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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
發(fā)布時(shí)間:2023-03-06 18:01:54  ▏閱讀:

 

新聞主題

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。

 

柴油發(fā)電機(jī)典型排氣管路設(shè)計(jì)圖.png

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。

 

柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)房安裝圖.png

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。

 

不同因素對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響趨勢圖.png

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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