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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。
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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。
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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)
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負(fù)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
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278.9益
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6.7 kPa
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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
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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(nèi)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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||||
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1
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70
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250
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0.6
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20
|
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2
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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(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
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因素
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A廢氣流量/(m3/min)
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B排氣管內(nèi)徑/mm
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C廢氣比重/(kg/m3)
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D排氣直管當(dāng)量總長度/m
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序號(hào)
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||||
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1
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70
|
250
|
0.6
|
20
|
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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
|
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8
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130
|
400
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0.5
|
40
|
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9
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190
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250
|
0.5
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80
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10
|
190
|
300
|
0.45
|
60
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11
|
190
|
350
|
0.6
|
40
|
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12
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190
|
400
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0.55
|
20
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13
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250
|
250
|
0.45
|
40
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14
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250
|
300
|
0.5
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20
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15
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250
|
350
|
0.55
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80
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16
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250
|
400
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0.6
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60
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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)
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序號(hào)
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1
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2
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3
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4
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排氣流量/(m3/min)
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70
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130
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190
|
250
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壓力降/kPa
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0.2
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0.4
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1.1
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1.8
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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
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序號(hào)
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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
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6
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7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
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背壓/kPa
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0.42
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0.36
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0.30
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0.26
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2.46
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1.60
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0.50
|
0.52
|
6.42
|
2.54
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1.69
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1.24
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5.95
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2.73
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3.68
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2.59
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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。
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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
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項(xiàng)目
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平方和(SS)
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自由度(df)
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均方(MS)
|
平方和比重
|
F值
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F(0.05)
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A廢氣流量
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28.99727847
|
3
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9.665755
|
0.521253444
|
20.1629
|
9.28
|
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B排氣管內(nèi)徑
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16.85748402
|
3
|
5.6191613
|
0.303029183
|
11.72164
|
9.28
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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
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|
誤差
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1.438150471
|
3
|
0.4793835
|
|
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|
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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(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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