苏州儒诚机电设备工程有限公司
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如何计算柴油发电机组排气背压

排气系统

1 概述及原则

苏州发电机排气系统的功能是将废气安全地排放到户外,并使废气、灰尘、噪音等远离建筑物和人群(参见下图)。对康明斯发电机组而言,为了输出额定功率,必须仔细考虑排气系统的气流特征,本节为用户提供了排气系统安装准则。必须满足如下基本要求:

Ø按照康明斯推荐的方法检查时,整个排气系统的排气背压不应超过柴油机性能数据单上所规定的极限值。

Ø排气系统的零部件不应由于其自身的重量、惯性、零部件之间的相对运动以及由于热膨胀而产生的尺寸变化而对排气歧管或增压器施加过大的应力。

Ø排气系统必须能防止来自地面飞溅泥水、雨水、冲洗时的水或其它水源进入柴油机或增压器。

Ø柴油机的排气不允许对空滤器的功能、冷却系统的效率和柴油机周围的环境以及操作人员产生有害的影响。

为了操作人员的舒适性和环境的可接受性,在安装中应特别强调噪音控制的重要性。在排气系统中增加安装排气消声器就是噪音控制的手段之一。虽然排气消音器会增加排气系统的排气背压,但合理的选择和安装排气消音器,则能以最小的排气背压获得所要求的降噪水平。


图1 典型排气系统(I)

 图2   典型排气管道

2 排气消声器的选型和原理

主要的排气噪音产生于柴油机燃烧废气由排气门排向排气管的时候。气流特征导致了废气的振动和压力波。气体流动的压力波形成了一种能量,消耗或吸收这种能量并减少或限制压力波是可能的,大多数的排气消声器既吸收声音的能量又和进入的声波起作用以减少声压。吸收性的排气消声器靠吸音材料减弱声音,而这种材料不会把声波的能量反射回排气管中。玻璃纤维就是这样一种吸音材料。可是,大多数的吸音材料都没有固定在某个地方的结构强度并且容易被气流吹走。因此,在很多发电机组应用中都没有使用吸收性的排气消声器。一种反射消散性的排气消声器利用反射压力波来减少声音的能量。如果压力波以给定的频率和波幅沿一个方向流入,这时,在这个方向上利用相同的波与之相对抗的话,两种波相互抵消,在各自离开排气消声器时能量得到了消耗,或者说波幅得到了减少。为覆盖宽阔的频率范围,排气消声器内做成了各种尺寸的反射声流的空腔,排气消声器可以允许通过缝隙或孔眼的泄漏来消散声波,以便减少声波的能量。

排气消声器的选择受许多因素影响,例如:可利用的空间范围、成本费用、要求降低噪音的程度、所允许的排气背压大小、可用性、外形尺寸、与其它零件或人的接近性等。

Ø通常增大消声器的尺寸将改善消声效果。

Ø最为常用的是圆形消声器,因为它具有包容声音的最大倾向而不是允许声音通过平的表面逃散出去。一种双层卷管和双层壁的消声器也能包容声音。

Ø柴油机性能数据单列有标准可接受的排气管直径,它可用来作为消声器的进口直径。从外表美观和防腐蚀性而言,一般情况下使用的管材是表面镀铝的低碳钢和不锈钢。

Ø公司可以为用户提供不同种类的排气消声器,一般随机提供了降低15~20dBA工业用排气消声器,也可以提供降低20~30dBA民用住宅用排气消声器。

Ø通常圆形消声器的两端作为进气口和排气口。有时为了简化排气管路的安装,也常把进气口或排气口放在排气消声器侧面。

Ø为减少冷凝物腐蚀,排气消音器安装时应尽可能靠近发动机,以便迅速加热。

Ø消音器和排气管应使用吊架(或支架)承重,严禁使用发动机排气弯头承重。否则会损坏发动机排气管,降低涡轮增压器寿命。

3 排气管路的布置

Ø发电机组安装时为吸收热膨胀机组位移和振动,175KW以上的发电机组排气口至少600mm以上的可自由伸缩的不锈钢波纹管。150KW以下发电机组排气口也应接有400mm以上的波纹管作为过渡连接。

Ø波纹管严禁用来充当弯头和补偿管道安装误差。

Ø排气管推荐使用40号黑铁皮管。

Ø每台柴油机的的排烟管应单独引出室外;宜架空铺设;

Ø排烟管弯头不宜过多,尽可能选择半径大一些的弯头。

Ø水平铺设的排烟管道宜设0.3-0.5%的坡度,坡向室外,并在管道最低点安装排污阀;

Ø在符合发动机排气管背压限制前提下,建议整个排气系统管道公称直径尽可能和发动机排气口保持一致。禁止使用直径小于排气口的管道。因为粗管道更易遭受冷凝腐蚀,同时还会扩大废气排量造成功率损失。排气系统管径变化越小,摩擦损失也越小。

Ø建议对架空铺设的排气管、消音器实施绝热隔离,且踞地面2m以下隔热层厚度不应小于60mm;避免意外接触着火或自动灭火设备的误起动,减轻冷凝腐蚀和对机组房间的热辐射。

Ø排气管和易燃建筑物至少应间隔229mm。必须穿越墙壁和天花板时,排气管应加装阻燃绝热套筒。

Ø即便冷却液温度很低,也不可以覆盖发动机排气歧管和涡轮增压器壳,否则会导致温度过高而烧毁排气管和涡轮增 压器。

Ø室温下温度每升高37.7 C,每英尺排气管约膨胀1.14mm/m×100℃。

Ø建议使用不锈钢波纹管吸收长直管的热膨胀。

Ø平置排气管应有坡度,低端远离发动机,伸向户外部分,在直管正下方应预留冷凝水收集器。

Ø冷凝排水口和塞子应装在排气管垂直转向处。

Ø如果排气管必须向上弯曲时,在往上升的起始点位置设置排水栓。

Ø建议排气系统安装于建筑物背风处,尽可能高一些, 便于废气排放。

Ø排气系统的末端应远离建筑物及空调进风口,避免染黑墙壁和窗户及造成空调新风污染。

Ø建议排气管末端至少应高于地面3m,离外墙或屋顶1m,离建筑物入口3m,高出邻近建筑物至少3m。

Ø排气系统的排气口应加防护装置以防止雨水进入排气管内,垂直向上排气口应加装自动翻转防雨帽。排气口的安装位置应该仔细考虑,特别要防止在机组运行一段时间后,排气积碳附着在排气口附近的建筑物上。

Ø发电机组一般不能同其他设备共用排气系统(包括其他发电机组)。烟尘、腐蚀性冷凝液和高温废气均能损坏通用设备。在多台发电机组安装中,每台柴油机的排气同时进入一根公共的排气管是需要特别注意的问题,如果一台或多台柴油机工作时,废气可能进入没有工作的柴油机内。每台柴油机的排气管道中不允许安装单向阀门。

4 排气系统的弯曲力矩

附属于柴油机的排气系统零件只能支承适当的管路负荷而不是整个排气系统。柴油机增压器装有精密配合的轴承和叶轮,工作转速很高,具有较大的泵气量。在设计时没有考虑用它来支承长的排气管或消声器。在增压器排气法兰口测量,其能承受的最大弯矩是47.46N.m,而不能支承过度的弯曲扭矩和应力。

在目前的柴油机安装中,多采用标准管径和重量的排气管,一般要求在离增压器1.22m长的管路内应设置一个支承。在有高冲击负荷的情况下,支承设计的距离还应缩短。在没有辅助支承的情况下,不允许将消声器和排气制动器直接安装在柴油机上。

5 排气背压

Ø大部分康明斯发动机容许最大排气背压:3英寸(76mm)汞柱。但一些新研制的,考虑到环保要求的发动机排气背压限制为 2 in Hg (51 mm Hg),如Q30、QV系列、KTA50G8/G9,等等。

Ø排气管背压严禁超过样本许可值。过高背压会产生高温废气和烟尘,降低发动机的功率和使用寿命。并且在这种情况下,由于柴油机气缸不能完全排除废气而使空燃比减小,燃油经济性下降,排气温度增加。虽然增压型柴油机因进气管内存在正压而所受到的排气背压的影响较小,但所设计的柴油机排气系统具有最小的排气阻力是非常重要的。因此,确定排气系统布局之前应估算发动机废气背压;机组正式投入运行前应实测满载运行时排气口背压值。

Ø在某一特定的柴油机安装中,排气背压的大小取决于排气管尺寸、弯管和接头的数量以及消声器的选择和安装位置。急剧拐弯的弯头通常对排气背压大小的影响最大。

废气排放流量和温度

发动机

备载排气流量

(升/分)

备载排气温度

(C)

常载排气流量

(升/分)

常载排气温度

(C)

NT855G4

857

513

753

488

NT855G5

788

535

732

518

NT855G6

1156

607

1071

574

NTA855G1

1156

607

1071

574

NTA855G2

1119

499

986

485

NTA855G4

1225

541

1128

524

NTA855G6

1312

487

x

x

KTA19G2

1241

529

1194

524

KTA19G3

1489

532

1345

524

KTA19G4

1604

557

1463

538

VTA28G5

2048

507

1987

493

QST30G1

2170

538

1995

527

QST30G2

2526

557

2216

538

QST30G3

2720

563

2430

541

QST30G8

3212

509

2880

472

KT38G

2048

507

1987

493

KTA38G3

2780

570

2522

560

KTA38G5

3306

513

3051

499

KTA50G3

4011

525

3728

520

KTA50G8

4346

510

3845

482


表1   典型废气排放流量和温度

 6 计算排气背压:

图3   典型带弯头的排气管道系统


例:一个典型的275KW排气系统布置如图3所示,在发动机的排气口有一长24英寸、直径为5英寸的柔性波纹管,随机配套工业级消声器进口直径为6英寸,长8m的6英寸管和两个直径为6英寸的弯头。发电机组允许最大排气背压为41英寸水柱。

系统中的每个部件(柔性管、消声器、弯头和管路)都对排气背压有影响,应用所有背压的总和与最大允许背压进行比较。

1
确定排气消声器的背压。图4是典型消声器的排气背压。

A
计算消声器进口的截面积为0.1963FT2

B
由表1查出废气排放流量为2370CFM;

C
排气流量除以截面积得到气流速度:   速度=2370/0.1963=12073FPM。

D
由图4中查出工业级消声器引起的排气背压为10.5英寸。

2
 用表2查找所有接头的等效长度和柔性管的截面积。

表2   各种接头等效相同直径的直管长度(英尺)

3
根据给定排气流量和管路长度得到系统中每个部件的排气背压。本例中,使用了5英寸和6英寸的管子,图4-6显示,5英寸管引起的背压约为0.28英寸水柱,6英寸管引起的排气背压约为0.12英寸水柱。

4
将例子中所有元件的背压相加,如下:


消声器……………………………………………………………………………… 10.5

24英寸长5英寸波纹管 0.284ft………………………………………………….1.1

8m长6英寸直管 0.1231.5ft…………………………………………………….3.78

6英寸标准弯管 0.1216ft……………………………………………………….1.92

总的排气背压………………….……………………………………………………17.3


5
计算表明管路布置的排气背压是合适的,因为背压总和小于最大允许排气背压41英寸水柱。


Ø可以使用康明斯公司计算排气背压的软件GENCALC计算废气背压

Ø如果需要对康明斯增压柴油机的排气系统进行排气背压检查,则按照下列试验方法进行。

a
将量程超过40英寸水柱[3英寸汞柱]的压力表,连接入排气管路中。连接部位要在靠近排气歧管的出口直线管段上,可将一连接凸台焊接到排气管路的直线管段上,然后在凸台上通过其中心钻出一1/8英寸[3.125mm]小孔,即可得到与气压计的连接点。此连接位置最好在距离管道有变形或气流方向上有变化处二倍管径以外的直线管段上,因为靠近排气歧管处连接点的方向或位置的变化,均可能引起错误的读数。

b
为了确认在读取排气背压时,柴油机确实处于“全增压”的工作状态,可将一50英寸刻度或更大读数范围的水银压力计接入到空气跨越管的管道内,也就是可接到刚好位于进气歧管和空气跨越管法兰上的螺塞处。

c
起动柴油机,使之在全负荷额定转速下工作,并使其稳定工作一段时间,一直到附加接在空气进气跨越管处的压力表稳定为止,然后记录排气背压压力表的读数,这就是该排气系统管路的总排气背压。如果测得的排气背压值在性能数据单所规定最大允许极限值范围内,则该排气管路系统是良好的,否则,就必须采取设计措施,使排气背压满足规定的要求。


 图4   废气排放速度与排气背压的关系曲线

 图5 不同直管通径的废气排放流量与排气背压关系曲线


1120KW康明斯机组(KTA50G3)的管路计算:


按照排烟管长度50m计算,中间有6个弯头,选用8吋烟管,6吋波纹管,8吋消音器:(2根)

KTA50G3发电机组的排气流量为3728l/s(7900cfm),排气温度为520°C,最大允许排气背压为3inHg(41英寸水柱)


发电机组压力损失:

1、确定排气消声器的背压。

E
计算消声器进口的截面积为0.3482FT2

F
废气排放流量为7900CFM;(2根排烟管各分一半,为3900CFM)

G
排气流量除以截面积得到气流速度:   速度=3900/0.3482=11200FPM。

H
由图4中查出工业级消声器引起的排气背压为7.5英寸。


8吋消声器



7.5英寸水柱

24吋长6吋波纹管

0.3英寸水柱/英尺

4英尺

1.2英寸水柱

8吋标准弯头

0.065英寸水柱/英尺

21英尺X6个

8.19英寸水柱

8吋排气管

0.065英寸水柱/英尺

50m(164英尺)

10.66英寸水柱





总排气背压



27.55英寸水柱

总的排气背压小于最大允许排气背压值,如上配置管路是可行的。