新聞主題	影響柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的因素和計(jì)算公式

 

摘要：影響柴油發(fā)電機(jī)排煙背壓的因素主要有排煙管的直徑、長(zhǎng)度、彎頭及其內(nèi)部表面的光滑程度，管子超長(zhǎng)、彎頭過(guò)多、內(nèi)部表面粗糙都會(huì)增加排煙背壓，此外，還需要考慮因使用時(shí)間較長(zhǎng)而產(chǎn)生的煙垢和變質(zhì)造成管道阻塞而增大的排煙阻力。因此，柴油發(fā)電機(jī)排煙系統(tǒng)應(yīng)盡量減少背壓，因?yàn)閺U氣阻力的增加將會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)輸出功率的下降及溫升的增加，可以通過(guò)排氣管道讓排出的氣體自由地流動(dòng)以減少排氣背壓。康明斯公司在本文中分析了排氣背壓過(guò)高的原因，以及排氣背壓計(jì)算公式和試驗(yàn)方法。

 

一、造成高背壓的主要因素

 

      柴油機(jī)具有熱效率高，油耗低的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)能源動(dòng)力機(jī)械不可或缺的組成部分。但是，由于燃料組成以及柴油機(jī)燃燒方式等原因，其尾氣排放物中顆粒物（PM）和氮氧化物（NO）為主要污染物。隨著排放法規(guī)的加嚴(yán)，單純采用米勒循環(huán)及燃燒室優(yōu)化等機(jī)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(jìn)入研究人員的視野范圍。

      當(dāng)前，后處理技術(shù)多采用DOC、DPF以及SCR，其中DPF的再生選用被動(dòng)再生方法排溫需高于240℃，主動(dòng)再生排溫需高于540℃，SCR凈化NO，窗口溫度為230℃~500℃，對(duì)柴油機(jī)排氣溫度提出了一定的要求。與此同時(shí)，后處理技術(shù)的增加不可避免地造成排氣系統(tǒng)背壓的變化，背壓的變化影響柴油機(jī)的功率損失和排氣系統(tǒng)的噪聲水平。背壓增大，造成柴油機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的下降；背壓減小，使得排氣系統(tǒng)的噪聲水平降低，設(shè)計(jì)及制造成本增加。因此，后處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及布置形式與背壓之間的關(guān)系應(yīng)作出合理的取舍。

      柴油發(fā)電機(jī)背壓的影響因素如下：

（1）排煙管的直徑太小。

（2）排煙管過(guò)長(zhǎng)。

（3）排煙系統(tǒng)彎頭過(guò)多。

（4）排煙消聲器阻力太大。

（5）處于某種臨界長(zhǎng)度，壓力波導(dǎo)致高阻力。

      排氣背壓對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和負(fù)荷能力有著重要的影響。因此，在柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，要充分考慮背壓的大小和影響因素，以確保柴油發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和高效發(fā)電。

 

二、排煙系統(tǒng)的背壓計(jì)算方法

 

      柴油發(fā)電機(jī)組排煙背壓計(jì)算主要由由排煙管、消聲器和尾氣裝置三部分構(gòu)成。如圖1所示，排煙管背壓為P0、P1、P4，消聲器背壓為P2，尾氣裝置背壓為P3。

1、計(jì)算公式

（1）排煙管背壓的計(jì)算

P_排=6.23｛（L×Q²）/D⁵｝×｛1/（T+273）｝......................（公式1）

 

      式中： P_排——排煙管的總排煙背壓（kPa）；L——排煙管直管當(dāng)量總長(zhǎng)度（m）（見(jiàn)表1）；T——排煙溫度（℃）；Q——每秒鐘排煙量（m³／s）；D——排煙管內(nèi)徑（m）。

      為了在應(yīng)用中設(shè)計(jì)正確合理的排氣管道及其最小口徑，達(dá)到既符合機(jī)房總體設(shè)計(jì)和布置要求，又保證整個(gè)系統(tǒng)的排氣背壓不至于超過(guò)發(fā)電機(jī)組最大允許范圍的目的。在進(jìn)行排氣系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，可先作這樣的設(shè)定：發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)量長(zhǎng)度（見(jiàn)表1），把以上三項(xiàng)和連接直管的長(zhǎng)度相加后用排氣管道背壓的計(jì)算公式計(jì)算背壓，可使整個(gè)計(jì)算簡(jiǎn)化，并不失計(jì)算精度。排煙流量、排煙溫度、極限背壓值等數(shù)據(jù)可由發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)中查找。

表1    直管當(dāng)量長(zhǎng)度表

（2）消聲器背壓P_消的計(jì)算

      由于現(xiàn)實(shí)施工及周?chē)h(huán)境對(duì)噪聲要求的限制，在機(jī)房設(shè)計(jì)中通常都使用了消聲器，則計(jì)算排煙系統(tǒng)總背壓P時(shí)，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(jì)算方法如下

      先計(jì)算消聲器的管流速V_管：

V_管 = Q/A_管（m/s）......................（公式2） 

      式中 A_管——消聲器排煙口的截面積。

      用計(jì)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(jì)算公式

P_消=（F_阻×9.8×10^-3×673）/（T+273）......................（公式3）  

（3）排煙系統(tǒng)總背壓P的計(jì)算

      排煙系統(tǒng)總背壓P等于排煙管的背壓P_排與消聲器的排煙背壓P_消之和，

P_總＝P_排＋P_消......................（公式4）  

      在排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝中，必須保證系統(tǒng)許用背壓［P］大于或等于排煙系統(tǒng)總背壓P，即

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

      式中： P_排——排氣管的背壓（kPa）；P_消——消聲器的背壓（kPa）；［P］——系統(tǒng)許用背壓值（kPa）；P——排氣系統(tǒng)總背壓（kPa）。

      如果不能滿足P＝（P_排＋P_清）≤［P］，會(huì)造成高排氣背壓的情況出現(xiàn)，則必須將排煙管口徑進(jìn)行擴(kuò)大，以減小排氣系統(tǒng)總背壓P，直至發(fā)電機(jī)組最大允許范圍內(nèi)。

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

2、排氣背壓的計(jì)算示例

      以某一機(jī)房排氣背壓計(jì)算為例。機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)安裝康明斯發(fā)電機(jī)組，發(fā)動(dòng)機(jī)為KC1800GF，選用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(jī)房?jī)?nèi)排煙管長(zhǎng)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煙管長(zhǎng)度為36m，考慮排煙管總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為避免高背壓，豎直向上的排煙管擴(kuò)大至管徑ф377（內(nèi)直徑為412mm），管壁厚度為4mm；90°彎頭2個(gè)，45°彎頭1個(gè)。

      由康明斯發(fā)電機(jī)組KC1800GF數(shù)據(jù)資料查?。?/span>排煙量Q＝420m³/min＝7m³/s，排氣溫度T＝520℃，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高允許背壓值［P］＝5.6kPa。

（1）機(jī)房?jī)?nèi)排氣管當(dāng)量長(zhǎng)度

L₁＝11m＋2（彎頭）×5.32m＋1（彎頭）×2.44m＝24.08m

      豎直段排氣管長(zhǎng)度

L₂=16m

（2）排氣管背壓P_排的計(jì)算

P_排=6.32×｛（L×Q²）/D⁵｝×｛1/（T+273）｝×10^-3 

      式中：L——直管當(dāng)量總長(zhǎng)度；Q——排氣流量；D——排氣管直徑；T——排氣溫度?？得魉拱l(fā)電機(jī)組T＝520℃。

所以，P_排1=6.32×｛（24.08×7²）/0.369⁵｝×｛1/（520+273）｝×10^-3=1.38kPa

P_排2=6.32×｛（36×7²）/0.412⁵｝×｛1/（520+273）｝×10^-3=1.81kPa 

（3）14寸住宅型消聲器的背壓計(jì)算

      先計(jì)算消聲器的管流速V_管

A_管＝3.14×（0.369/2）2=0.1069㎡

V消=7/0.1069=65.48（m/s）

      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(jì)算公式如下

P_消=（300×9.8×10^-3×673）/（520+273）=2.50kPa 

（3）排氣系統(tǒng)的背壓

P＝P_排1＋P_排2＋P_消＝1.38＋1.18＋2.5＝5.06kPa

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

      設(shè)計(jì)時(shí)要合理布置煙管走向，盡量縮短煙管長(zhǎng)度，可以減小煙管沿程阻力，同時(shí)通過(guò)繪制綜合管線圖，避免管道交叉，減少?gòu)濐^數(shù)量，減小煙管局部阻力。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)組排氣背壓點(diǎn)分布圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)排氣流速和阻力曲線圖

 

三、排氣背壓試驗(yàn)方法

 

      柴油機(jī)排氣系統(tǒng)增加后處理，管路的設(shè)計(jì)及布置形式會(huì)對(duì)柴油機(jī)排氣背壓產(chǎn)生一定的影響，因此，結(jié)合整機(jī)經(jīng)驗(yàn)值及目標(biāo)預(yù)估值選取背壓值點(diǎn)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)研究背壓的變化對(duì)柴油機(jī)的影響，為排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持及指導(dǎo)。

1、試驗(yàn)設(shè)備

      本次試驗(yàn)選用康明斯4BTA3.9-G2型直列四缸柴油發(fā)電機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)。該試驗(yàn)所需主要設(shè)備還包括：排氣背壓正弦波自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、AVL測(cè)功機(jī)、煙度計(jì)、排放分析儀、AVL燃燒分析儀和各種傳感器等。試驗(yàn)設(shè)備連接示意框圖如圖3所示，排氣背壓正弦波自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

      柴油機(jī)排氣背壓正弦波自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于柴油機(jī)排氣背壓試驗(yàn)時(shí)，背壓自動(dòng)調(diào)整為正弦波，且周期及背壓基值可設(shè)定；將壓力調(diào)整從一個(gè)壓力值到下一個(gè)壓力值時(shí)，能夠擬和目標(biāo)曲線平緩過(guò)過(guò)渡，杜絕壓力震蕩現(xiàn)象，不因試驗(yàn)設(shè)備的缺陷導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的誤差；自動(dòng)控制時(shí)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自學(xué)習(xí)、自修正、自動(dòng)控制輸出，降低操作人員的操作難度和專(zhuān)業(yè)要求；實(shí)時(shí)記錄壓力、溫度、閥門(mén)開(kāi)度等數(shù)據(jù)用于試驗(yàn)結(jié)果分析。工作原理如圖2所示，通過(guò)將壓力波動(dòng)分為若干波段，波動(dòng)壓力段分別調(diào)用比例積分微分控制器指令，根據(jù)排氣管路反饋壓力值，輸出控制指令，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，且采集電動(dòng)調(diào)節(jié)閥位置反饋信息，結(jié)合壓力波動(dòng)的最大、最小界限值閉環(huán)聯(lián)動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。壓力分為若干波段時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)若干個(gè)壓力目標(biāo)值，使用pid調(diào)節(jié)時(shí)，需要每個(gè)壓力點(diǎn)都設(shè)置pid的參數(shù)，參數(shù)調(diào)試過(guò)程繁瑣復(fù)雜；柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的工作狀態(tài)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)必定不同，即改變柴油機(jī)狀態(tài)時(shí)，又需要再次修改參數(shù)，參數(shù)調(diào)整數(shù)據(jù)量較大，參數(shù)設(shè)置需要一定的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)完成；采用pid調(diào)節(jié)控制，在每個(gè)目標(biāo)壓力點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)一定的超調(diào)現(xiàn)象，且壓力目標(biāo)一直在變化中，即在每個(gè)壓力點(diǎn)都會(huì)有一定的波動(dòng)。

 

圖3  柴油機(jī)排氣背壓試驗(yàn)設(shè)備連接示意框圖

圖4  柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

 

2、試驗(yàn)步驟

      首先對(duì)柴油機(jī)性能潛能進(jìn)行摸底試驗(yàn)，確定潛能值大于性能目標(biāo)值；確定目標(biāo)值小于潛能值之后，分別在不同的試驗(yàn)工況點(diǎn)對(duì)控制策略進(jìn)行調(diào)整，保證各工況點(diǎn)均能達(dá)到性能目標(biāo)值，考慮臺(tái)架試驗(yàn)的誤差波動(dòng)（功率波動(dòng)范圍為1±5%，扭矩波動(dòng)范圍為1±6%）。分別從增壓壓力、油耗率和渦后溫度進(jìn)行對(duì)比分析，得出關(guān)于背壓影響的結(jié)論。參考整機(jī)數(shù)據(jù)及目標(biāo)值，確定不同背壓試驗(yàn)工況點(diǎn)如表2所示。

表2    試驗(yàn)工況點(diǎn)

3、試驗(yàn)結(jié)果

      試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示的增壓壓力曲線圖。由圖5可知，隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，增壓壓力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在低速段（1000r/min~1400r/min）增壓壓力增加較為迅速，為增壓器高速級(jí)啟動(dòng)并產(chǎn)生作用，促進(jìn)低速段的增壓壓力提升；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2200 r/min時(shí)，增壓壓力進(jìn)一步增長(zhǎng)，在2600r/min時(shí)達(dá)到180 kPa，此后增壓壓力較為平穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3400r/min，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4000r/min降低至144 kPa。

      圖6所示為燃油消耗率曲線圖。由圖6可知，隨著背壓值的升高，在轉(zhuǎn)速≤2000 r/min時(shí)，燃油消耗率變化較小，略有提升；當(dāng)轉(zhuǎn)速>2000r/min時(shí)，燃油消耗率隨背壓值的升高而明顯增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速≥3200 f/min時(shí)，背壓為85kPa與90 kPa的燃油消耗率提升幅度較大，最大油耗率為261g/（kW·h），而背壓值為65kPa與7 5kPa的燃油消耗率差別較小，均不大于240g/（kW·h）。

      圖7為渦后溫度曲線圖。由圖7可知，背壓的增加引起渦后溫度的提升，相較于背壓為65kPa時(shí)，背壓值為90 kPa時(shí)渦后溫度的提升幅度最小。背壓值為75kPa與85kPa時(shí)，渦后溫度的提升幅度較大，且在這兩個(gè)工況下提升幅度大致相等。

      圖8為增壓器轉(zhuǎn)速曲線圖。由圖8可以得知，從2200r/min開(kāi)始，背壓值為85kPa和90kPa工況下，增壓器高速級(jí)轉(zhuǎn)速明顯提升，且隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，背壓值越高，增壓器高速級(jí)轉(zhuǎn)速越高，即在柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速段排氣能量不能完全通過(guò)旁通閥泄掉，同時(shí)提高泵氣損失，在高背壓值工況下推動(dòng)高壓級(jí)再次介入工作，但工作效率下降，增壓壓力降低；低壓級(jí)則未出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

 

圖5  柴油機(jī)增壓壓力曲線圖	圖6  柴油機(jī)燃油消耗率曲線圖
圖7  柴油機(jī)增壓器渦后溫度曲線圖	圖8  柴油機(jī)增壓器轉(zhuǎn)速曲線圖

 

總結(jié)

      隨著背壓值的增大，柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中增壓器運(yùn)行模式偏離設(shè)計(jì)運(yùn)行模式，在背壓85 kPa與90 kPa時(shí)出現(xiàn)柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速而增壓壓力下降的現(xiàn)象；燃油消耗率在背壓85 kPa與90 kPa工況下出現(xiàn)較大幅度上升，最高值達(dá)到261g/（kW·h）；渦后溫度則在背壓75 kPa與85 kPa時(shí)出現(xiàn)較大幅度提升，背壓90 kPa工況渦后溫度提升幅度較小。綜合比較上述3個(gè)指標(biāo)，柴油機(jī)在背壓值為75 kPa時(shí)具有較低的燃油消耗率，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(jì)性的同時(shí)有助于DPF再生，為排氣系統(tǒng)背壓目標(biāo)值的選定提供數(shù)據(jù)參考。

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