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新聞主題 |
柴油發電機排氣背壓高低影響和正常值測量 |
摘要：排氣背壓是柴油發電機排氣系統設計一個關鍵參數。通過采用“正交+數值計算”的方法對影響海上平臺用柴油發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、排氣管內徑以及排氣直管當量總長度對柴油發電機的排氣背壓都有影響，其中廢氣流量與排氣管內徑對柴油發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備的廢棄物排放標準要求越來越高。發電機組是海洋工程上不可或缺的重要設備，作為一種能源轉換裝置，對其進行綠色設計十分必要。其中發電機的排氣系統設計對發電機的機械性能、使用壽命、能量轉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標準規范，故其排氣系統的設計及安裝布置都是十分重要的。理論研究及工程實踐表明：發電機排氣背壓過小會導致提前排氣，使能量轉換不充分，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，影響發電機的性能，耗油量加大。因此發電機的排氣背壓要在一個規定區間內，才能使發電機環保運行。在正常情況下發電機廠商都會對發電機進行背壓測試，從而得到一個最大排氣背壓限制值，然后用戶根據這個最大背壓值去設計相應的排氣管道系統。
針對排煙系統設計，工程技術人員一般是根據經驗去設計布置排煙系統，然后根據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，導致經常會反復修改排煙系統布置圖。現在國內外對背壓的研究和設計一般采用軟件數值模擬計算的方式去計算背壓，雖然結果相對精確，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值，只需要控制在一定范圍內。論文創新性地將“正交+數值計算”技術引入到對柴油發電機排氣背壓影響因素的分析中，展開對柴油發電機排氣背壓影響因素的研究。
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圖1 柴油發電機典型排氣管路設計圖 |
一、研究對象
本文以某鉆機上應用的柴油發電機排氣系統為研究對象，根據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電機排氣背壓的影響程度以及趨勢。
對于本文研究的發電機排氣系統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在排氣管道內壁上，這是由于排出氣體與管道壁面之間摩擦而產生的，其大小取決于排氣管內壁粗糙度以及廢氣的流動速度。而局部阻力主要出現在排氣系統中各氣體流通截面突變處，即主要集中在排氣系統管路以及在消聲器內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生突變，氣體在小范圍內形成漩渦加劇其動能的轉換，能量耗損增加，同時進一步加劇了流體之間的摩擦損失，內能損耗增大。局部阻力取決于排氣管路局部結構以及管道直徑和流體速度。所以排氣系統的設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。
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圖3 柴油發電機結構與機房安裝圖 |
該柴油發電機是康明斯KC1340GF海洋用發電機組(結構如圖2所示)，其基本參數為1200KW@1500r/min，5 Hz，600V，0.8PF。該柴油發電機排氣系統由干式排氣管(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值。廢氣排放相關參數如表1所示。
表1 KC1340GF發電機組廢氣排放相關參數
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負載百分比
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排氣氣體體積流量
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排氣氣體溫度
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允許最大排氣背壓
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100%
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250.6 m3/min
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554.9益
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6.7 kPa
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10%
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68.7 m3/min
|
278.9益
|
6.7 kPa
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二、數值處理計算過程
本文運用正交法來對影響海上平臺用柴油發電機排氣背壓的因素進行分析研究。這樣可在實現研究目的地基礎上大量減少各種資源的消耗。
由上述柴油發電機的排氣參數(如表1所示)及排氣系統組成結構圖(如圖2所示)，根據康明斯柴油發電機組設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，并且根據以往項目相關的經驗將這4個影響因素在海上平臺應用的常用范圍內平均分為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
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因素
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A廢氣量/(m3/min)
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B排氣管內徑/mm
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C廢氣比重/(kg/m3)
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D排氣直管單量總長/m
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水平
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||||
|
1
|
70
|
250
|
0.6
|
20
|
|
2
|
130
|
300
|
0.55
|
40
|
|
3
|
190
|
350
|
0.5
|
60
|
|
4
|
250
|
400
|
0.45
|
80
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選用L16(45)正交表來進行設計對柴油發電機排氣背壓影響因素數值計算的研究方案(見表3)。
表3 對柴油發電機排氣背壓影響因素數值計算的研究方案
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因素
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A廢氣流量/(m3/min)
|
B排氣管內徑/mm
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C廢氣比重/(kg/m3)
|
D排氣直管當量總長度/m
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序號
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||||
|
1
|
70
|
250
|
0.6
|
20
|
|
2
|
70
|
300
|
0.55
|
40
|
|
3
|
70
|
350
|
0.5
|
60
|
|
4
|
70
|
400
|
0.45
|
80
|
|
5
|
130
|
250
|
0.55
|
60
|
|
6
|
130
|
300
|
0.6
|
80
|
|
7
|
130
|
350
|
0.45
|
20
|
|
8
|
130
|
400
|
0.5
|
40
|
|
9
|
190
|
250
|
0.5
|
80
|
|
10
|
190
|
300
|
0.45
|
60
|
|
11
|
190
|
350
|
0.6
|
40
|
|
12
|
190
|
400
|
0.55
|
20
|
|
13
|
250
|
250
|
0.45
|
40
|
|
14
|
250
|
300
|
0.5
|
20
|
|
15
|
250
|
350
|
0.55
|
80
|
|
16
|
250
|
400
|
0.6
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60
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與機組配套的滅火星式消音器壓力降Ps參數(如表4所示)。
表4 排氣消音器壓力降參數
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序號
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1
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2
|
3
|
4
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排氣流量/(m3/min)
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70
|
130
|
190
|
250
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壓力降/kPa
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0.2
|
0.4
|
1.1
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1.8
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根據康明斯柴油發電機組設計應用指南得到排氣系統的總阻力(背壓)P為排氣管道阻力Pg與消音器壓力降Ps之和，其計算公式
P——為背壓力(kPa)；
A——為廢氣流量(m3/min)；
B——為排氣管內徑(mm)；
C——為廢氣比重即空氣密度(kg/m3)；
D——為排氣直管單量總長(m)；
Ps——為消音器壓降(kPa)。
根據設計好的對柴油發電機排氣背壓影響因素數值計算的研究方案(見表3)，應用式2進行16次計算其結果如表5所示。
表5對柴油發電機排氣背壓影響因素數值計算結果
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序號
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1
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2
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3
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4
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5
|
6
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7
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8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
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背壓/kPa
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0.42
|
0.36
|
0.30
|
0.26
|
2.46
|
1.60
|
0.50
|
0.52
|
6.42
|
2.54
|
1.69
|
1.24
|
5.95
|
2.73
|
3.68
|
2.59
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三、結果分析
正交法應用相關的數理統計法去對結果計算分析可得到大量有用的結論回。由結果計算各影響因子在不同水平時排氣背壓歐式距離和的平均數得到這些影響因素對發電機排氣背壓的影響趨勢圖（如圖3所示）。對海上平臺用柴油發電機排氣背壓影響因素的分析結果采用方差分析來對其進行研究。它能檢驗出各因子對指標影響的顯著程度。
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圖3 不同因素對柴油發電機排氣背壓的影響趨勢圖 |
根據結果求各影響因素在同水平下排氣背壓的平均數，比如排氣管內徑在300mm水平下背壓的平均數：
對表5中的數據進行方差分析。所有結果的和H：
H=∑Y=0.42+0.36+0.3+0.26+2.46+1.6+0.5+0.52+6.42+2.54+1.69+1.24+5.95+2.73+3.68+2.59=33.26
方差分析中的糾正系數J：
求解運算本研究中總體和各因素以及誤差之偏差平方和。
按式3的思路分別對各因素各水平進行背壓和的平均數計算，得到16個平均數。為了便于對比觀察，將其置于同一趨勢圖中。從而得到各影響因素對A到D因素的偏差平方和按式5計算得出（見表6），式5中的H為各因素各水平的結果（見表5）的和。
SSE=SS-SSA-SSB-SSC-SSD
=55.6299-28.997-16.8575-1.99996-6.337
=1.438
得到各因子以及誤差之均方值、各因子之F值，如表6所示。
表6 正交實驗方差分析表
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項目
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平方和(SS)
|
自由度(df)
|
均方(MS)
|
平方和比重
|
F值
|
F(0.05)
|
|
A廢氣流量
|
28.99727847
|
3
|
9.665755
|
0.521253444
|
20.1629
|
9.28
|
|
B排氣管內徑
|
16.85748402
|
3
|
5.6191613
|
0.303029183
|
11.72164
|
9.28
|
|
C廢氣比重
|
1.999957355
|
3
|
0.6666525
|
0.035951121
|
1.390645
|
9.28
|
|
D排氣直管
當量總長度
|
6.337032523
|
3
|
2.1123442
|
0.113914
|
4.406377
|
9.28
|
|
誤差
|
1.438150471
|
3
|
0.4793835
|
|
|
|
|
總和
|
55.62990283
|
15
|
|
|
|
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由于各因子及誤差的自由度都是3，則通過F臨界值表可知：
F0.05(3，3)=9.28.........................公式(6)
從表6中可看出廢氣比重、排氣直管當量總長度兩個因子其F值都小于F0.05(3，3)，即在供研究條件下，在95%的置信水平上，廢氣比重和排氣直管當量總長度這兩個影響因素對柴油發電機排氣背壓的影響不顯著。廢氣流量、排氣管內徑兩個因子其F值大于F0.05(3，3)即在供研究條件下，廢氣流量和排氣管內徑這兩個影響因素對柴油發電機排氣背壓的影響非常顯著。由圖3中看出隨廢氣流量的增大，排氣背壓也跟著增大；隨排氣管內徑增大，排氣背壓先急劇下降然后在300mm左右開始背壓下降趨向平緩。隨廢氣比重的增加，排氣背壓也跟著增大，但是不明顯；隨排氣直管當量總長度的增加，排氣背壓也跟著增大，但是也不明顯。
四、結束語
海洋用柴油發電機排氣背壓受廢氣流量、廢氣比重、排氣管內徑以及排氣直管當量總長度的影響，其中廢氣流量和排氣管內徑對柴油發電機排氣背壓影響最為顯著，廢氣比重對柴油發電機排氣背壓影響不顯著。背壓隨著廢氣流量的增加而增大，隨著管徑增大而減小，隨著直管當量總長度的增長而增大，而廢氣比重對背壓具有不確定性且影響不大。故在設計柴油發電機排氣系統時如需微量調節排氣背壓應該是調節排氣直管當量總長度而不是調節排氣管內徑。如若需要在比較小的空間粗調排氣背壓則可以通過調節排氣管內徑來實現。
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