危害柴油发电机排气背压的因素和计算公式

摘要：影响柴油发电机排烟背压的因素详细有排气管的直径、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，还需要考虑因使用时间较长而产生的烟垢和变质造成管道阻塞而增大的排烟阻力。因此，柴油发电机排烟系统应尽量减小背压，因为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，可以通过排气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小议了排烟背压过高的缘由，以及排气背压计算公式和试验方法。

      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结构部分。但是，由于燃料组成以及柴油发电机燃烧程序等原因，其尾气排放物中颗粒物（PM）和氮氧化物（NO）为主要污染物。随着排放规范的加严康明斯发电机厂家电话，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，因此后排除技术进入探讨人员的视野范围。

      当前，后解决技术多采用DOC、DPF以及SCR，其中DPF的再生选取被动再生程序排温需高于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，后处理技术的增加不可防止地造成排气系统背压的变化，背压的变化危害柴油发电机的功率损失和排气装置的噪音水平康明斯室外柴油发电机。背压增大，造成柴油发电机动力性和燃油经济性的下降；背压降低，使得排气装置的噪声水平减少，规划及制造成本增加。因此，后处理装置的规划及布置形式与背压之间的关系应作出合理的取舍。

      排气背压对柴发机组的发电效率和负荷能力有着重要的影响康明斯发电机参数表。因此，在柴油发电机的规划和装配程序中，要充分考虑背压的大小和危害条件，以确保柴油发电机的正常运转和高效发电。

      柴发机组排气背压计算具体由由排气管、消声器和尾气系统三部分构造。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——排烟管的总排气背压（kPa）；L——排气管直管当量总长度（m）（见表1）；T——排烟温度（℃）；Q——每秒钟排烟量（m3／s）；D——排气管内径（m）。

      为了在运用中设计正确合理的排气管道及其较小口径，达到既符合机房总体布置和规划要求，又保证整个系统的排气背压不至于超过发电机组较大允许范围的目的。在进行排气装置计算时，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、极限背压值等参数可由发电机组技术要求中查找。

      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使用了消声器，则计算排气装置总背压P时，除了应考虑排烟管的背压P排，还应考虑消声器的排气背压P消。消声器的排气背压P消的计算方式如下

      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，则消声器排烟背压P消的计算公式

      排气系统总背压P等于排气管的背压P排与消声器的排烟背压P消之和，

      在排气系统的设计和装配中，必须保证系统许用背压［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］——装置许用背压值（kPa）；P——排烟系统总背压（kPa）。

      如果无法满足P＝（P排＋P清）≤［P］，会造成高排气背压的情况产生，则必须将排烟管口径进行扩大，以减少排气系统总背压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）  

      以某一机房排气背压计算为例。机房内规划装配康明斯发电机组，发电机为KC1800GF，购买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，考虑排气管总长度较长，为防范高背压，竖直向上的排气管扩大至管径ф377（内直径为412mm），管壁厚度为4mm；90°弯头2个，45°弯头1个。

      由柴油发电机组KC1800GF数据资料查取：排烟量Q＝420m3/min＝7m3/s，排气温度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——排烟流量；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），则消声器排烟背压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，竖直向上的排气管扩大至内直径为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）。

      设计时要合理规划烟管走向，尽量缩短烟管长度，可以减小烟管沿程阻力，同时通过绘制综合管线图，避免管道交叉，降低弯头数量，减小烟管局部阻力。

      柴油发电机排烟系统增加后解决，管路的布置及设计形式会对柴油发电机排烟背压发生一定的危害，因此，结合整机经验值及目标预估值选取背压值点，通过台架试验探讨背压的变化对柴油发电机的危害，为排烟系统的设计提供数据支持及指导。

      本次试验选用康明斯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：排气背压正弦波自动调节装置、AVL测功机、烟度计、排放详述仪、AVL燃烧详解仪和各种感应器等。试验装置连接示意框图如图3所示，排气背压正弦波自动调节系统结构如图4所示。

      柴油发电机排烟背压正弦波自动调整系统用于柴油发电机排烟背压试验时，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，杜绝压力震荡现象，不因试验装备的弊端致使试验结果的误差；自动控制时，实现参数自学习、自修正、自动控制输出，减少使用人员的使用难度和专业要求；实时记录压力、温度、阀门开度等参数用于试验结果浅析。作业机理如图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屏指令，根据排气管路反馈压力值，输出控制指令，驱动电动调整阀调节，且采集电动调节阀位置反馈信息，结合压力波动的较大、较小界限值闭环联动控制电动调整阀调整。压力分为若干波段时，即会出现若干个压力目标值，使用pid调整时，需要每个压力点都设置pid的数据，数据调试过程繁琐复杂；柴油发电机在不一样转速或负荷的作业状态时，所对应的较优参数必定不一样，即改变柴油发电机状态时，又需要再次修改参数，参数调节数据量较大，数据设置需要一定的专业人员来完成；采用pid调整控制，在每个目标压力点都会产生一定的超调情形，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途径进行调节，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（容量波动范围为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分述，得出关于背压影响的结论。参考整机参数及目标值，确定不同背压试验工况点如表2所示。

      试验后对试验数据进行整理，得出试验结果如图5所示的增压压力曲线可知，随柴油发电机速度的增加，增压压力呈现增加趋势。在低速段（1000转/分钟~1400转/分钟）增压压力增加较为迅速，为增压器高速级启动并发生功用，促进低速段的增压压力提高；当转速达到2200 转/分钟时，增压压力进一步延长，在2600转/分钟时达到180 kPa，此后增压压力较为平稳；当转速达到3400转/分钟，背压为65kPa和75kPa工况，增压压力平缓，而背压为85kPa与90 kPa工况，增压压力发生下滑，并在4000转/分钟减轻至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/分钟时，燃油消耗率变化较小，略有增强；当速度2000转/分钟时，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的燃油消耗率增强幅度较大，较大油耗率为261g/（kW·h），而背压值为65kPa与7 5kPa的燃油消耗率差别较小，均不大于240g/（kW·h）。

      图8为增压器速度曲线转/分钟开始，背压值为85kPa和90kPa工况下，增压器高速级速度明显增强，且随柴油发电机速度的增加，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速度波动。

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  柴油发电机增压器速度曲线图

      随着背压值的增大，柴油发电机运行流程中增压器运行模式偏离规划运行模式，在背压85 kPa与90 kPa时产生柴油发电机高转速而增压压力下降的现状；燃油消耗率在背压85 kPa与90 kPa工况下产生较大幅度上升，较高值达到261g/（kW·h）；涡后温度则在背压75 kPa与85 kPa时产生较大幅度提高，背压90 kPa工况涡后温度提升幅度较小。综合比较上述3个指标，柴油发电机在背压值为75 kPa时具有较低的燃油消耗率，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，为排气系统背压目标值的购买提供数据参考。