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柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓高低影響和正常值測量 |
摘要:排氣背壓是柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。通過采用“正交+數(shù)值計(jì)算”的方法對(duì)影響海上平臺(tái)用柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的因素進(jìn)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(dāng)量總長度對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的排氣背壓都有影響,其中廢氣流量與排氣管內(nèi)徑對(duì)柴油發(fā)電機(jī)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(dāng)前針對(duì)海洋工程上應(yīng)用的設(shè)備的廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高。發(fā)電機(jī)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(duì)其進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)十分必要。其中發(fā)電機(jī)的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)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(duì)海洋平臺(tái)用的柴油發(fā)電機(jī)組,其安裝在極其有限的平臺(tái)空間中,既要保證其使用性能又要符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,故其排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝布置都是十分重要的。理論研究及工程實(shí)踐表明:發(fā)電機(jī)排氣背壓過小會(huì)導(dǎo)致提前排氣,使能量轉(zhuǎn)換不充分,造成能源的浪費(fèi)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(huì)大量消耗機(jī)械功,使效率下降,影響發(fā)電機(jī)的性能,耗油量加大。因此發(fā)電機(jī)的排氣背壓要在一個(gè)規(guī)定區(qū)間內(nèi),才能使發(fā)電機(jī)環(huán)保運(yùn)行。在正常情況下發(fā)電機(jī)廠商都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行背壓測試,從而得到一個(gè)最大排氣背壓限制值,然后用戶根據(jù)這個(gè)最大背壓值去設(shè)計(jì)相應(yīng)的排氣管道系統(tǒng)。
針對(duì)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì),工程技術(shù)人員一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)布置排煙系統(tǒng),然后根據(jù)廠家提供的估算公式去驗(yàn)算背壓,由于對(duì)各影響因素對(duì)背壓的影響顯著程度缺乏直觀的了解和指引,導(dǎo)致經(jīng)常會(huì)反復(fù)修改排煙系統(tǒng)布置圖?,F(xiàn)在國內(nèi)外對(duì)背壓的研究和設(shè)計(jì)一般采用軟件數(shù)值模擬計(jì)算的方式去計(jì)算背壓,雖然結(jié)果相對(duì)精確,但是過程十分煩雜。而在普通的工程項(xiàng)目中對(duì)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(jì)算”技術(shù)引入到對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素的分析中,展開對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素的研究。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)典型排氣管路設(shè)計(jì)圖 |
一、研究對(duì)象
本文以某鉆機(jī)上應(yīng)用的柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)為研究對(duì)象,根據(jù)海上平臺(tái)的實(shí)際情況確定影響因素和水平,并通過科學(xué)的方法對(duì)這些發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素進(jìn)行研究,從而得到這些影響因素對(duì)發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響程度以及趨勢。
對(duì)于本文研究的發(fā)電機(jī)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(dòng)時(shí)受到內(nèi)部摩擦阻礙與外部物體對(duì)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(dòng)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(dòng)通道中的收縮或擴(kuò)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(dòng)能產(chǎn)生突變,氣體在小范圍內(nèi)形成漩渦加劇其動(dòng)能的轉(zhuǎn)換,能量耗損增加,同時(shí)進(jìn)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(jì)及布置可以改變排氣背壓的大小,當(dāng)背壓增大時(shí),能量損失跟著增大,耗油量及噪音也會(huì)加劇。
圖3 柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)房安裝圖 |
該柴油發(fā)電機(jī)是康明斯KC1340GF海洋用發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)組廢氣排放相關(guān)參數(shù)
負(fù)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(jì)算過程
本文運(yùn)用正交法來對(duì)影響海上平臺(tái)用柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的因素進(jìn)行分析研究。這樣可在實(shí)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(jī)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(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用指南中提供的排氣背壓計(jì)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(dāng)量總長度這4個(gè)影響因素作為分析因子來進(jìn)行研究,并且根據(jù)以往項(xiàng)目相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)將這4個(gè)影響因素在海上平臺(tái)應(yīng)用的常用范圍內(nèi)平均分為4個(gè)等級(jí)(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(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)算的研究方案(見表3)。
表3 對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)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(dāng)量總長度/m
|
序號(hào)
|
||||
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
|
60
|
與機(jī)組配套的滅火星式消音器壓力降Ps參數(shù)(如表4所示)。
表4 排氣消音器壓力降參數(shù)
序號(hào)
|
1
|
2
|
3
|
4
|
排氣流量/(m3/min)
|
70
|
130
|
190
|
250
|
壓力降/kPa
|
0.2
|
0.4
|
1.1
|
1.8
|
根據(jù)康明斯柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用指南得到排氣系統(tǒng)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(jì)算公式
P——為背壓力(kPa);
A——為廢氣流量(m3/min);
B——為排氣管內(nèi)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(jù)設(shè)計(jì)好的對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)算的研究方案(見表3),應(yīng)用式2進(jìn)行16次計(jì)算其結(jié)果如表5所示。
表5對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)算結(jié)果
序號(hào)
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
背壓/kPa
|
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
|
三、結(jié)果分析
正交法應(yīng)用相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)法去對(duì)結(jié)果計(jì)算分析可得到大量有用的結(jié)論回。由結(jié)果計(jì)算各影響因子在不同水平時(shí)排氣背壓歐式距離和的平均數(shù)得到這些影響因素對(duì)發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響趨勢圖(如圖3所示)。對(duì)海上平臺(tái)用柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素的分析結(jié)果采用方差分析來對(duì)其進(jìn)行研究。它能檢驗(yàn)出各因子對(duì)指標(biāo)影響的顯著程度。
圖3 不同因素對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響趨勢圖 |
根據(jù)結(jié)果求各影響因素在同水平下排氣背壓的平均數(shù),比如排氣管內(nèi)徑在300mm水平下背壓的平均數(shù):
對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。所有結(jié)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(shù)J:
求解運(yùn)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(duì)各因素各水平進(jìn)行背壓和的平均數(shù)計(jì)算,得到16個(gè)平均數(shù)。為了便于對(duì)比觀察,將其置于同一趨勢圖中。從而得到各影響因素對(duì)A到D因素的偏差平方和按式5計(jì)算得出(見表6),式5中的H為各因素各水平的結(jié)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(shí)驗(yàn)方差分析表
項(xiàng)目
|
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(nèi)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(dāng)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
|
|
|
|
|
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(dāng)量總長度兩個(gè)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(dāng)量總長度這兩個(gè)影響因素對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響不顯著。廢氣流量、排氣管內(nèi)徑兩個(gè)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(nèi)徑這兩個(gè)影響因素對(duì)柴油發(fā)電機(jī)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(nèi)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(dāng)量總長度的增加,排氣背壓也跟著增大,但是也不明顯。
四、結(jié)束語
海洋用柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓受廢氣流量、廢氣比重、排氣管內(nèi)徑以及排氣直管當(dāng)量總長度的影響,其中廢氣流量和排氣管內(nèi)徑對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響最為顯著,廢氣比重對(duì)柴油發(fā)電機(jī)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(dāng)量總長度的增長而增大,而廢氣比重對(duì)背壓具有不確定性且影響不大。故在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)時(shí)如需微量調(diào)節(jié)排氣背壓應(yīng)該是調(diào)節(jié)排氣直管當(dāng)量總長度而不是調(diào)節(jié)排氣管內(nèi)徑。如若需要在比較小的空間粗調(diào)排氣背壓則可以通過調(diào)節(jié)排氣管內(nèi)徑來實(shí)現(xiàn)。
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