新聞主題	影響柴油發電機排氣背壓的因素和計算公式

 

摘要：影響柴油發電機排煙背壓的因素主要有排煙管的直徑、長度、彎頭及其內部表面的光滑程度，管子超長、彎頭過多、內部表面粗糙都會增加排煙背壓，此外，還需要考慮因使用時間較長而產生的煙垢和變質造成管道阻塞而增大的排煙阻力。因此，柴油發電機排煙系統應盡量減少背壓，因為廢氣阻力的增加將會導致柴油機輸出功率的下降及溫升的增加，可以通過排氣管道讓排出的氣體自由地流動以減少排氣背壓。康明斯公司在本文中分析了排氣背壓過高的原因，以及排氣背壓計算公式和試驗方法。

 

一、造成高背壓的主要因素

 

      柴油機具有熱效率高，油耗低的特點，是傳統能源動力機械不可或缺的組成部分。但是，由于燃料組成以及柴油機燃燒方式等原因，其尾氣排放物中顆粒物（PM）和氮氧化物（NO）為主要污染物。隨著排放法規的加嚴，單純采用米勒循環及燃燒室優化等機內凈化技術不足以滿足法規要求，因此后處理技術進入研究人員的視野范圍。

      當前，后處理技術多采用DOC、DPF以及SCR，其中DPF的再生選用被動再生方法排溫需高于240℃，主動再生排溫需高于540℃，SCR凈化NO，窗口溫度為230℃~500℃，對柴油機排氣溫度提出了一定的要求。與此同時，后處理技術的增加不可避免地造成排氣系統背壓的變化，背壓的變化影響柴油機的功率損失和排氣系統的噪聲水平。背壓增大，造成柴油機動力性和燃油經濟性的下降；背壓減小，使得排氣系統的噪聲水平降低，設計及制造成本增加。因此，后處理系統的設計及布置形式與背壓之間的關系應作出合理的取舍。

      柴油發電機背壓的影響因素如下：

（1）排煙管的直徑太小。

（2）排煙管過長。

（3）排煙系統彎頭過多。

（4）排煙消聲器阻力太大。

（5）處于某種臨界長度，壓力波導致高阻力。

      排氣背壓對柴油發電機組的發電效率和負荷能力有著重要的影響。因此，在柴油發電機的設計和安裝過程中，要充分考慮背壓的大小和影響因素，以確保柴油發電機的正常運行和高效發電。

 

二、排煙系統的背壓計算方法

 

      柴油發電機組排煙背壓計算主要由由排煙管、消聲器和尾氣裝置三部分構成。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、計算公式

（1）排煙管背壓的計算

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——排煙管直管當量總長度（m）（見表1）；T——排煙溫度（℃）；Q——每秒鐘排煙量（m³／s）；D——排煙管內徑（m）。

      為了在應用中設計正確合理的排氣管道及其最小口徑，達到既符合機房總體設計和布置要求，又保證整個系統的排氣背壓不至于超過發電機組最大允許范圍的目的。在進行排氣系統計算時，可先作這樣的設定：發電機組標準配置的波紋避振節、工業型消聲器等同于同管徑的直管，彎頭折算成直管當量長度（見表1），把以上三項和連接直管的長度相加后用排氣管道背壓的計算公式計算背壓，可使整個計算簡化，并不失計算精度。排煙流量、排煙溫度、極限背壓值等數據可由發電機組技術參數中查找。

表1    直管當量長度表

（2）消聲器背壓P_消的計算

      由于現實施工及周圍環境對噪聲要求的限制，在機房設計中通常都使用了消聲器，則計算排煙系統總背壓P時，除了應考慮排煙管的背壓P_排，還應考慮消聲器的排煙背壓P_消。消聲器的排煙背壓P_消的計算方法如下

      先計算消聲器的管流速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_消的計算公式

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

（3）排煙系統總背壓P的計算

      排煙系統總背壓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）  

      在排煙系統的設計和安裝中，必須保證系統許用背壓［P］大于或等于排煙系統總背壓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］——系統許用背壓值（kPa）；P——排氣系統總背壓（kPa）。

      如果不能滿足P＝（P_排＋P_清）≤［P］，會造成高排氣背壓的情況出現，則必須將排煙管口徑進行擴大，以減小排氣系統總背壓P，直至發電機組最大允許范圍內。

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

2、排氣背壓的計算示例

      以某一機房排氣背壓計算為例。機房內設計安裝康明斯發電機組，發動機為KC1800GF，選用14”住宅型消聲器，住宅型消聲器前面有一工業型消聲器，一波紋管避振節。機房內排煙管長度為11m，管徑為φ377（內直徑為369mm），管壁厚度為4mm；伸出外墻豎直向上的排煙管長度為36m，考慮排煙管總長度較長，為避免高背壓，豎直向上的排煙管擴大至管徑ф377（內直徑為412mm），管壁厚度為4mm；90°彎頭2個，45°彎頭1個。

      由康明斯發電機組KC1800GF數據資料查取：排煙量Q＝420m³/min＝7m³/s，排氣溫度T＝520℃，發動機的最高允許背壓值［P］＝5.6kPa。

（1）機房內排氣管當量長度

L₁＝11m＋2（彎頭）×5.32m＋1（彎頭）×2.44m＝24.08m

      豎直段排氣管長度

L₂=16m

（2）排氣管背壓P_排的計算

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

      式中：L——直管當量總長度；Q——排氣流量；D——排氣管直徑；T——排氣溫度。康明斯發電機組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算

      先計算消聲器的管流速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_消的計算公式如下

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

（3）排氣系統的背壓

P＝P_排1＋P_排2＋P_消＝1.38＋1.18＋2.5＝5.06kPa

      發動機的最高允許背壓值［P］＝5.6kPa＞5.06kPa，因此，豎直向上的排煙管擴大至內直徑為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題，一般需在每15～20m處設一伸縮節（伸縮度不小于5cm）。

      設計時要合理布置煙管走向，盡量縮短煙管長度，可以減小煙管沿程阻力，同時通過繪制綜合管線圖，避免管道交叉，減少彎頭數量，減小煙管局部阻力。

 

圖1  柴油發電機組排氣背壓點分布圖

圖2  柴油發電機排氣流速和阻力曲線圖

 

三、排氣背壓試驗方法

 

      柴油機排氣系統增加后處理，管路的設計及布置形式會對柴油機排氣背壓產生一定的影響，因此，結合整機經驗值及目標預估值選取背壓值點，通過臺架試驗研究背壓的變化對柴油機的影響，為排氣系統的設計提供數據支持及指導。

1、試驗設備

      本次試驗選用康明斯4BTA3.9-G2型直列四缸柴油發電機作為試驗樣機。該試驗所需主要設備還包括：排氣背壓正弦波自動調節系統、AVL測功機、煙度計、排放分析儀、AVL燃燒分析儀和各種傳感器等。試驗設備連接示意框圖如圖3所示，排氣背壓正弦波自動調節系統結構如圖4所示。

      柴油機排氣背壓正弦波自動調節系統用于柴油機排氣背壓試驗時，背壓自動調整為正弦波，且周期及背壓基值可設定；將壓力調整從一個壓力值到下一個壓力值時，能夠擬和目標曲線平緩過過渡，杜絕壓力震蕩現象，不因試驗設備的缺陷導致試驗結果的誤差；自動控制時，實現參數自學習、自修正、自動控制輸出，降低操作人員的操作難度和專業要求；實時記錄壓力、溫度、閥門開度等數據用于試驗結果分析。工作原理如圖2所示，通過將壓力波動分為若干波段，波動壓力段分別調用比例積分微分控制器指令，根據排氣管路反饋壓力值，輸出控制指令，驅動電動調節閥調節，且采集電動調節閥位置反饋信息，結合壓力波動的最大、最小界限值閉環聯動控制電動調節閥調節。壓力分為若干波段時，即會出現若干個壓力目標值，使用pid調節時，需要每個壓力點都設置pid的參數，參數調試過程繁瑣復雜；柴油機在不同轉速或負荷的工作狀態時，所對應的最優參數必定不同，即改變柴油機狀態時，又需要再次修改參數，參數調整數據量較大，參數設置需要一定的專業人員來完成；采用pid調節控制，在每個目標壓力點都會出現一定的超調現象，且壓力目標一直在變化中，即在每個壓力點都會有一定的波動。

 

圖3  柴油機排氣背壓試驗設備連接示意框圖

圖4  柴油發電機排氣背壓調節系統

 

2、試驗步驟

      首先對柴油機性能潛能進行摸底試驗，確定潛能值大于性能目標值；確定目標值小于潛能值之后，分別在不同的試驗工況點對控制策略進行調整，保證各工況點均能達到性能目標值，考慮臺架試驗的誤差波動（功率波動范圍為1±5%，扭矩波動范圍為1±6%）。分別從增壓壓力、油耗率和渦后溫度進行對比分析，得出關于背壓影響的結論。參考整機數據及目標值，確定不同背壓試驗工況點如表2所示。

表2    試驗工況點

3、試驗結果

      試驗后對試驗數據進行整理，得出試驗結果如圖5所示的增壓壓力曲線圖。由圖5可知，隨柴油機轉速的增加，增壓壓力呈現增加趨勢。在低速段（1000r/min~1400r/min）增壓壓力增加較為迅速，為增壓器高速級啟動并產生作用，促進低速段的增壓壓力提升；當轉速達到2200 r/min時，增壓壓力進一步增長，在2600r/min時達到180 kPa，此后增壓壓力較為平穩；當轉速達到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，在轉速≤2000 r/min時，燃油消耗率變化較小，略有提升；當轉速>2000r/min時，燃油消耗率隨背壓值的升高而明顯增加；當轉速≥3200 f/min時，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，背壓值為90 kPa時渦后溫度的提升幅度最小。背壓值為75kPa與85kPa時，渦后溫度的提升幅度較大，且在這兩個工況下提升幅度大致相等。

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

 

圖5  柴油機增壓壓力曲線圖	圖6  柴油機燃油消耗率曲線圖
圖7  柴油機增壓器渦后溫度曲線圖	圖8  柴油機增壓器轉速曲線圖

 

總結

      隨著背壓值的增大，柴油機運行過程中增壓器運行模式偏離設計運行模式，在背壓85 kPa與90 kPa時出現柴油機高轉速而增壓壓力下降的現象；燃油消耗率在背壓85 kPa與90 kPa工況下出現較大幅度上升，最高值達到261g/（kW·h）；渦后溫度則在背壓75 kPa與85 kPa時出現較大幅度提升，背壓90 kPa工況渦后溫度提升幅度較小。綜合比較上述3個指標，柴油機在背壓值為75 kPa時具有較低的燃油消耗率，較高的渦后溫度以及穩定的增壓壓力，在保證燃油經濟性的同時有助于DPF再生，為排氣系統背壓目標值的選定提供數據參考。

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