1.5 柴油发电机组的技术标准与性能

1.5.1 柴油发电机组的标准

目前，市场上的发电机组品牌繁多，在选购时必须注意所选机组的性能和质量必须符合有关标准的要求。国家、国际上对于各个应用领域的发电机组有着较详细的标准法规，生产商应能出示国家或国际认证机构的鉴定或认证证书。

我国对各种内燃机发电机组的标准是GB/T 2820—2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组》（相当于国际ISO8528）、GB/T 31038—2014《高电压柴油发电机组通用技术条件》等。

各个具体的行业标准要求为军事部门的GJB 235A《军用内燃机电站通用技术规范》、通信行业标准YD/T 502—2007《通信用柴油发电机组》、船舶行业的GB/T 13032—2010《船用柴油发电机组》等。

另外，在重视环境保护的今天，机组本身应具有或者经过其他特殊处理后，使其符合GB20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》和GB12348—2008《工厂企业厂界环境噪声排放标准》的规定。适用于柴油发电机组的主要国家标准有：

GB/T 2820.1—2009往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能；

GB/T 2820.2—2009往复式内燃机驱动的交流发电机组 第2部分：发动机；

GB/T 2820.3—2009往复式内燃机驱动的交流发电机组 第3部分：发电机组用交流发电机；

GB/T 2820.4—2009往复式内燃机驱动的交流发电机组 第4部分：控制装置和开关装置；

GB/T 2820.5—2009往复式内燃机驱动的交流发电机组 第5部分：发电机组；

GB/T 2820.6—2009往复式内燃机驱动的交流发电机组 第6部分：试验方法；

GB/T 2820.7—2002往复式内燃机驱动的交流发电机组 第7部分：用于技术条件和设计的技术说明；

GB/T 2820.8—2002往复式内燃机驱动的交流发电机组 第8部分：对小功率发电机组的要求和试验；

GB/T 2820.9—2002往复式内燃机驱动的交流发电机组 第9部分：机械振动的测量和评价；

GB/T 2820.10—2002往复式内燃机驱动的交流发电机组 第10部分：噪声的测量（包面法）；

GB/T 2820.11—2002往复式内燃机驱动的交流发电机组 第11部分：旋转不间断电源 性能要求和试验方法；

GB/T 2820.12—2002往复式内燃机驱动的交流发电机组 第12部分：对安全装置的应急供电；

GB/T 2819—1995移动电站通用技术条件；

GB/T 31038—2014高电压柴油发电机组通用技术条件；

GB/T 21428—2008往复式内燃机驱动的交流发电机组 安全性；

GB/T 12786—2006自动化内燃机电站通用技术条件；

GB/T 4712—2008自动化柴油发电机组分级要求；

GB/T 20136—2006内燃机电站通用试验方法；

GB/T 13032—2010船用柴油发电机组通用技术条件；

GB20891—2014非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）。

1.5.2 柴油发电机组的工况条件

柴油发电机组的工作条件是指在规定的使用环境条件下能输出额定功率，并能可靠地连续工作。国家标准规定的电站（机组）工作条件，主要按海拔、环境温度、相对湿度、有无霉菌、盐雾以及放置的倾斜度等情况来确定。国家标准GB/T 2820.1规定的电站（机组）工作的标准基准条件为：

1）第一种环境条件

①绝对大气压力P_r：100kPa；

②环境温度T_r：298K（25℃）；

③空气相对湿度，Φ_r：30%。

2）第二种环境条件

①绝对大气压力，P_r：89.9kPa；

②环境温度，T_r：313K（40℃）；

③空气相对湿度，Φ_r：60%。

3）机组在下列条件下应能输出规定功率（允许修正）并可靠地工作

①海拔：不超过4000m；

②环境温度：下限值分别为5℃、-15℃、-25℃、-40℃；

上限值分别为40℃、45℃、50℃；

③相对湿度、凝露和霉菌；

a.综合因素：见表1-1的规定。

b.长霉：机组电器零部件经长霉试验后，表面长霉等级应不超过GB/T 2423.16规定的2级。

机组运行的现场条件应由用户明确确定，且应对任何特殊的危险条件如爆炸大气环境和易燃气体加以说明。

表1-1 综合因素下柴油机功率

①指该月的平均最低温度为25℃，月平均最低温度是指该月每天最低温度的月平均值。

②指该月的平均最高温度为40℃，月平均最高温度是指该月每天最高温度的月平均值。

1.5.3 柴油发电机组的功率标定和修正

1.柴油机的标定功率

对于一台柴油发电机组而言，柴油机输出的功率是指它的曲轴输出的机械功率。柴油机允许使用的最大功率受零部件的机械负载和热负载的限制，因此需规定允许连续运转的最大功率，称为柴油机标定功率。内燃机不能超过标定功率使用，否则会缩短使用寿命，甚至可能造成事故。

按国家标准规定，内燃机铭牌上的标定功率分为下列4类：

1）15min功率：即内燃机允许连续运转15min时能输出的最大有效功率。是短时间内可能超负载运转和要求具有加速性能的标定功率，如汽车、摩托车等内燃机的标定功率。

2）1h功率：即内燃机允许连续运转1h能输出的最大有效功率。如轮式拖拉机、机车、船舶等内燃机的标定功率。

3）12h功率：即内燃机允许连续运转12h能输出的最大有效功率。如电站机组、工程机械用的内燃机标定功率。

4）持续功率：即内燃机允许长时间连续运转的最大有效功率。

电站用柴油机的功率标定为12h功率。即柴油机在大气压力为101.325kPa，环境温度为20℃，相对湿度为50%的标准工况下，柴油机以额定转速连续12h正常运转时，达到的有效功率为柴油机的持续功率，用符号Ne表示。

一般来说，内燃机允许连续运行的时间越长，其标定功率相对要小。内燃机按规定的时间在标定工况下工作之后，立即可以发出的最大功率为超负载功率，其大小以额定功率的百分数表示。一般情况下，标定功率为12h功率的内燃机或具有持续功率的内燃机具有超负载功率，其数值可以分别规定为这两种额定功率的110%，并可在12h运行期间连续运行1h。

2.交流同步发电机的标定功率

交流同步发电机的标定功率是指在额定转速下长期连续运转时输出的额定电功率，用PH表示。发电机的额定功率类别，通常用工作制类别表示。

GB755（idtIEC34-1）对旋转电机规定了10种工作制。

ISO8528-3（GB/T 2820.3）规定，对RIC发动机驱动的发电机组用发电机，应规定持续定额（工作制S1）或离散恒定负载定额（工作制S10）。

1）S1工作制——连续工作制：保持在恒定负载下运行至热稳定状态；

2）S10工作制——离散恒定负载工作制：包括不多于4种离散负载值（或等效负载）的工作制。每一种负载的运行时间应足以使电机达到热稳定。在一个工作周期中的最小负载可为0。

3.柴油发电机组的功率标定和修正

在考虑了往复式内燃（Reciprocating Internal Combustion，RIC）机、交流（AC）发电机、控制装置和开关装置制造商规定的维修计划及维护方法后，发电机组制造商应按如图1-7和图1-10所示确定机组的输出功率。

在使用时，如果与输出功率有关的条件不能满足，发电机组的寿命将缩短。

GB/T 2820.1规定的柴油发电机组4种功率标定描述如下：

（1）持续功率（COP）

持续功率（Continuous Power，COP）定义：在规定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，发电机组每年运行时间不受限制地为恒定负载持续供电的最大功率，如图1-7所示。

（2）基本功率（PRP）

基本功率（Prime Power，PRP）定义：在规定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，发电机组能每年运行时间不受限制地为可变负载持续供电的最大功率，如图1-8所示。

图1-7 持续功率（COP）图解

t—时间P—功率 a—持续功率（100%）

图1-8 基本功率（PRP）图解

t—时间 P—功率 a—基本功率（100%） b—24小时内允许的平均功率（p_pp） c—24小时内实际的平均功率（p_pa） d—停机时间

注：t₁+t₂+t₃+…+t_n=24h

在24h周期内允许的平均输出功率（p_pp）应不大于PRP的70%，除非往复式内燃（RIC）机制造商另有规定。

注：当要求允许的p_pp大于规定值时，可使用持续功率（COP）。

当确定某一变化的功率序列的实际平均输出功率p_pa如图1-8所示时，小于30%PRP的功率应视为30%，且停机时间应不计。

实际的平均功率（p_pa）按下式计算：

式中P₁、P₂、…P_i是时间t₁、t₂、…t_i时的输出功率。

（3）限时运行功率（LTP）

限时运行功率（Limeitet-time running Power）定义：在规定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，发电机组每年供电达500h的最大功率，如图1-9所示。

注：按100%限时运行功率（LTP）每年运行时间最多不超过500h。

（4）应急备用功率（ESP）

应急备用功率（Emergeucy Spare Power，ESP）定义：在规定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，当公共电网出现故障或在试验条件下，发电机组每年运行达200h的某一可变功率系列中的最大功率，如图1-10所示。

在24h的运行周期内允许的平均输出功率（p_pp）如图1-10所示，应不大于ESP的70%，除非往复式内燃（RIC）机制造商另有规定。

实际的平均输出功率（p_pa）应低于或等于定义ESP的平均允许输出功率（p_pp）。

当确定某一可变功率序列的实际平均输出功率（p_pa）时，小于30%ESP的功率应视为30%，且不计停机时间。

实际的平均功率（p_pa）按上式计算。

图1-9 限时运行功率（LTP）图解

t—时间 P—功率 a—限时运行功率（100%）

图1-10 应急备用功率（ESP）图解

t—时间 P—功率

a—应急备用功率（100%） b—24小时内允许的平均功率（p_pp） c—24小时内实际的平均功率（p_pa） d—停机时间

注：t₁+t₂+t₃+…+t_n=24h

对于同一种发电机组，额定功率类别不同，其大小也不同。所有国家标准以及ISO8528-5（GB/T 2820.5）均规定制造商在产品标牌上额定功率前必须标明功率类别，即加词头：COP、PRP或LTP。这样表示，既能反映发电机组的实际情况，又便于用户使用。同样，用户在选购机组时，也务请注意功率类别。

4.柴油发电机组的功率匹配比

发电机组匹配比是指内燃机的标定功率与发电机的标定功率之比。其计算公式：

式中 K_p——匹配比；

N_e——内燃机标定功率（hp）；

P_rf——发电机额定功率（kW）；

1.36——单位换算系数；

k₁——功率储备系数（如考虑海拔、温度等环境因素时）；

k₂——改装系数，当与原动机标定功率配套情况相同时，k₂=1；如未考虑风扇等所耗功率为5%，则k₂=1.05；

η_e——传动系数；根据传动方式不同，η_e=0.94～0.98；

ηr——发电机效率。

从总体上来讲，K_p没有固定数值，但对于某一种机组而言，可以确定相应K_p值。确定K_p值的原则是保证发电机组在规定的环境条件或现场条件下能发出额定功率并可靠运行。当然，K_p值也不宜过大，否则会造成资源浪费，增大机组重量和体积，使机组长期在低负载下运行将导致指标恶化。

5.柴油发电机组的功率修正

内燃发电机组的功率修正与内燃机的功率修正有着密切的关系，但又有区别。

（1）内燃机的功率修正

功率修正的目的是，当试验现场的环境条件为非标准环境条件时，为了对内燃机的性能做出判断，应将有关指标值（如功率、油耗等）修正到标准状况或者是把内燃机在标准环境条件下的有关指标值按现场条件进行修正，以便正确使用内燃机。

在一般工程计算中，对于柴油机可按下列方法进行修正。

P=CP₀

式中 P——现场条件下内燃机的有效功率（kW）；

P₀——标准环境条件下内燃机的有效功率（kW）；

C——功率换算系数，用百分数%来表示。

（2）当环境条件与标准规定不同时，其功率应进行修正。修正公式如下：

式中 P_F——现场条件下发电机组的实际功率（kW）；

P——现场条件下内燃机的实际功率（kW）；

P₀——标准环境条件下内燃机的有效功率（kW）；

C——功率换算系数（%）；

k₂——改装系数，当与原动机标定功率的配套情况相同时，k₂=1；如未考虑风扇等所耗功率为5%，则k₂=1.05；

ηe——传动系数；根据传动方式不同，η_e=0.94～0.98；

η_r——发电机效率。

1.5.4 柴油发电机组的电气性能指标

1.主要技术性能术语和定义

主要符号、技术性能术语和定义见表1-2。

表1-2 符号、术语和定义

（续）

（续）

（续）

（续）

（续）

2.电气性能指标

（1）电压整定范围

在规定的功率因数范围内和额定频率时，机组从空载到额定负载之间输出时，在发电机端子处的上升和下降调节电压的最大可能范围应不小于额定电压的±5%。

（2）电压和频率性能等级的运行极限值按表1-3的规定。

表1-3 性能等级的运行极值

（续）

注：1.AMC：为制造商和用户之间的协议。

2.采用单缸或双缸发动机的发电机组，该值可达2.5。

3.若不需并联运行，转速或电压的整定不变是允许的。

4.采用涡轮增压发动机的发电机组。

5.适用于火花点火气体发动机。

6.该规定值仅是当卸去100%负载时的典型数值，此时制动扭矩只由发电机组的机械损耗提供，所以恢复时间将只取决于发电机组的总惯量和机械效率。由于用途和/或发动机型式不同引起的变化会很大。

7.适用于10kVA以下的小型机组。

8.当考虑无功电流特性时，对带同步发电机的机组在并联运行时的最低要求：频率漂移范围应不超过0.5%。

9.在并联运行的情况下，该值应减小为0.5。

10.除非另有规定，用于计算电压恢复时间的容差带应等于

15.当使用该容差时，并联运行发电机组的有功额定负载或无功额定负载的总额按容差值减小。

16.负载减小时，运行限值仅在f_arb=f_r时有效。

17.负载增加时，运行限值仅在f_arb=f_i时有效。

18.在某些情况下，频率降为0%（同步时）。

11.运行限值不包括在稳态限值内。

12.若因发动机所迫出现发电机的扭转振动，将导致电压调制超过极限，发电机制造厂须予合作以减小振动或提供专门的励磁调节器。

13.单缸或双缸发动机的发电机组，该值可为±2。

14.在因亮度变化引起光线闪烁的情况下，眼睛的最高辨别力对应10Hz电压波动的刺激阈值为：U_mod10≤0.3%。对U_mod10给出的运行极限值与10Hz时的某一正弦电压波动有关。对幅值α_f、频率为f的电压波动，等效10Hz的幅值为：α₁₀=g_fα_f。式中的g_f是按图12的频率对应于α_f的加权系数。考虑某一电压波动的所有谐波，对应等效10Hz的电压调制为：

（3）冷热态电压变化

机组在额定工况下，从冷态到热态的电压变化：对采用可控励磁装置的发电机，机组冷热态电压的变化应不超过±2%额定电压；对采用不可控励磁装置的发电机，机组的冷热态电压变化应不超过额定电压的±5%。

（4）畸变率

机组在空载额定电压时的线电压波形正弦性畸变率应不大于下列规定值：

1）单相机组和额定功率小于3kW的三相机组为15%；

2）额定功率为3～250kW的三相机组为10%；

3）额定功率大于250kW的机组为5%。

（5）不对称负载要求

额定功率不大于250kW的三相机组在一定的三相对称负载下，在其中任一相（对晶闸管励磁是指接其中的某一相）上再加25%额定相功率的电阻性负载，当该相的总负载电流不超过额定值时应能正常工作，线电压的最大（或最小）值与三相电压平均值之差应不超过三相电压平均值的±5%。

（6）并联

1）同型号规格和容量比不大于3∶1的机组并联

型号规格相同和容量比不大于3∶1的机组在20%～100%总额定功率范围内应能稳定地并联运行，且可平稳转移负载的有功功率和无功功率，其有功功率和无功功率的分配差度应不大于表1-3的规定。

2）容量比大于3∶1的机组并联

容量比大于3∶1的机组并联，各机组承担负载的有功功率和无功功率分配差度按产品技术条件的规定。

（7）启动电动机

三相机组空载时应能直接成功启动（见表1-4规定的）空载四极笼型三相异步电动机。

表1-4 机组额定功率P与电动机额定功率

（8）温升

机组各部件温度（或温升）应符合各自产品技术条件的规定。

注：性能等级划分：

1）性能G1级——该级别要求适用于只需规定其电压和频率的基本参数的负载。一般用于照明和其他简单的电器设备等。

2）性能G2级——该级别要求适用于对其电压特性与公用电力系统有相同要求的负载。当负载变化时，可有允许短暂的电压偏差和频率偏差。一般用于照明系统、泵、风机和卷扬机。

3）性能G3级——该级别要求适用于对频率、电压和波形特性有严格要求的电器设备。一般用于无线电通信和晶闸管整流器控制的负载。应特别注意，对于整流器和晶闸管整流器控制的负载，都需有特殊考虑负载对发电机电压波形的影响。

4）性能G4级——该级别要求适用于对频率、电压和波形特性有特别严格要求的负载。一般用于数据处理设备或计算机控制系统等。