危害柴油發(fā)電機排煙背壓的要素和計算公式

摘要：危害柴油發(fā)電機排煙背壓的要素主要有排煙管的直徑、長度、彎頭及其內(nèi)部表面的光滑程度，管子超長、彎頭過多、內(nèi)部表面粗糙都會增加排煙背壓，此外，還需要考慮因操作時間較長而發(fā)生的煙垢和變質(zhì)造成管道阻塞而增大的排氣阻力。因此，柴油發(fā)電機排煙裝置應(yīng)盡量減小背壓，由于廢氣阻力的增加將會引起柴油發(fā)電機輸出功率的下降及溫升的增加，可以通過排煙管道讓排出的氣體自由地流動以減少排氣背壓?？得魉构驹诒疚闹薪馕隽伺艧煴硥浩叩钠鹨?，以及排氣背壓計算公式和試驗舉措。

      柴油發(fā)電機具有熱效率高，油耗低的優(yōu)點，是傳統(tǒng)能源動力機械不可或缺的構(gòu)成部分。但是，因為燃料組成以及柴油發(fā)電機燃燒步驟等原因，其尾氣排放物中顆粒物（PM）和氮氧化物（NO）為具體污染物。隨著排放要求的加嚴，單純采用米勒循環(huán)及燃燒室優(yōu)化等機內(nèi)凈化技術(shù)不足以滿足法規(guī)要求，因此后處理技術(shù)進入討論人員的視野范圍。

      當前發(fā)電機廠家，后排除技術(shù)多采用DOC、DPF以及SCR，其中DPF的再生選擇被動再生舉措排溫需高于240℃，主動再生排溫需高于540℃，SCR凈化NO，窗口溫度為230℃~500℃，對柴油發(fā)電機排氣溫度提出了一定的要求。與此同時，后解決技術(shù)的增加不可防范地造成排氣機構(gòu)背壓的變化，背壓的變化影響柴油發(fā)電機的功率損失和排氣系統(tǒng)的噪聲水平。背壓增大，造成柴油發(fā)電機動力性和燃油經(jīng)濟性的下降；背壓減小，使得排氣機構(gòu)的噪聲水平減少，設(shè)計及制造成本增加。因此，后排除裝置的布置及布置形式與背壓之間的關(guān)系應(yīng)作出合理的取舍。

      排氣背壓對柴油發(fā)電機組的發(fā)電效率和負載能力有著重要的危害。因此，在柴油發(fā)電機的設(shè)計和裝配步驟中，要充分考慮背壓的大小和影響條件，以確保柴油發(fā)電機的正常運行和高效發(fā)電。

      柴發(fā)機組排煙背壓計算主要由由排氣管、消聲器和尾氣裝置三部分結(jié)構(gòu)。如圖1所示，排煙管背壓為P0、P1、P4，消聲器背壓為P2，尾氣系統(tǒng)背壓為P3。

      式中： P排——排氣管的總排氣背壓（kPa）；L——排氣管直管當量總長度（m）（見表1）；T——排氣溫度（℃）；Q——每秒鐘排氣量（m3／s）；D——排氣管內(nèi)徑（m）。

      為了在運用中設(shè)計正確合理的排煙管道及其較小口徑，達到既符合機房總體規(guī)劃和布置要求，又保證整個裝置的排煙背壓不至于超過發(fā)電機組較大允許范圍的目的。在進行排煙裝置計算時，可先作這樣的設(shè)定：發(fā)電機組標準配置的波紋避振節(jié)、工業(yè)型消聲器等同于同管徑的直管，彎頭折算成直管當量長度（見表1），把以上三項和連接直管的長度相加后用排煙管道背壓的計算公式計算背壓，可使整個計算簡化，并不失計算精度。排氣流量、排氣溫度、極限背壓值等數(shù)據(jù)可由發(fā)電機組技術(shù)說明中查找。

      由于現(xiàn)實施工及周圍環(huán)境對噪聲要求的限制，在機房規(guī)劃中通常都操作了消聲器，則計算排氣機構(gòu)總背壓P時，除了應(yīng)考慮排煙管的背壓P排，還應(yīng)考慮消聲器的排煙背壓P消。消聲器的排煙背壓P消的計算步驟如下

      用計算出的管流速值如圖2所示（流速/阻力曲圖）查出消聲器的阻力值F阻，則消聲器排氣背壓P消的計算公式

      排煙機構(gòu)總背壓P等于排煙管的背壓P排與消聲器的排氣背壓P消之和，

      在排氣機構(gòu)的規(guī)劃和安裝中，必須保證機構(gòu)許用背壓［P］大于或等于排氣系統(tǒng)總背壓P，即

P＝（P排＋P消）≤［P］......................（公式5）  

      式中： P排——排煙管的背壓（kPa）；P消——消聲器的背壓（kPa）；［P］——系統(tǒng)許用背壓值（kPa）；P——排煙機構(gòu)總背壓（kPa）。

      如果不能滿足P＝（P排＋P清）≤［P］，會造成高排煙背壓的狀況產(chǎn)生，則必須將排煙管口徑進行擴大，以減小排煙裝置總背壓P，直至發(fā)電機組較大允許范圍內(nèi)。

P＝（P排＋P清）≤［P］成立......................（公式6）  

      以某一機房排煙背壓計算為例。機房內(nèi)規(guī)劃安裝柴油發(fā)電機組康明斯發(fā)電機樣本，發(fā)電機為KC1800GF，選購14”住宅型消聲器，住宅型消聲器前面有一工業(yè)型消聲器，一波紋管避振節(jié)。機房內(nèi)排氣管長度為11m，管徑為φ377（內(nèi)直徑為369mm），管壁厚度為4mm；伸出外墻豎直向上的排氣管長度為36m，考慮排煙管總長度較長，為預(yù)防高背壓，豎直向上的排煙管擴大至管徑ф377（內(nèi)直徑為412mm），管壁厚度為4mm；90°彎頭2個柴油發(fā)電機十大品牌，45°彎頭1個。

      由康明斯發(fā)電機組KC1800GF參數(shù)資料查?。号艧熈縌＝420m3/min＝7m3/s，排煙溫度T＝520℃，發(fā)電機的較高允許背壓值［P］＝5.6kPa。

      式中：L——直管當量總長度；Q——排氣流量；D——排煙管直徑；T——排煙溫度。柴油發(fā)電機組T＝520℃。

      由V消如圖2所示（流速/阻力曲圖）查出消聲器的阻力值F阻＝300（毫米水柱），則消聲器排氣背壓P消的計算公式如下

      發(fā)電機的較高允許背壓值［P］＝5.6kPa＞5.06kPa，因此，豎直向上的排煙管擴大至內(nèi)直徑為412mm的排氣管道滿足要求。另外，考慮到排煙管道的熱脹冷縮問題，一般需在每15～20m處設(shè)一伸縮節(jié)（伸縮度不小于5cm）。

      規(guī)劃時要合理布置煙管走向，盡量縮短煙管長度，可以減少煙管沿程阻力，同時通過繪制綜合管線圖，防范管道交叉，減輕彎頭數(shù)量，減輕煙管局部阻力。

      柴油發(fā)電機排氣機構(gòu)增加后解決，管路的布置及部署形式會對柴油發(fā)電機排煙背壓產(chǎn)生一定的危害，因此，結(jié)合整機經(jīng)驗值及目標預(yù)估值選擇背壓值點，通過臺架試驗探求背壓的變化對柴油發(fā)電機的危害，為排氣裝置的設(shè)計供應(yīng)數(shù)據(jù)支持及指導(dǎo)。

      本次試驗購買康明斯4BTA3.9-G2型直列四缸柴油發(fā)電機作為試驗樣機。該試驗所需詳細設(shè)備還包括：排煙背壓正弦波自動調(diào)節(jié)機構(gòu)、AVL測功機、煙度計、排放綜述儀、AVL燃燒簡述儀和各種傳感器等。試驗裝備連接示意框圖如圖3所示，排氣背壓正弦波自動調(diào)節(jié)機構(gòu)組成如圖4所示。

      柴油發(fā)電機排煙背壓正弦波自動調(diào)整裝置用于柴油發(fā)電機排氣背壓試驗時，背壓自動調(diào)節(jié)為正弦波，且周期及背壓基值可設(shè)定；將壓力調(diào)整從一個壓力值到下一個壓力值時，能夠擬和目標曲線平緩過過渡，杜絕壓力震蕩現(xiàn)狀，不因試驗裝置的缺陷引起試驗結(jié)果的誤差；自動控制時，實現(xiàn)參數(shù)自學(xué)習(xí)、自修正、自動控制輸出，減輕操作人員的使用難度和專業(yè)要求；實時記錄壓力、溫度、閥門開度等數(shù)據(jù)用于試驗結(jié)果敘述。工作原理如圖2所示，通過將壓力波動分為若干波段，波動壓力段分別調(diào)用比例積分微分控制面板指令，根據(jù)排煙管路反饋壓力值，輸出控制指令，驅(qū)動電動調(diào)整閥調(diào)整，且采集電動調(diào)整閥位置反饋信息，結(jié)合壓力波動的較大、較小界限值閉環(huán)聯(lián)動控制電動調(diào)節(jié)閥調(diào)整。壓力分為若干波段時，即會出現(xiàn)若干個壓力目標值，使用pid調(diào)節(jié)時，需要每個壓力點都設(shè)置pid的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)試步驟繁瑣復(fù)雜；柴油發(fā)電機在不一樣速度或負荷的作業(yè)狀態(tài)時，所對應(yīng)的較優(yōu)數(shù)據(jù)必定不同，即改變柴油發(fā)電機狀態(tài)時，又需要再次修改參數(shù)，數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)量較大，參數(shù)設(shè)置需要一定的專業(yè)人員來完成；采用pid調(diào)節(jié)控制，在每個目標壓力點都會出現(xiàn)一定的超調(diào)現(xiàn)象，且壓力目標一直在變化中，即在每個壓力點都會有一定的波動。

      首先對柴油發(fā)電機性能潛能進行摸底試驗，確定潛能值大于性能目標值；確定目標值小于潛能值之后，分別在不一樣的試驗工況點對控制步驟進行調(diào)整，保證各工況點均能達到性能目標值，考慮臺架試驗的誤差波動（功率波動范圍為1±5%，功率波動范圍為1±6%）。分別從增壓壓力、油耗率和渦后溫度進行對比綜述，得出關(guān)于背壓影響的結(jié)論。參考整機數(shù)據(jù)及目標值，確定不同背壓試驗工況點如表2所示。

      試驗后對試驗參數(shù)進行整理，得出試驗結(jié)果如圖5所示的增壓壓力曲線可知，隨柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增加，增壓壓力呈現(xiàn)增加趨勢。在低速段（1000轉(zhuǎn)/分~1400轉(zhuǎn)/分）增壓壓力增加較為迅速，為增壓器高速級啟動并產(chǎn)生功能，促進低速段的增壓壓力提高；當轉(zhuǎn)速達到2200 轉(zhuǎn)/分時，增壓壓力進一步延遲，在2600轉(zhuǎn)/分時達到180 kPa，此后增壓壓力較為平穩(wěn)；當轉(zhuǎn)速達到3400轉(zhuǎn)/分，背壓為65kPa和75kPa工況，增壓壓力平緩，而背壓為85kPa與90 kPa工況，增壓壓力出現(xiàn)下滑，并在4000轉(zhuǎn)/分減輕至144 kPa。

      圖6所示為燃油消耗率曲線可知，隨著背壓值的升高，在速度≤2000 轉(zhuǎn)/分時，燃油消耗率變化較小，略有提升；當速度2000轉(zhuǎn)/分時，燃油消耗率隨背壓值的升高而明顯增加；當轉(zhuǎn)速≥3200 f/min時，背壓為85kPa與90 kPa的燃油消耗率提高幅度較大，較大油耗率為261g/（kW·h），而背壓值為65kPa與7 5kPa的燃油消耗率區(qū)別較小，均不大于240g/（kW·h）。

      圖8為增壓器轉(zhuǎn)速曲線轉(zhuǎn)/分開始，背壓值為85kPa和90kPa工況下，增壓器高速級速度明顯提升，且隨柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速的增加，背壓值越高，增壓器高速級轉(zhuǎn)速越高，即在柴油發(fā)電機高轉(zhuǎn)速段排氣能量不能完全通過旁通閥泄掉，同時提高泵氣損失，在高背壓值工況下推動高壓級再次介入作業(yè)，但作業(yè)效率下降，增壓壓力降低；低壓級則未發(fā)生較大轉(zhuǎn)速波動。

圖5  柴油發(fā)電機增壓壓力曲線  柴油發(fā)電機燃油消耗率曲線  柴油發(fā)電機增壓器渦后溫度曲線  柴油發(fā)電機增壓器轉(zhuǎn)速曲線圖

      隨著背壓值的增大，柴油發(fā)電機運轉(zhuǎn)流程中增壓器運行模式偏離布置運轉(zhuǎn)模式，在背壓85 kPa與90 kPa時發(fā)生柴油發(fā)電機高轉(zhuǎn)速而增壓壓力下降的情形；燃油消耗率在背壓85 kPa與90 kPa工況下發(fā)生較大幅度上升，較高值達到261g/（kW·h）；渦后溫度則在背壓75 kPa與85 kPa時產(chǎn)生較大幅度提升，背壓90 kPa工況渦后溫度提高幅度較小。綜合比較上述3個指標，柴油發(fā)電機在背壓值為75 kPa時具有偏低的燃油消耗率，較高的渦后溫度以及穩(wěn)定的增壓壓力，在保證燃油經(jīng)濟性的同時有助于DPF再生，為排煙機構(gòu)背壓目標值的選定提供參數(shù)參考。