封锁严重；甚至有些单位为了眼前利益，重　复引进成套柴油发电机组设备，导致重复投资，造成　国家资产流失和不必要的经济损失。　（２）柴油发电机组型号多而杂，标准化、系列化　程度低，不同产品之间的通用性差，基础件、零配件质　量差，集成性差，安装和维修难度大。与国外先进机　组相比，柴油机的经济性、动力性、结构紧凑性、可靠　性、耐久性、振动噪声等指标差距较大；而发电机的结　构紧凑性、零部件的通用性、动态和稳态调压性能、可　靠性使用寿命和电磁兼容能力等方面差距也很明显。　（３）新技术、新工艺应用缓慢。新技术和新工艺　最能提高柴油机的动力性、经济性，降低振动噪声和　废气的含量，提高产品的质量和寿命，如多气门进气　系统、稀薄燃烧、电控喷射、增压中冷技术等，不但可　提高压缩比、提高进气质量、减小进气阻力，使燃烧更　充分，提高柴油机的输出功率，降低燃油消耗率，而且　可以改善排放，降低尾气中的烟度等＿４　Ｊ。　（４）２０世纪８０年代引进的船用发电机配套用的　柴油机和发电机，虽经企业消化和吸收，并提高了国　产化程度、增加了自制件的比例，但忽视了在消化吸　收的基础上进行改进和创新，所以产品性能和质量多　年均保持在原有水平上，但随着国外新产品和新机型　的不断发展，原有的引进产品已失去了市场竞争力。　（５）在船用柴油发电机组的电气设备中，电子与　电器元件是最薄弱环节之一，以至于影响了发电、配　电和控制装置的性能和可靠性，这是我国目前应重点　解决的问题。　由于柴油机是由柴油机、发电机和自动控制装置　等三部分组成的，而其中任何一部分技术水平的发展　和提高，都能推动其它方面的发展，从而提高柴油发　电机组的整体性能，因此这三部分之问的技术水平是　相互促进、相互提高的。　（１）柴油机技术当前，国际上电站用柴油机产　品可靠性在不断提高，并向着大修期前无故障方向发　展；其次是提高经济性和动力性，要求机组的燃油消　耗率达到２￣Ｏｇ／（ｋＷ·ｈ）以下，机组作功能力强，热效　率高，性价比高，维护保养费用低；结构紧凑性好，单　位功率重量小而单位体积功率大；此外对环境指标不　断提出高要求，如柴油机整机噪声声压级要达到　９６ｄＢ（Ａ），排放指标已普遍达到“欧Ⅱ”限值标准；适　用性好，能在恶劣的环境下正常工作；启动性好，能在　低温和特殊场合下快速启动。显然，目前国内柴油机　与上述主要性能指标存在很大差距。　电站机组用调速器的调速特性直接影响到供电　品质，从而波及被控制设备的性能，还会影响到电站　机组运行的可靠性，故机组对调速特性有特殊的要　求。随着对电站频率变化率要求的标准越来越高，国　外的调速器已从常用的机械离心飞锤式调速器、普通　的液压调速器、双脉冲液压调速器、电液调速器发展　到全电子调速器，其优点是调节精度高，调节速度快，　并且全电子调速器安装使用十分方便，性能更为优　越，是今后发展的方向和重点。　（２）发电机技术　国内生产的发电机，如Ｔ２Ｈ、　ＴＦＩ－ＩＸ一等系列，绝大多数是相复励系统，其稳态、动　态电压调整特性较差。为了提高这种性能，国内外都　在发展无刷励磁系统。开发出５０Ｈｚ、６０Ｈｚ通用Ｆ级　绝缘、体积小、重量轻、效率高的无刷励磁发电机，如　西门子公司的１ＦＣ５系列发电机２、４极发电机经功率　加权后的平均效率达到９３％以上。为提高励磁系统　的可靠性，其转子采用整体凸极结构以及导热性、热　固性好的绝缘胶，整体性好，绕组端部短，超速性能可　进一步提高；发电机应采用断路保护，一般具有短路、　过载、欠压等保护功能，随着保护特性要求的提高，目　前向静止型脱扣器发展，国内引进的Ｈ系列、ＡＨ系　列断路器具有电子脱扣器，实践证明有较高的保护特　性和精度以及较高的可靠性。　（３）自动控制技术　为了使柴油发电机组各个　部件处于最佳工作状态，且进一步完善应急功能和保　护功能，应大力发展柴油发电机组的自动控制技术。　原来柴油发电机组的基本机电参数，如润滑油压力、　冷却水温、转速、功率等指标远不能反映其工作的最　佳状态，也不适应自动电站、自动启动、自动并车、自　动监控、自动解列的要求，必须有更多的参数，如启动　设备的监控量、冷却水压力、排气温度、柴油发电机３　次启动失败，主开关３次重合闸失败，控制空气低压，　发电机绕组温度检测，并车时的监控，自动频率调节　器和电压调节器的监控等。随着计算机技术的发展，　给柴油发电机组自动控制技术的发展提供了新的思　路和手段，它极大地提高了柴油发电机组自动化运行　的最佳性、保护功能的完善性和应急功能的快速性，　也可在组成柴油发电机电站的并联化和模块化时更　简便、可靠。　计算机控制的柴油发电机组结构框图如图１所　示。从图中可见，原来由继电器或数字电路完成的逻　辑控制信号，以及原来由各个独立的调节器信号，全　部通过Ａ／Ｄ转换模块输入到控制计算机，由计算机　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　王术新，等：　船用柴油发电机组的研究现状与发展趋势　·２５·　集中处理、控制，根据需要输入的指令，输出适当信　号，由Ｄ／Ａ转换给柴油机和发电机执行机构，使机组　达到理想的运行状态。在全自动工作方式下，微机控　制的柴油发电机组可完成：（ａ）柴油发电机组的自动　启动；（ｂ）运行过程中自动整定和调整运行参数，使　机组运行在理想的工作状态；（ｃ）故障的自动诊断和　自动处理；（ｄ）实现电站的自动并车、自动负载分配，　自动解列。计算机控制柴油发电机组的实现对提高　电站的自动化、电站的可靠性和电站运行的经济性起　着至关重要的作用，其应用前景更为广阔。　自动化　电站控　制系统　图１　计算机控制的柴油发动机组结构框图　２柴油发电机组的发展趋势　（１）电控技术——电子调速　现代发电用柴油机技术已达到相当高的水平，但　为了进一步提高强化度、降低燃油消耗、增加可靠性、　延长使用寿命以及降低有害排放和噪声，柴油机电控　技术方面的研究与应用仍在不断深入和发展，特别是　在现代柴油发电机组中，对提高供电质量、实现自动　化、智能化尤为重要。　将发电用柴油机的机械调速改为电子调速，可有　效地改善柴油发电机组的稳态和瞬态指标，使柴油发　电机组并联自动运行得以实现，具有代表性的有康明　斯柴油发电机组上采用ＥＦＣ电子调速器和伍德沃德　电子调速器系统＿５ｊ。　（２）电控技术——电子喷射　从２０世纪中期开始，在汽油机电控技术飞速发　展的基础上，一些发达国家对柴油机电控技术——电　子喷射进行了开发和研究，并初步投入使用。电子喷　射技术与电子调速技术既有共同点，即控制柴油机的　喷油量，又有根本的区别，即电子喷射还具有用电信　号控制喷油时刻、喷射压力，完全取消了燃油系统中　的机械结构。　在２０世纪９０年代发展起来的电控柴油喷射系　统主要有Ｂｏｓｃｈ公司共轨式电控柴油喷射系统和　Ｐｅｒｋｉｎｓ公司共轨式电控柴油喷射系统＿５ｊ。目前，ＭＴＵ　公司在４　０００和８　０００系列柴油机上所采用的共轨式　燃油喷射系统能够精确地改变喷油定时、喷油量及喷　油压力。在极低的柴油机转速下也可获得高的喷射　压力，从而减少燃油　肖耗和降低废气排放，降低发动　机的噪声和振动水平，提高机组的使用寿命，节约了　维修保养的费用，提高了经济性＿６，　。　（３）电子喷射控制（电喷）柴油发电机组　电子喷射控制柴油机能控制最佳的供油量及喷　油时间，可对所有影响燃烧的燃油喷射参数（如燃油　喷射正时、喷射过程、喷射时间、喷射压力等）单独进　行调控，改善混合气的形成，使之能很好适应运行工　况的各种设定。使机组的废气排放及噪声严格控制　在最新的国际标准内，同时机组启动时，冒黑烟程度　明显减少，突加负载时爆燃噪声显著降低，同时同比　功率提高３％，燃油消耗下降８％。因此，随着柴油机　电喷技术的发展，电子喷射控制柴油发电机组将越来　越得到普及和应用。