危害柴油发电机排烟背压的要素和计算公式

摘要：危害柴油发电机排烟背压的要素主要有排烟管的直径、长度、弯头及其内部表面的光滑程度，管子超长、弯头过多、内部表面粗糙都会增加排烟背压，此外，还需要考虑因操作时间较长而发生的烟垢和变质造成管道阻塞而增大的排气阻力。因此，柴油发电机排烟装置应尽量减小背压，由于废气阻力的增加将会引起柴油发电机输出功率的下降及温升的增加，可以通过排烟管道让排出的气体自由地流动以减少排气背压。康明斯公司在本文中解析了排烟背压偏高的起因，以及排气背压计算公式和试验举措。

      柴油发电机具有热效率高，油耗低的优点，是传统能源动力机械不可或缺的构成部分。但是，因为燃料组成以及柴油发电机燃烧步骤等原因，其尾气排放物中颗粒物（PM）和氮氧化物（NO）为具体污染物。随着排放要求的加严，单纯采用米勒循环及燃烧室优化等机内净化技术不足以满足法规要求，因此后处理技术进入讨论人员的视野范围。

      当前发电机厂家，后排除技术多采用DOC、DPF以及SCR，其中DPF的再生选择被动再生举措排温需高于240℃，主动再生排温需高于540℃，SCR净化NO，窗口温度为230℃~500℃，对柴油发电机排气温度提出了一定的要求。与此同时，后解决技术的增加不可防范地造成排气机构背压的变化，背压的变化影响柴油发电机的功率损失和排气系统的噪声水平。背压增大，造成柴油发电机动力性和燃油经济性的下降；背压减小，使得排气机构的噪声水平减少，设计及制造成本增加。因此，后排除装置的布置及布置形式与背压之间的关系应作出合理的取舍。

      排气背压对柴油发电机组的发电效率和负载能力有着重要的危害。因此，在柴油发电机的设计和装配步骤中，要充分考虑背压的大小和影响条件，以确保柴油发电机的正常运行和高效发电。

      柴发机组排烟背压计算主要由由排气管、消声器和尾气装置三部分结构。如图1所示，排烟管背压为P0、P1、P4，消声器背压为P2，尾气系统背压为P3。

      式中： P排——排气管的总排气背压（kPa）；L——排气管直管当量总长度（m）（见表1）；T——排气温度（℃）；Q——每秒钟排气量（m3／s）；D——排气管内径（m）。

      为了在运用中设计正确合理的排烟管道及其较小口径，达到既符合机房总体规划和布置要求，又保证整个装置的排烟背压不至于超过发电机组较大允许范围的目的。在进行排烟装置计算时，可先作这样的设定：发电机组标准配置的波纹避振节、工业型消声器等同于同管径的直管，弯头折算成直管当量长度（见表1），把以上三项和连接直管的长度相加后用排烟管道背压的计算公式计算背压，可使整个计算简化，并不失计算精度。排气流量、排气温度、极限背压值等数据可由发电机组技术说明中查找。

      由于现实施工及周围环境对噪声要求的限制，在机房规划中通常都操作了消声器，则计算排气机构总背压P时，除了应考虑排烟管的背压P排，还应考虑消声器的排烟背压P消。消声器的排烟背压P消的计算步骤如下

      用计算出的管流速值如图2所示（流速/阻力曲图）查出消声器的阻力值F阻，则消声器排气背压P消的计算公式

      排烟机构总背压P等于排烟管的背压P排与消声器的排气背压P消之和，

      在排气机构的规划和安装中，必须保证机构许用背压［P］大于或等于排气系统总背压P，即

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

      式中： P排——排烟管的背压（kPa）；P消——消声器的背压（kPa）；［P］——系统许用背压值（kPa）；P——排烟机构总背压（kPa）。

      如果不能满足P＝（P排＋P清）≤［P］，会造成高排烟背压的状况产生，则必须将排烟管口径进行扩大，以减小排烟装置总背压P，直至发电机组较大允许范围内。

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

      以某一机房排烟背压计算为例。机房内规划安装柴油发电机组康明斯发电机样本，发电机为KC1800GF，选购14”住宅型消声器，住宅型消声器前面有一工业型消声器，一波纹管避振节。机房内排气管长度为11m，管径为φ377（内直径为369mm），管壁厚度为4mm；伸出外墙竖直向上的排气管长度为36m，考虑排烟管总长度较长，为预防高背压，竖直向上的排烟管扩大至管径ф377（内直径为412mm），管壁厚度为4mm；90°弯头2个柴油发电机十大品牌，45°弯头1个。

      由康明斯发电机组KC1800GF参数资料查取：排烟量Q＝420m3/min＝7m3/s，排烟温度T＝520℃，发电机的较高允许背压值［P］＝5.6kPa。

      式中：L——直管当量总长度；Q——排气流量；D——排烟管直径；T——排烟温度。柴油发电机组T＝520℃。

      由V消如图2所示（流速/阻力曲图）查出消声器的阻力值F阻＝300（毫米水柱），则消声器排气背压P消的计算公式如下

      发电机的较高允许背压值［P］＝5.6kPa＞5.06kPa，因此，竖直向上的排烟管扩大至内直径为412mm的排气管道满足要求。另外，考虑到排烟管道的热胀冷缩问题，一般需在每15～20m处设一伸缩节（伸缩度不小于5cm）。

      规划时要合理布置烟管走向，尽量缩短烟管长度，可以减少烟管沿程阻力，同时通过绘制综合管线图，防范管道交叉，减轻弯头数量，减轻烟管局部阻力。

      柴油发电机排气机构增加后解决，管路的布置及部署形式会对柴油发电机排烟背压产生一定的危害，因此，结合整机经验值及目标预估值选择背压值点，通过台架试验探求背压的变化对柴油发电机的危害，为排气装置的设计供应数据支持及指导。

      本次试验购买康明斯4BTA3.9-G2型直列四缸柴油发电机作为试验样机。该试验所需详细设备还包括：排烟背压正弦波自动调节机构、AVL测功机、烟度计、排放综述仪、AVL燃烧简述仪和各种传感器等。试验装备连接示意框图如图3所示，排气背压正弦波自动调节机构组成如图4所示。

      柴油发电机排烟背压正弦波自动调整装置用于柴油发电机排气背压试验时，背压自动调节为正弦波，且周期及背压基值可设定；将压力调整从一个压力值到下一个压力值时，能够拟和目标曲线平缓过过渡，杜绝压力震荡现状，不因试验装置的缺陷引起试验结果的误差；自动控制时，实现参数自学习、自修正、自动控制输出，减轻操作人员的使用难度和专业要求；实时记录压力、温度、阀门开度等数据用于试验结果叙述。工作原理如图2所示，通过将压力波动分为若干波段，波动压力段分别调用比例积分微分控制面板指令，根据排烟管路反馈压力值，输出控制指令，驱动电动调整阀调整，且采集电动调整阀位置反馈信息，结合压力波动的较大、较小界限值闭环联动控制电动调节阀调整。压力分为若干波段时，即会出现若干个压力目标值，使用pid调节时，需要每个压力点都设置pid的数据，数据调试步骤繁琐复杂；柴油发电机在不一样速度或负荷的作业状态时，所对应的较优数据必定不同，即改变柴油发电机状态时，又需要再次修改参数，数据调节参数量较大，参数设置需要一定的专业人员来完成；采用pid调节控制，在每个目标压力点都会出现一定的超调现象，且压力目标一直在变化中，即在每个压力点都会有一定的波动。

      首先对柴油发电机性能潜能进行摸底试验，确定潜能值大于性能目标值；确定目标值小于潜能值之后，分别在不一样的试验工况点对控制步骤进行调整，保证各工况点均能达到性能目标值，考虑台架试验的误差波动（功率波动范围为1±5%，功率波动范围为1±6%）。分别从增压压力、油耗率和涡后温度进行对比综述，得出关于背压影响的结论。参考整机数据及目标值，确定不同背压试验工况点如表2所示。

      试验后对试验参数进行整理，得出试验结果如图5所示的增压压力曲线可知，随柴油发电机转速的增加，增压压力呈现增加趋势。在低速段（1000转/分~1400转/分）增压压力增加较为迅速，为增压器高速级启动并产生功能，促进低速段的增压压力提高；当转速达到2200 转/分时，增压压力进一步延迟，在2600转/分时达到180 kPa，此后增压压力较为平稳；当转速达到3400转/分，背压为65kPa和75kPa工况，增压压力平缓，而背压为85kPa与90 kPa工况，增压压力出现下滑，并在4000转/分减轻至144 kPa。

      图6所示为燃油消耗率曲线可知，随着背压值的升高，在速度≤2000 转/分时，燃油消耗率变化较小，略有提升；当速度2000转/分时，燃油消耗率随背压值的升高而明显增加；当转速≥3200 f/min时，背压为85kPa与90 kPa的燃油消耗率提高幅度较大，较大油耗率为261g/（kW·h），而背压值为65kPa与7 5kPa的燃油消耗率区别较小，均不大于240g/（kW·h）。

      图8为增压器转速曲线转/分开始，背压值为85kPa和90kPa工况下，增压器高速级速度明显提升，且随柴油发电机转速的增加，背压值越高，增压器高速级转速越高，即在柴油发电机高转速段排气能量不能完全通过旁通阀泄掉，同时提高泵气损失，在高背压值工况下推动高压级再次介入作业，但作业效率下降，增压压力降低；低压级则未发生较大转速波动。

图5  柴油发电机增压压力曲线  柴油发电机燃油消耗率曲线  柴油发电机增压器涡后温度曲线  柴油发电机增压器转速曲线图

      随着背压值的增大，柴油发电机运转流程中增压器运行模式偏离布置运转模式，在背压85 kPa与90 kPa时发生柴油发电机高转速而增压压力下降的情形；燃油消耗率在背压85 kPa与90 kPa工况下发生较大幅度上升，较高值达到261g/（kW·h）；涡后温度则在背压75 kPa与85 kPa时产生较大幅度提升，背压90 kPa工况涡后温度提高幅度较小。综合比较上述3个指标，柴油发电机在背压值为75 kPa时具有偏低的燃油消耗率，较高的涡后温度以及稳定的增压压力，在保证燃油经济性的同时有助于DPF再生，为排烟机构背压目标值的选定提供参数参考。