摘要： 柴油发电机组燃烧时除了会产生大量热气外，还会产生大量燃烧废气，机组的排烟系统也就是将柴油机气缸燃烧后产生的废气排至室外。烟管是柴油发电机排气系统中的重要组成部分，但它的安装过程却往往被人忽视。错误的安装会造成支架的变形，柴油发电机效率下降、引发安全事故等不良后果。本文系统阐述排烟系统的技术要求（法兰及波纹管、弯头及保温层、减震吊架、尾气处理装置及阻力计算方法），详细说明排烟系统的施工方案（消除管道膨胀、烟管保温、消声及防震措施），并归纳排烟管的布置规范与安装注意事项，为排烟系统的设计施工提供完整技术参考。
一、排烟系统的技术要求
柴油发电机组的排烟系统由消声器、膨胀波纹管、吊杆、管道、管夹、联接法兰、抗热接头等部件组成。
1. 基本要求
（1）法兰及波纹管。在排烟系统中的连接须使用带抗热接头的联接法兰。在消声器后须连接碳钢或不锈钢波纹管，波纹管将烟气垂直向上排至室外。排烟管须由符合国标的黑色钢管、碳管或不锈钢管制作，或符合国家规范要求并由专业厂家生产的不锈钢焊接烟管。
（2）弯头及保温层。排烟管之弯头须具有等于3倍管径的最小弯曲半径，以满足柴油发电机组的背压要求为准。自排气口至排气管末端的整个系统，除不锈钢的膨胀波纹管外，均须涂以抗热油漆。整个排烟系统须于镀锌金属网上，以符合国家标准的非燃性绝缘材料保温，金属网孔径及保温层厚度亦需满足国家标准要求，排烟管加保温层后外表温度应不大于70℃。全部排烟管道和消声器的表面须裹以厚度不小于0.8mm的铝金属或不锈钢包层。
（3）减震吊架。整个系统须由吊杆悬挂，悬挂吊杆的设计须经批准。
① 侧向吊架：如图1所示，用以抵御侧向水平地震力作用。
② 纵向吊架：如图2所示，用以抵御纵向水平地震力作用。
（4）尾气处理装置。排气出口处所排出的废气烟色最高容许度不应高于林格曼黑度一度（Ringelmann Shade NO.1）、烟尘排放浓度不得高于80mg/m³，并须符合当地环保部门的规定。柴油发电机排放的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、烃等污染气体需满足GB 20426-2006的要求，达到欧II以上排放标准。
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图1 柴油机排烟管侧向支吊架示意图 |
图2 柴油机排烟管纵向支吊架示意图 |
2. 阻力计算方法
（1）绝大部分柴油发电机的允许背压为6.5kPa左右，因此烟管的布置以及管道长度、管径的大小必须以烟气的流动阻力不大于柴油发电机的允许背压为原则。过高的排烟阻力会造成柴油发电机的性能下降，油耗增大，出口烟气温度升高，机组运行无法达到标定的额定功率。烟管烟气的阻力可以由下面的经验公式计算：
式中，P为烟气流动总阻力（kPa）；P1为消声器阻力（查产品样本）（kPa）；P2为消烟净化器阻力（kPa）；P3为烟囱出口阻力（kPa）；P4为烟管沿程阻力以及局部阻力（kPa）。
（2）消声器属于柴油发电机的配件，它的阻力P1可以通过产品样本查得，一般阻力值介于1.1～1.4kPa之间。
（3）消烟净化器有水喷淋型和催化型两种。
① 水喷淋尾气净化系统。柴油发电机组主要用于机房的供电，而柴油发电机组其工作时会产生大量废气，废气的有毒物质较多，如果废气不经处理直接排放到大气中，会对大气造成较大的污染，且人体在吸入废气后，也会对身体造成较大的伤害。水喷淋型的净化器使用最为广泛，降温和去除烟色效果很好。按经验估算它的阻力大概介于1.2～1.5kPa之间（结构如图3所示）。
② SCR催化系统。柴油发电机组尾气净化系统清除尾气中的一氧化碳、碳氢化合物，柴油发电机组尾气过滤器监控控制系统用于实时采集系统的温度和背压信息，结构如图4所示。通过电控单元发出相应的脉宽调制信号给定量喷射阀，喷射阀根据信号对尿素进行计量，从而保证精确的尿素喷射到排气管；通过对系统烟气量和SCR反应器入、出口NOX和温度的分析确定供应尿素量的多少，在背压过高的情况下控制相应的旁通阀打开，使净化器稳定安全的运行，提高尾气净化率。
催化型的消烟器价格高昂，国内工程基本使用较少。基于环保的要求，在欧美国家柴油发电机的制造有更严格的标准，设备出口的烟气已达欧III标准以上，因此无需额外处理；由于国内相关法律、法规的缺位，发达国家出口到中国的产品并未执行相同的标准，因此烟气净化是必须的。
（4）烟囱出口阻力一般按经验估算，阻力值约为0.5kPa。
（5）由以上的经验公式可以看出，P1～P3的值基本保持稳定，约占柴油发电机允许背压的50%左右，因此减小P4的阻力成为施工阶段柴油发电机房工程承包商减小烟道阻力的主要手段。合理布置烟管走向，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，减少弯头数量，可以减少烟气的局部阻力。这样不仅可以使P4的阻力下降，还可以节约施工成本，对于总价包干的项目尤为重要。
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图3 柴油发电机组尾气净化系统 |
图4 柴油发电机尿素催化系统结构示意图 |
二、排烟系统施工方案
1. 消除管道膨胀
（1）正确选择金属波纹管。柴油发电机在额定工况下工作时的排烟温度一般在550℃左右，与烟管在安装时30℃的室内温度相比，温升高达520℃左右。查阅相关的资料可知，金属管道的热膨胀系数为1.13mm/（m×100℃），这就意味着即使是30m长的金属烟管在使用时的膨胀量也有176mm之多。如果不设置波纹管，烟管膨胀给设备、支架、建筑结构带来的破坏可想而知。因此必须根据烟管的长度、理论温升、金属管道的热膨胀系数等参数计算出烟管的轴向膨胀量，合理选择管道金属波纹管，使之足以抵消因温升引起的管道膨胀，保证系统的正常运行。
（2）金属波纹管及各类支架的布置。柴油发电机烟管大致包括金属波纹管、消声器、固定支架、导向支架、滑动支架等一系列的组件。波纹管安装如图5所示。
① 固定支架主要作用是限制管道位移，它不仅要承担烟管的重力，而且还要承担烟管由于热膨胀所产生的轴向应力，因此一定要对固定支架进行受力计算，保证支架牢固可靠，避免出现安全事故。
② 波纹管要靠近固定支架安装，另一端的第一导向支架应安装在距离波纹管4D（D为烟管的直径）的位置，第二导向支架距离第一导向支架的距离为14D，其间布置滑动支架，以便管道膨胀和收缩。滑动支架的布置间距应参照相应的国家规范、产品说明等情况确定。
③ 波纹管安装前首先按计算的补偿量进行预拉伸，以便消除因温升引起的管道膨胀。为减小波纹管和管道同轴度的公差，建议先敷设好管道，然后于波纹管安装位置处用风焊将管道切割掉一段（长度等于波纹管的自由长度加预拉伸量），再将波纹管安装上去，焊接牢固。安装完毕，拆除运输拉杆、限位螺母等，保证波纹管的所有活动部件不被卡死，使波纹管能够正常工作。
④ 烟囱出口的防水是柴油发电机烟管安装的重点之一，根据以往的施工经验，推荐按图6安装示意图施工。
特别提醒：由于烟管温度很高，在屋顶烟囱出口的周围应加设一定的防护设施，并于醒目位置悬挂“高温危险”的字样，防止造成人身伤害。
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图5 柴油发电机波纹管安装图 |
图6 柴油机排烟管穿越天面安装图 |
2. 烟管的保温
（1）保温材料的选择。柴油发电机满载时，烟气的温度高达550℃左右，国内的许多工程常采用玻璃棉管壳作为烟管的保温材料，但查阅各厂家的产品说明书并得到欧文斯科宁、CSR等世界著名品牌厂家的技术工程师的确认，这类保温材料的允许工作温度均小于480℃。以下表1所示是三种烟管常用保温材料的性能对比：
表1 柴油发电机组排烟管保温材料性能数据
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保温材料名称 |
传热系数 (W/m·K) |
容重 (kg/m³) |
最高工作温度℃ |
价格 |
|---|---|---|---|---|
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玻璃棉管壳 |
0.082 (300℃工况) |
64 |
450 |
适中 |
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岩棉管壳 |
0.189 (600℃工况) |
100 |
650 |
较低 |
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水合硅酸钙管壳 |
0.055 (700℃工况) |
170 |
650 |
较低 |
由上表可知，对于水喷淋处理前的烟管，由于没有采取降温措施，玻璃棉无法满足使用要求，在高温下将很快脆化，变为粉末，严重影响保温效果。而岩棉和水合硅酸钙两者均可在高达650℃的高温环境下正常使用，但水合硅酸钙管壳在高温下传热系数最低，保温效果最好，价格也比较便宜。因此，参照大使馆新馆柴油发电机烟管的设计，推荐使用水合硅酸钙管壳作为烟管的保温材料。
（2）保温施工要点。在保温层安装过程中，在烟管的轴向上每间隔2m左右应设置5～10mm的伸缩预留缝，并用石棉绳填充，用于消除轴向膨胀，避免烟管升温膨胀破坏保温层。在烟管的外壁绑扎一层细铁丝网，使水合硅酸钙保温半圆管壳间形成3～5mm的缝隙，用石棉绳填充，用于消除径向膨胀，避免烟管升温膨胀破坏保温层。
3. 消声器及防震
（1）消声。
① 燃烧噪音。气缸内雾化柴油等可燃气体剧烈燃烧，膨胀使曲轴等部件运动产生的噪声。
② 气体流动噪音。对于涡轮增压柴油发电机，气流高速流经气门，形成强烈涡流而产生巨大的噪音。
③ 机械噪音。机械活动部件相对运动产生摩擦和振动噪音。
柴油发电机产生的噪音频率以中、高频为主，因此烟管的消声器应对中、高频敏感，这是选择消声器的关键。由于市场上可供选择的耐高温消声器并不多见，且质量良莠不齐，因此推荐使用厂家配套的产品，既方便快捷，又可以保证质量。消声器外观如图7、图8所示。
（2）防振。烟管与柴油发电机间必须选用弹性不锈钢波纹管连接，避免柴油发电机的震动通过管道进行传递。在消声器以及消声器前的管段上加装弹簧减震吊码，以减小柴油发电机设备本体的震动对烟管的影响。烟管穿越墙身、楼板处加入弹性阻尼层填堵，建议选用HiLTi、3M等公司的软性防火填料填充。
4. 施工中的其它注意事项
（1）水平烟管保持0.5%的坡度，坡向立管，以防止雨水意外流入柴油发电机；并在立管的底部设置DN20的全金属阀门一个，用于暴雨后检查、放水。
（2）柴油发电机的烟管应当单独设置，不允许为了节省投资而两台或者多台柴油发电机共用一套排烟系统，即使型号完全相同的柴油发电机也必须单独设置排烟系统。
（3）屋顶烟囱出口应当避免朝向其他建筑物、通道等。并且排放前必须淡化烟色，降低排放污染，无论是使用管道式烟尘净化器或者水喷淋的方式，都必须通过国家有关部门的验收。
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图7 消声器上下二等角轴测图 |
图8 消声器左视图 |
三、排烟管的布置与安装
1. 布置规范
（1）必须通过波纹管与柴油发电机组排烟出口相连接以吸收热膨胀、位移和振动。
（2）消声器置于机房内时，根据其尺寸、重量可采用从地面支撑的办法。
（3）在烟管改变方向的部分，建议安装波纹管，以抵消柴油发电机组运行时管道的热膨胀。
（4）90°弯头的内弯半径应为管径的3倍。
（5）一级消音器尽可能靠近柴油发电机组。
（6）当管路较长时，建议在末端安装一后级消声器。
（7）排烟终端出口不能直对易燃物质或建筑物。
（8）柴油发电机组排烟出口不得承受重压，所有钢性管路应借助建筑物或钢结构得以支撑固定。
（9）为防止冷凝物倒流入柴油发电机组，平置的排烟管应有坡度，低端远离发动机；在消声器及其它任何有冷凝水滴流的管路部分，如烟管垂直转向处，应设置排水口。
（10）当烟管穿过易燃屋顶、墙壁或分隔物时，应加以隔热套筒及壁外套板。
（11）在条件允许的情况下，尽可能将绝大部分烟管布置在机房外以减少辐射热；室内的烟管应全部加装隔热护套。如果受安装条件限制，须将消声器及其余的管路皆置于室内时，应用50毫米厚的高密度隔热材料外加铝质护套将整个管路包扎隔热。
（12）管路支撑固定时应允许热膨胀的发生。
（13）烟管的终端应能避免雨水的滴落，可将烟管水平面伸出，出口修斜或安装防雨帽。
2. 排烟管安装注意事项
（1）要尽量短及少转弯。
（2）一般管的热膨胀度为1.33mm/（m·℃），因此温度自35℃升到500℃时，一条10m长的管道会延伸出50mm左右，所以在安装时要考虑用波纹管或滚轮式排气支撑系统。
（3）安装直管时要稍微向下方倾斜。
（4）用隔热材料包裹排气管及消音器，以避免柴油发电机房温度上升。
（5）不让排气管的重量施加在发动机上，减轻排气部件过大的振动疲劳应力。允许排气部件相对移动，例如因温度变化引起的热胀冷缩，任何结构件的塑性变形或柴油发电机组装在弹簧类避震器上产生的反力矩。
（6）排气软管若需隔热，则必须保证隔热材料不能妨碍排气软管自由胀缩。
（7）如排气管过长，必须采用限位装置，使其只能向自由端延伸。
（8）所有排气管在焊接后，必须将管内焊渣处理干净后才可放回安装及使用。
（9）多台康明斯柴油发电机组共用一根烟管排气是不允许的，因为运行柴油发电机组烟气中的水气会进入不运行的柴油发电机组中，最终冷凝造成发动机损坏。
总结： 柴油发电机组排烟系统应独立设置、严禁多机共用，选用水合硅酸钙管壳（传热系数0.055W/m·K，工作温度650℃）作为保温材料，排烟管加保温层后外表温度≤70℃。波纹管须按热膨胀量（30m烟管膨胀量约176mm）选型并预拉伸，固定支架须进行受力计算。排烟阻力应控制在背压6.5kPa以内，其中消声器阻力1.1～1.4kPa，净化器阻力1.2～1.5kPa。排烟管道应设0.5%坡度坡向立管，90°弯头内弯半径为管径3倍，穿越墙身处设隔热套筒和弹性阻尼层。排烟系统按阻力公式 核算总阻力，确保不超过允许背压。
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