柴油發(fā)電機排氣背壓高低影響和正常值測量
排氣背壓是柴油發(fā)電機排氣系統(tǒng)設(shè)計一個關(guān)鍵參數(shù)。通過采用“正交+數(shù)值計算”的方法對影響海上平臺用柴油發(fā)電機排氣背壓的因素進行分析研究。分析研究表明，廢氣流量、廢氣比重、排氣管內(nèi)徑以及排氣直管當量總長度對柴油發(fā)電機的排氣背壓都有影響，其中廢氣流量與排氣管內(nèi)徑對柴油發(fā)電機的排氣背壓影響十分顯著，隨著廢氣流量的增大，排氣背壓也跟著增大；隨排氣管內(nèi)徑增大，排氣背壓先急劇下降然后在300 mm左右開始背壓下降趨向平緩。
當前針對海洋工程上應用的設(shè)備的廢棄物排放標準要求越來越高。發(fā)電機組是海洋工程上不可或缺的重要設(shè)備，作為一種能源轉(zhuǎn)換裝置，對其進行綠色設(shè)計十分必要。其中發(fā)電機的排氣系統(tǒng)設(shè)計對發(fā)電機的機械性能、使用壽命、能量轉(zhuǎn)換效率等方面有著顯著的影響。特別是對海洋平臺用的柴油發(fā)電機組，其安裝在極其有限的平臺空間中，既要保證其使用性能又要符合國家的相關(guān)標準規(guī)范，故其排氣系統(tǒng)的設(shè)計及安裝布置都是十分重要的。理論研究及工程實踐表明：發(fā)電機排氣背壓過小會導致提前排氣，使能量轉(zhuǎn)換不充分，造成能源的浪費并且加大排放到大氣中的廢氣量，污染加劇。若排氣背壓過大則會大量消耗機械功，使效率下降，影響發(fā)電機的性能，耗油量加大。因此發(fā)電機的排氣背壓要在一個規(guī)定區(qū)間內(nèi)，才能使發(fā)電機環(huán)保運行。在正常情況下發(fā)電機廠商都會對發(fā)電機進行背壓測試，從而得到一個最大排氣背壓限制值，然后用戶根據(jù)這個最大背壓值去設(shè)計相應的排氣管道系統(tǒng)。
針對排煙系統(tǒng)設(shè)計，工程技術(shù)人員一般是根據(jù)經(jīng)驗去設(shè)計布置排煙系統(tǒng)，然后根據(jù)廠家提供的估算公式去驗算背壓，由于對各影響因素對背壓的影響顯著程度缺乏直觀的了解和指引，導致經(jīng)常會反復修改排煙系統(tǒng)布置圖。現(xiàn)在國內(nèi)外對背壓的研究和設(shè)計一般采用軟件數(shù)值模擬計算的方式去計算背壓，雖然結(jié)果相對精確，但是過程十分煩雜。而在普通的工程項目中對背壓的要求并沒有需要很精確的數(shù)值，只需要控制在一定范圍內(nèi)。論文創(chuàng)新性地將“正交+數(shù)值計算”技術(shù)引入到對柴油發(fā)電機排氣背壓影響因素的分析中，展開對柴油發(fā)電機排氣背壓影響因素的研究。
圖1 柴油發(fā)電機典型排氣管路設(shè)計圖
一、研究對象
本文以某鉆機上應用的柴油發(fā)電機排氣系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)海上平臺的實際情況確定影響因素和水平，并通過科學的方法對這些發(fā)電機排氣背壓影響因素進行研究，從而得到這些影響因素對發(fā)電機排氣背壓的影響程度以及趨勢。
對于本文研究的發(fā)電機排氣系統(tǒng)的背壓指排氣出口處(圖2中的1位置)到排氣管出口處(大氣壓)之差。其形成的原因是氣體在高速流動時受到內(nèi)部摩擦阻礙與外部物體對其的阻礙。排氣過程中的功率損失主要由沿程阻力和局部阻力兩部分組成。其中沿程阻力主要出現(xiàn)在排氣管道內(nèi)壁上，這是由于排出氣體與管道壁面之間摩擦而產(chǎn)生的，其大小取決于排氣管內(nèi)壁粗糙度以及廢氣的流動速度。而局部阻力主要出現(xiàn)在排氣系統(tǒng)中各氣體流通截面突變處，即主要集中在排氣系統(tǒng)管路以及在消聲器內(nèi)氣體流動通道中的收縮或擴張等截面積突變處。在氣體流通截面突變處，氣體的壓力能和其動能產(chǎn)生突變，氣體在小范圍內(nèi)形成漩渦加劇其動能的轉(zhuǎn)換，能量耗損增加，同時進一步加劇了流體之間的摩擦損失，內(nèi)能損耗增大。局部阻力取決于排氣管路局部結(jié)構(gòu)以及管道直徑和流體速度。所以排氣系統(tǒng)的設(shè)計及布置可以改變排氣背壓的大小，當背壓增大時，能量損失跟著增大，耗油量及噪音也會加劇。
圖3 柴油發(fā)電機結(jié)構(gòu)與機房安裝圖
該柴油發(fā)電機是康明斯kc1340gf海洋用發(fā)電機組(結(jié)構(gòu)如圖2所示)，其基本參數(shù)為1200kw@1500r/min，5 hz，600v，0.8pf。該柴油發(fā)電機排氣系統(tǒng)由干式排氣管(附帶隔熱板)，雙渦輪增壓(附帶隔熱板)，豎直排氣出口，柔性連接波紋管，變徑接頭，可焊接法蘭，彎頭，滅火星式消聲器以及排氣直管組成。本文所研究的排氣系統(tǒng)是指在豎直排氣出口以后部分，即廢氣排放量是在豎直排氣出口處的數(shù)值。廢氣排放相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 kc1340gf發(fā)電機組廢氣排放相關(guān)參數(shù)
負載百分比
排氣氣體體積流量
排氣氣體溫度
允許最大排氣背壓
100%
250.6 m3/min
554.9益
6.7 kpa
10%
68.7 m3/min
278.9益
6.7 kpa
二、數(shù)值處理計算過程
本文運用正交法來對影響海上平臺用柴油發(fā)電機排氣背壓的因素進行分析研究。這樣可在實現(xiàn)研究目的地基礎(chǔ)上大量減少各種資源的消耗。
由上述柴油發(fā)電機的排氣參數(shù)(如表1所示)及排氣系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖(如圖2所示)，根據(jù)康明斯柴油發(fā)電機組設(shè)計應用指南中提供的排氣背壓計算式，我們選擇了廢氣流量、廢氣比重、排氣管內(nèi)徑以及排氣直管當量總長度這4個影響因素作為分析因子來進行研究，并且根據(jù)以往項目相關(guān)的經(jīng)驗將這4個影響因素在海上平臺應用的常用范圍內(nèi)平均分為4個等級(水平)(見表2)。廢氣比重c可由式1求得，其中t為排氣氣體溫度。
c=352/t+273...........................公式（1）
表2對排氣背壓影響的因素水平表
因素
a廢氣量/(m3/min)
b排氣管內(nèi)徑/mm
c廢氣比重/(kg/m3)
d排氣直管單量總長/m
水平
1
70
250
0.6
20
2
130
300
0.55
40
3
190
350
0.5
60
4
250
400
0.45
80
選用l16(45)正交表來進行設(shè)計對柴油發(fā)電機排氣背壓影響因素數(shù)值計算的研究方案(見表3)。
表3 對柴油發(fā)電機排氣背壓影響因素數(shù)值計算的研究方案
因素
a廢氣流量/(m3/min)
b排氣管內(nèi)徑/mm
c廢氣比重/(kg/m3)
d排氣直管當量總長度/m
序號
1


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