康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	集装箱发电机组箱体结构、表面处理和降噪设计

 

摘要：集装箱式柴油发电机组由于采用标准集装箱结构制造，具有模块化、集成化、占地面积小、土建施工量少、投资少、建设周期短、便于移动、运输方便，有效防雨防风沙、噪音低等特点，受到越来越多客户的青睐。在用电高峰期间，可以通过并网来实现当地电网的削峰，可以作为厂矿企业的备用电源，偏远无市电区域也可以作为常用电源。康明斯公司在本文主要介绍了集装箱式发电机组的研制开发过程，对设备整体结构进行布置设计，对箱体内部的进排风及通风散热进行理论计算并核对，对柴发噪声及振动进行削减控制，最后通过试验对发电机组的设计进行了验证，论证了设计的合理性及可行性。

 

 一、集装箱式柴发结构

 

1、内部结构

      集装箱式柴油发电机组内部结构方案如图1、图2所示。主要由远置水箱、远置水箱、主轴流风机、发动机、发电机、控制屏系统、工作室通风轴流风机和消声器系统等组成。

（1）该款集装箱发电机组通过中间的隔断一分为二，左侧为发电机组冷却系统室，内置2组远置水箱和1组冷却用主轴流风机；右侧为发电机组工作室，内部安装有发电机组及其控制屏系统。发动机的中冷气、高温缸套水通过管路穿过隔断后分别连接到远置水箱相应的气管水管处。发电机组工作室内发动机、发电机的热辐射、发电机的散热风等通过顶置的2组轴流风机来排掉。发电机组运行时，工作室内部的空气受热后会集聚在箱体顶部附近，轴流风机位置处的排风可形成对流，有助于加快工作室内设备的通风换气。

 

图1  集装箱式柴油发电机组内部结构侧视图

图2  集装箱式柴油发电机组内部结构平面图

 

（2）集装箱箱体为20尺货柜标准尺寸，宽度和百叶窗尺寸如图3所示，长度和高度数据如图4所示。

      结构上采用标准集装箱框架制造，底侧梁选用加厚矩形管，四个角立柱选用Q345D低合金钢板折弯，瓦楞板选用B480耐候钢板等，以提高箱体的整体机械强度，箱体前后均可开门，方便用户对发动机、发电机、控制系统及冷却系统的日常维护与检修，箱体底部设有机油、冷却液收集系统，通过管路直接引入到箱体外部，防止污染环境内部环境，控制屏和输出开关柜在箱体同侧，方便用户日常操作。箱体符合国际集装箱安全公约的要求，能够办理箱证，整机成套好后可直接作为标准集装箱海运，大大节省运输成本。

 

图3  集装箱柴油发电机组长宽高尺寸

图4  集装箱式柴油发电机组尺寸

 

2、外表处理

      发电机组集装箱的钢结构应有很好的保护，除了使用的涂料达到高要求之外，最关键的是钢结构的表面处理（内外结构示例如图5、图6所示）。如果涂料系统没有很好的基础（表面处理），那么就会比预计的使用寿命要短，发电机组集装箱的一般油漆设计为10年的使用寿命。可能会因表面处理不到位而降低涂装的使用寿命。实际经验表明，表面处理质量对涂层本身性能有着比其他因素更大的影响。一旦选定了合适的涂料系统，如果表面处理很差，涂层质量也会很差。只有良好的表面处理，涂覆的涂料才能发挥其效用。

（1）钢结构表面除锈的常用方法

      金属表面除锈方法：手工处理、机械处理、喷砂、喷丸处理、化学处理和火焰处理5种。

① 手工处理

      手工处理主要用铲刀、钢丝刷、砂布和断钢锯条等工具，靠手工敲、铲、刮、刷、砂的方法来达到清除铁锈，这是漆工传统的除锈方法，也是最简便的方法，没有任何环境及施工条件限制，但由于效率及效果太差，只能适用小范围的除锈处理。

② 机械除锈法

      机械除锈法主要是利用一些电动、风动工具来达到清除铁锈的目的。常用电动工具如电动刷、电动砂轮；风动工具如风动刷。电动刷和风动刷是利用特制圆形钢丝刷的转动，靠冲击和摩擦把铁锈或氧化皮清除干净，特别对表面铁锈，效果较好，但对较深锈斑很难除去。电动砂轮实际是手提砂轮机，可以在手中随意移动，利用砂轮的高速旋转除去铁锈，效果较好，特别对较深的锈斑，其工作效率高，施工质量也较好，使用方便，是一种较理想的除锈工具。但在操作中须注意，不要把金属表皮打穿。

③ 喷砂、喷丸处理法

      金属表面喷砂除锈工艺是利用对空气的压力影响作用，把所需金属粒度的喷砂工艺磨料通过喷枪，对金属零件锈蚀的表面进行喷砂除锈处理。这种喷砂除锈工艺不仅去锈块，还能对金属表面起到涂装、喷涂的效果，经过喷砂除锈工艺处理过的金属表面可达到干净、有一定粗糙度的表面要求，从而提高覆盖层与零件的结合力。

④ 化学处理法

      化学处理法实际是酸洗除锈法，利用酸性溶液与金属氧化物（铁锈）发生化学反应，生成盐类，而脱离金属表面。常用的酸性溶液有：硫酸、盐酸、硝酸、磷酸。操作中将酸性溶液涂于金属铁锈部位让其慢慢与铁锈发生化学反应而去掉。铁锈去除后应用清水冲洗，并用弱碱溶液进行中和反应，再用清水冲洗后揩干、烘干，以防很快生锈。对酸洗过的金属表面需要经粗糙处理或磷化处理，主要是增加金属表面与底漆的附着力。

⑤ 火焰处理方法在港口设备中很少使用。

      发电机组集装箱外壳制作通常采用喷砂处理和化学处理的方法，底座等钢结构件和厚板可以采用喷砂处理，房体上的薄板件则需要采用酸性磷化处理的工艺。

（2）表面处理程度的判断

① 处理标准

      在判断表面处理的程度时，我们要引用到很多的标准。在实际工作中经常会遇到的表面处理标准主要有：

● GB 8923-88;

● ISO 8501-1:1988;

● SIS 055900:1967;

● SSPC/NACE。

      常用的是GB 8923-88和SSPC。GB 8923-88是我国的国家标准，ISO 8501则是现在普遍采用的国际标准，SIS 055900是世界上最早的影响也最大的标准。SSPC/NACE是美国使用的主要标准。中国的国家标准GB 8923等效采用于ISO 8501-1：1988。

② 外层检查

      ISO 8501-1：1988将未涂装过的钢材表面原始程度按氧化皮覆盖程度和锈蚀程度分为4个等级，分别以A、B、C、D表示，并有相应的照片对照。

● 大面积复盖黏着的氧化皮，而几乎没有铁锈的钢材表面；

● 已开始锈蚀，且氧化皮已开始剥落的钢材表面；

● 氧化皮已因为锈蚀而剥落或者可以刮除，但在正常视力观察下仅见到少量点蚀的钢材表面；

● 氧化皮已因锈蚀而剥离，在正常视力观察下，已可见普遍发生点蚀的钢材表面。

③ 除锈等级

      钢材表面除锈后的质量等级分St2，St3，Sal，Sa2，Sa2.5等5个除锈等级：

● St2：彻底的手工和动力工具除锈；

● St3：非常彻底的手工和动力工具除锈；

● Sal：轻度的喷射或抛射除锈；

● Sa2：彻底的喷射或抛射除锈；

● Sa2.5：非常彻底的喷射或抛射除锈。

      发电机组集装箱设备要求的钢结构冲砂等级一定要达到Sa2.5。

（3）粗糙度的测量

      粗糙度的测量工具主要是指针式测量仪和压膜式测量仪。指针式测量仪对于现场检测非常方便，使用也很简单。压膜式测量仪检测的速度较慢，不适合打砂现场的随时测量，但是测得的结果可以保留存档。除此之外，还可以直接对照标准样板进行目视检测。当用测量仪器对打砂粗糙度进行测量时，应在板面上均匀地选取测量位置，对不同部位的粗糙度进行检测，并针对不同的结果将打砂设备作出适当的调整。

      要达到Sa2.5级打砂标准，打砂密度一般要达到95％以上。打砂密度的一般检测方法为目视法，可通过带有刻度的放大镜进行观察。

 

图5  集装箱式柴油发电机组右视图

图6  集装箱式柴油发电机组左视图

 

二、箱体内部的通风量计算

 

      集装箱式柴油发电机组采用远置散热器，冷却系统与发电机组不在同一个室内，箱体内部通过隔断隔成冷却系统室与发电机组工作室。在工作室内，不需要考虑冷却系统的冷却风量，采用远置散热器后能明显减小发电机组工作室内的进排风量，工作室内没有发动机机带的风扇，取而代之的是设置轴流风机强制通风散热，引导工作室内空气流动的方向。一般情况下，轴流风机设计在发动机自由端顶部位置处，内部空气流动遵循轴向通风原则，在发动机空气滤清器进风口处附近设置单独的辅助进风百叶，保证箱体外部的冷空气进入箱体后能够直接被吸到空滤器中，避免箱体内部温升对进气温度的影响。

1、工作室内通风量理论计算

      发电机组工作室内的热源主要主要是发动机和发电机两大部件工作时对外的表面热辐射。计算通风量时还需要考虑柴油机的燃烧做功需要的空气量。根据公式：

Q₁=[（H₁+H₂）/（D×C×∆T）]+Q_{2................}（公式1)

其中：Q₁——发电机组工作室内需要的总的通风量，m³%min；

Q₂——柴油机额定工况下燃烧做功需要的空气量；m³min；

H₁——发动机表面热辐射热辐射，kW；

H₂——发电机表面热辐射热辐射，kW；

D——空气密度，在38℃时为1.099kg/m³；

C——空气比热0.017kW·min/kg·℃；

∆T——发电机组工作室内允许的温升，℃，发电机组上电气设备的元器件最高耐温为65℃，集装箱式柴油发电机组的设计环境温度为50℃，则箱体内部的最大温升∆T=65-50=15℃，为保留设计余量，最大温升∆T取13℃。

      查阅柴油机及发电机的性能数据单，额定工况下柴油机表面热辐射量为117kW，发电机为51kW，则H₁+H₂=127+51=168kW。额定工况下发动机空滤器的进气流量Q₂=5695kg/h=73m³/min

Q1=｛168/（1099x0.017x13）｝+73=765m³/min=45900m³/h

2、工作室内轴流风机选型

      发电机组工作室内设置两组通风散热用轴流风机，强制换气，进而保证工作室内温度不至于过高。轴流风机直接从发电机组接线铜排上取电。

（1）轴流风机参数：3.2kW/50Hz/AC380V，额定风量25000m³h，静压125Pa。

（2）总通风量Qg=25000×2=50000m³h>Q=45900m³h。留有9%的设计余量。

      综上所述轴流风机的选型满足理论计算设计要求。

3、冷却系统室的通风散热

      发电机组冷却系统室内的远置散热器安装处为防雨百叶窗+不锈钢防虫网结构，主轴流风机运行时水箱室内部形成局部负压，外部的冷空气通过百叶窗经过散热器管带后进入箱体内部，在主轴流风机的作用力下从箱顶排出。进风和排风系统分别如图7、图8所示。

（1）主轴流风机参数：37kW/50Hz/AC380V，额定风量100000m³/h，静压185Pa。从发电机组接线铜排取电。

（2）防雨百叶窗+不锈钢防虫网的风阻为100Pa。

（3）箱顶的冲孔板风阻为40Pa。

（4）主轴流风机静压均大于冷却系统室的进排风的风阻并且有一定的余量，风机可以正常克服进排风阻力，保证水箱室内的通风量，满足发电机组散热系统冷却要求。

      此种结构冷却系统，箱体外部的冷空气直接进入散热器表面，避免了发动机和发电机热辐射带来箱体内部温升的影响，冷却效率大大提升，能够适应高温环境。

 

图7  集装箱式柴油发电机组进风散热平面示意图

图8  集装箱式柴油发电机组排风散热侧面示意图

 

三、降噪减振处理

 

1、发电机组降噪处理

      柴油发电机组的噪声主要有排烟噪声、进气噪声、排气噪声、机械噪声和燃烧噪声等。

（1）排烟噪声是发电机组噪声中能量最大，成分最多的部分。为消除排烟噪声对发电机组的影响，发电机组选用高效能住宅式消声器，消声器后的排气尾管设置为竖直朝天，将排烟噪声对发电机组的影响降低到最低。

（2）降噪处理应从吸声材料和外部隔绝两方面入手。进气噪声、机械噪声和燃烧噪声属于发电机组箱体内部的噪声，需要选用合适的材料和结构来降低此部分噪声。箱体内部在选用吸声材料时，应能满足有利于降低声波频谱中峰值。

（3）频段的噪声，因为声能量主要集中在几个峰值频率，噪声峰值降低了，总的噪声辐射就可明显降低。

      查阅柴油机的性能数据单，康明斯柴油机的噪声频谱主要集中在500-4000Hz范围内，为此选用的吸声材料应该在此频段有较高的吸声系数，综合以上因素，箱体内部的吸声材料选定为体积密度为36kg/m3的无碱超细玻璃棉，其吸声系数如表1所示。

表1    集装箱柴油发电机组噪声频谱和吸声系数

（4）箱体内表面设置吸声结构，使用无纺布为衬层包裹住超细玻璃棉材料，然后用镀锌冲孔板固定吸声材料在周围的瓦楞板上。如图9所示。

（5）发电机组工作室的进气处降噪结构主要由防水百页窗+降噪百叶组成，两者之间加装304不锈钢防虫网，防止发电机组运行时吸入箱体内部小虫子和杂物，降噪百页使用冲孔板折弯成型，中间填充使用无纺布包裹的超细玻璃棉。其结构如图10所示。

2、发电机组减振处理

      集装箱式柴油发电机组内部主要的振动源是柴油机和发电机，为避免将两者的振动传递到集装箱发电机组外部，在柴油机、发电机和发电机组公共底座连接处安装橡胶减振器，在发电机组公共底座与箱体的花纹地板之间安装橡胶减振板，双重减振，另外箱体内部的排烟管路、远置散热器的中冷管路及水管等中间使用膨胀节弹性相连，有效降低箱体内部的振动向箱体外部传递。

 

图9  发电机组集装箱箱体内表面降噪措施示意图

图10  发电机租集装箱体内部进风降噪结构图

 

四、试验数据及分析

 

1、试验数据

      集装箱式柴油发电机组成套好后，根据产品开发要求，对方舱电站进行热平衡及噪声测试试验。

（1）试验状态，发电机组满负荷运行，所有门体关闭，风机调到自动状态，环境温度34℃，连续运行2h，发电机组水温稳定在88℃。

（2）分别测量方舱电站周围1m处和7m处噪声。发电机组工作室1m处噪音平均85dB（A）左右，7m处噪音75dB（A）左右。

（3）发电机组冷却系统室1m处噪音平均95dB（A）左右，7m处噪音85dB（A）左右。

2、结果分析

      发电机组冷却系统室周围噪声偏高，主要原因是主轴流风机噪音在102dB（A）左右，进风结构是防雨百叶窗+不锈钢防虫网，发电机组冷却系统室的进排风未经过消声降噪处理，主轴流风机的噪声传递到箱体外部。

3、效果改进

      受发电机组冷却系统室内部尺寸限制，进排风处不好做消声降噪处理，改进设计是在箱体外部的进排风处加装可拆卸式消声降噪百叶。降噪百页在运输过程中需要拆卸下来，发电机组运输到达用户现场时再装配上。改进后重新测量发电机组噪声。发电机组冷却系统室1m处噪音平均85dB（A）左右，7m处噪音75dB（A）左右。达到预期的效果，满足设计要求。

 

总结：

      目前集装箱式柴油发电机组的应用范围广泛，通信行业、金融部门、医院学校以及大型数据中心等都离不开集装箱式柴油发电机组标准集装箱式柴油发电机组可以在不占用建筑面积的前提下置于户外，又能防雨防晒，能快速实现供电的机动性，可靠安全的提供应急电源。对比于普通的开式发电机组而言其具有静音、方便制造、运输、维护、保养等目的。集装箱式柴油发电机组已在市场上经过小批量验证，市场反馈良好。冷却系统运行可靠，发电机组维护保养方便，能够在高温环境下持续工作，运输方便，可办理箱证作为20尺标准货柜发运。目前市场上对于大功率静音型发电机组需求量越来越多，尤其是东南亚、中东、北非及南美地区等，该款集装箱式柴油发电机组是市场上为数不多的能将1000KW（PRP功率）发电机组集成在20尺集装箱内的产品，有很强的市场竞争力，具有良好的经济与社会效益。

 

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