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柴发机房地基、冷却、进排风、排烟、供油系统设计大全
发布时间:2022-02-26 23:39:34  ▏阅读:

摘要:市电断电期间给用户应急供电的柴油发电机组(以下简称柴发)通过发动机内部燃烧柴油将化学能转换成机械能,然后进一步通过发动机驱动发电机将机械能转换成电能。如图1所示,机组发电是化学能向机械能和热能转换的动态平衡过程,即柴油发电机持续将35%的燃烧热能转换成机械能发电的前提是通过机房设计,从排烟管路持续排出传递给尾气的30%燃烧热,从冷却回路持续排出传递给缸套的25%热能,从风道持续排出机组辐射给机房的10%燃烧热。因此,与市电系统不同,柴发机房设计的有效性直接决定了柴油发电机能否发出其铭牌上标出的额定功率。柴发机房的有效设计应从机房选址与地基设计开始,首先平衡考虑冷却系统设计与进排风系统设计,然后完成排烟系统设计,最后布局燃油系统设计。

 

 

柴油发电机组的能量转换.png

图1 柴油发电机组的能量转换示意图

 

一、 柴发机房的选址与地基设计

 

1、机房选址

柴油发电机是市电的应急备用电源,所以柴油发电机的机房应尽量远离市电系统配电设备,以免主、备用供电设备同时受损,失去配置柴油发电机的意义。

 

2、地基设计

柴油发电机的地基设计主要考虑安装位置及用户的减振要求。机组底座的一级减振效率为60%~80%,一二级组合减振效率大于95%,满足一般用户的减振要求。因此,就一般用户而言,机房地基可采用加强混凝土设计,但应能承载至少两倍机组的重量。柴油发电机地基应至少高出地面150mm,四周应比机组外围至少超出150mm。如果用户是医院且柴油发电机与手术室同在一栋建筑内,则(可参考图2)采用173kPa加强混凝土地基,确保地基承载5~10倍(至少2倍)机组重量的同时,按图中要求做进一步减振及隔振设计。

 

发电机房地基设计.png
图2 发电机房地基设计图
 
 

二 、柴发机房的冷却系统设计

 

柴油发电机的冷却系统与其进排风系统密切关联,并共同影响排烟系统设计,因此柴发机房位置确定后,应首先平衡考虑冷却系统设计与进排风系统方案。

 

1、柴油发电机直驱风扇冷却

柴油发电机的启动和运行需要给充电、加热甚至风扇等设备提供低压辅助电源,因此如项目选用高压机组,则应尽量采用直驱柴油发电机(冷却风扇由发动机曲轴驱动),从而避免低压辅助电源变配电设计。柴油发电机采用直驱水箱时,机房冷却系统设计的工作量几乎为零,但进排风系统设计必须满足直驱机组满载运行的大风量要求。

 

2、远置水箱/散热器冷却 

如果项目须用低压机组但无法满足直驱机组满载运行的大风量要求,则可采用电驱机组将水箱/散热器(以下简称水箱)移至室外,以降低机房进风量要求。水箱远置时,冷却系统的驱动力源自发动机水泵,阻力来自管路的摩擦阻力及水箱与柴油发电机的相对高差,故远置水箱的冷却系统设计应与室外水箱的安装位置匹配。

 

(1)水箱直接远置 

若室外水箱的安装位置距室内机组不远,且根据其相对位置设计的冷却回路总摩擦阻力和静压均小于发动机数据单上相应限值,则(可参考图3)用水管直接连接柴油发电机和水箱即可,但涡轮增压单泵双循环空水中冷机组不宜采用该冷却系统设计。冷却系统的静压取发动机曲轴中线与水箱顶部的高度差,管路的摩擦阻力需暖通专业设计师根据管径及流量计算,管径由设计师决定,流量可从发动机数据单直接查到。

 

水箱散热器远置设计图.png

图3 水箱散热器远置设计图

 

 

(2)冷却水泵远置水箱

若室外水箱的安装位置离室内机组不太远,虽然静压小于发动机数据单限值,但总摩擦阻力超过相应上限,则可在设计的基础上,根据摩擦阻力偏差选配水泵,安装在图4红色箭头所示位置。同样,涡轮增压单泵双循环空水中冷机组不宜采用该冷却系统。

 

(3)热交换器远置水箱 

若水箱的安装位置距离机组较远,其相应静压和管路总摩擦阻力均超过发动机相应限值,则可参考图4,采用热交换器远置水箱。

热交换器的安装位置应考虑发动机水泵的驱动能力,也可将热交换器安装在机组附近。热交换器机组侧一次冷却系统与水箱侧二次系统互相独立,一次系统由发动机驱动,其流量为发动机冷却流量;二次系统需另选水泵驱动,流量可按Q/(ΔT·C)(L/min)估算,其中Q为发动机传给冷却系统的热量(kJ/min),C为水的比热(kJ/℃/L),ΔT为热交换器二次侧容许温升(℃)。如冷却效果因环境温度等缘故不太理想,可以考虑用冷却塔替代水箱,但冷却塔不宜用于冬天易结冰、湿度低、灰尘大及风沙多发地区。

 

发电机组热交换器远置水箱.png

图4 热交换器远置水箱

 

(4)热井远置水箱

如水箱位置距离机组相当远,总摩擦阻力和静压超过发动机限值,且静压超出了热交换器密封件的承受能力,则(可参考图5)采用热井远置水箱。热井的安装位置应考虑发动机水泵的驱动能力,且必须确保热井底部高于发动机冷却液出口;热井两侧回路属同一密闭冷却系统,流量基本一致;水箱侧回路需配水泵,其选型应考虑水箱位置;热井的最小容量应包括运行时充满所有水管的冷却液容量、停机时水箱侧流回热井的容量及确保运行时有效热交换的最小容量。

热井运行时的有效热交换最小容量一般取冷却系统总容量的5%,加上热井两侧回路总流量的1/4。用热井远置水箱,发动机传递给冷却液的热量最终还需水箱的风扇冷却,当环境温度较高及管路过长时,其冷却效果很可能不理想,因此该方案适用于夏天环境温度不高、管路不长的项目。

 

热井远置柴油发电机水箱.jpg

图5 热井远置水箱设计图

 

三、柴发机房的进排风系统设计

 

柴油发电机的进排风系统设计须与其冷却系统匹配,冷却系统设计确定后,方可匹配相应的进排风系统。

 

1、直驱机组的进排风系统设计 

室内安装直驱柴油发电机时,机房的进排风系统应通过风道、风量及进、排风口的有效设计,提供柴油发电机输出额定功率所需的最小冷却风量。

 

(1)风道设计 

各机组的风道设计应相互独立,风道设计直接决定了进风量设计,进而决定了进风口面积。为了有效减少风道阻力及进风量,从而最小化进风口面积,风道设计可参考图6,将进、排风口与机组布置在一条直线上,使风道横跨整个机房。进、排风口位置应根据室外统计风向顺风设置。如果对排风口室外风向、风速没有把握,则可参考图7设挡风墙,以降低排风阻力并有效防止高温排风从进风口重新进入机房。挡风墙离开排风口的距离不应小于水箱高度。

 

直驱柴油发电机的进排风设计.png

图6 直驱机组的进排风系统设计 

 

 

(2)风量设计

风量须确保柴油发电机满载运行时的冷却效果。采用上述直线型风道设计时,机房的进风量满足水箱风扇的风量需求即可;采用其它类型风道设计时,应根据暖通专业资深设计师的准确计算适当增加进风量,任何不专业的设计均将导致柴油发电机降功率使用。

 

(3)进、排风口面积 

进风口面积取决于进风量和进风速度。为了有效防止室外雨雪被吸入机房,进风速度应控制在150~220m/min,过高的风速产生噪声需要进行相应的进风降噪设计;进风面积由进风量除以风速获得,但进风口有效面积应大于水箱有效面积的1.5倍。 采用上述直线型风道设计时,排风面积可取进风面积的2/3,但排风口有效面积应大于散热水箱的有效面积。进、排风口设电动百叶时,风口面积应根据百叶占用的面积适当增加;进、排风口设固定百叶时,风口面积均应增加1倍。

 

2、水箱远置时进排风系统设计 

项目采用电驱机组将水箱安装在机房外时,机房的进排风系统也应通过风道、风量及进、排风口的有效设计,提供柴油发电机输出额定功率所需的燃烧空气量及最小冷却风量。

 

(1)风道设计 

水箱安装在室外时,机房风道也可参考图7尽量采用直线型设计,使风道横跨整个机房。同样,进风口、排风口应根据室外统计风向顺风设置。

 

(2)风量设计 

水箱远置时,机房的进风量需求减小,但至少保证柴油发电机满载运行所需的燃烧空气量及带走机组辐射热所需的最小冷却空气量。发动机的燃烧空气量可从其数据单上直接查到,采用上述直线型风道设计时,机房的最小冷却空气量根据V=Q/(C·ΔT·d)计算,其中V为最小冷却风量(m3/min)、Q为机组总辐射热(MJ/min)、C为空气比热(MJ/kg/℃)、d为空气密度(kg/m3)、ΔT为机房进、排风口容许温升(℃)。

 

(3)进、排风口面积水箱远置时

同样应先确定合理的进风速度(150~220m/min),然后由进风量和风速计算进风面积。采用图7所示直线型风道设计时,排风面积取决于选用的排风机外形尺寸,而排风机应根据冷却风量及可接受的室外排风速度选型。采用其它类型风道设计时,进、排风量应由暖通专业资深设计师根据风道准确计算,任何不专业的设计,均将导致柴油发电机降容使用。

 

四、柴发机房的排烟系统设计

 

排烟系统的作用是将机组满载运行产生的废气有效而安全地排至户外,并将烟气、烟灰及噪声驱离建筑和居民。排烟的驱动源是发动机,阻力是发动机排烟口后排烟回路的总阻力,故排烟系统设计首先是通过消音器等部件选型及排烟管路设计,使排烟回路的总阻力小于发动机数据单上的背压限值。

 

1、排烟系统的典型设计 

各柴油发电机的排烟系统应相互独立,并可参照图7设计:发动机排烟出口接至少610mm长的不锈钢无缝波纹管,隔离机组的运行振动并吸收热膨胀及位移,波纹管不能用于改变方向和校直;波纹管后应接消音器以降低排烟产生的噪声,消音器的选型和数量取决于用户的降噪要求,工业用、住宅用、医院用消音器的降噪能力分别为12~18dB、18~25dB及25~35dB,消音器出口端应设冷凝水排放阀;水平安装的排烟管应以小坡度通向室外,以免凝结水流向发动机;排烟改变方向处须用弯头,且尽量用内弯半径应大于管径3倍的长半径弯头;烟管垂直爬升处应设冷凝水排放阀;排烟出口应与机房排风口同侧并顺风开口,排烟口应尽可能高且最好高于建筑顶部,并远离新风入口且不能直对易燃物质或建筑物,垂直排烟出口应设防雨帽,水平排烟口应考虑防雨并加防鸟网。

 

发电机房排烟系统设计.png

图7 发电机房排烟系统设计

 

 

2、排烟系统阻力估算

排烟系统阻力可分为消音器阻力与其余管路阻力两部分,消音器阻力可咨询康明斯供应商,其余管路阻力可按P=575·L·S·Q2/D5(kPa)估算,其中D为排烟管内径(cm),Q为排烟流量(m3/min),S取23/(273+T),其中T为排烟温度(℃),L为等效长度(m),取直管长度与波纹管、弯头等效长度之和,波纹管等效长度取其长度的2倍,弯头等效长度可由其类型和管径从表1查取,比如管径100mm的90°标准弯头的等效长度为3m。

 

3、排烟系统的设计优化

对选定的柴油发电机而言,满载时的排烟流量及排烟温度基本稳定,故排烟系统阻力与管路等效长度成正比,与管径的5次方成反比,因此管径的设计优化至关重要。为了有效减小排烟阻力,排烟管径不能小于发动机排烟口的直径,但管径过大既容易导致冷凝而腐蚀管件,也降低排烟速度,不利于排烟在户外扩散。排烟系统优化应在典型设计的基础上,首先最小化管路的等效长度,即尽量减少消音器及弯头数量;然后在确保排烟总阻力小于发动机背压限值的前提下,适当减小管径以提高排烟及扩散速度,降低冷凝对管路的腐蚀。

 

4、 排烟系统的安全考量

消音器和排烟管路应用阻燃减振吊架或支架承重;除波纹管不能作保温处理,排烟系统其余部件尤其是机房内消音器、排烟管必须用50mm厚的高密度隔热材料外加铝质护套包扎隔热,以防火警误报、管路冷凝腐蚀以及减少辐射热;排烟管穿过墙壁时必须使用质量可靠的隔热穿墙套管;烟管离地高度至少2.3m,与易燃建筑物的距离至少230mm,且所有部件应设栅栏等以防意外接触。

 

五、柴发机房的燃油系统设计

 

燃油系统设计的目标是满足机组满载运行的供油量需求,并将剩余燃油送回油箱。供、回油驱动力分别来自发动机供油泵及其升压油泵,阻力分别为供、回油管路摩擦阻力及油箱与发动机的相对位置,因而燃油系统设计是油箱的设计与安装及供、回油管路的匹配设计,以确保柴油发电机正常运行的燃油需求。

 

1、油箱的设计与安装

柴油发电机的油箱分机底油箱、日用油箱和主油罐等。油箱应配油位传感器、排污阀、通气管及油面指示等。机底油箱适用于小容量机组,大容量柴油发电机不宜用机底油箱时,独立油箱的设计与安装应满足供、回油管总阻力(摩擦及静压)分别小于发动机数据单明确的供油泵的提升能力及回油管的驱动限值,任何一项不能满足要求时,必须考虑日用油箱与主油罐组合设计,日用油箱应尽量靠近机组安装,其容量应满足柴油发电机满载运行2~4h。燃油系统的静压可取相应高度差,摩擦阻力则应由暖通专业设计师根据流量、管径及管长等精确计算,任何不专业的设计均将导致柴油发电机降功率使用。

 

2、燃油系统有效设计

柴油发电机选用机底油箱时,容量应满足机组8h满载运行,也可匹配手动或自动补油设计;采用日用油箱、主油罐时,如主油罐安装位置高于日用油箱,应参考图9利用溢流给日用油箱补油,供油回路设电磁阀或电动阀,由日用油箱供油低、高液位分别控制其开、关,日用油箱溢流由辅助油泵送回主油罐;主油罐安装位置低于日用油箱时,可参考图10将供油泵、电磁阀或电动阀均配置到供油回路,日用油箱供油低液位控制开启阀门和启泵,高液位控制停泵和关阀,溢流则利用重力直接流回主油罐。

无论采用上述哪种方案,日用油箱前供油管应设100~120目过滤器。日用油箱除配置上述供油高、低液位外,还应设最低停机液位及最高报警液位,且最低液位应比发动机油泵入口高150mm,最高液位应确保相应设计阻力小于发动机回油驱动能力。燃油系统可靠性要求较高时,可根据项目要求匹配手动补油及两套供油泵,有柴油发电机并联运行中单机维修需求时,应在适当位置配维修隔离阀。

 

3、燃油管路设计要点

油管应选用黑铁管,与发动机本体采用软管连接;油管应设计适当支撑,以免长期振动受损,供应管应从上至下接入柴油发电机油泵入口,回油管禁止安装截止阀,并独立接入日用油箱或主油罐;油管不能靠近发动机排烟管路、电缆及加热管路,考虑开机前方便管路清理、冲刷时,应采用T型接头替代弯头。

 

六、方案结论

柴油发电机组的应急供电是化学能向机械能和热能转换的动态平衡过程。柴发机房的有效设计,是在柴油发电机输出其额定功率时维持上述动态平衡,直接决定了柴油发电机的最大发电能力。本文从柴发机房的选址和地基设计、冷却系统设计、进排风系统设计、排烟系统设计、燃油系统设计几个方面探讨了柴发机房的有效设计。

 

 


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