康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	影响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主要有排烟管的直径、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少背压，因为废气阻力的增加将会导致柴油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分析了排气背压过高的原因，以及排气背压计算公式和试验方法。

 

一、造成高背压的主要因素

 

      柴油机具有热效率高，油耗低的特点，是传统能源动力机械不可或缺的组成部分。但是，由于燃料组成以及柴油机燃烧方式等原因，其尾气排放物中颗粒物（PM）和氮氧化物（NO）为主要污染物。随着排放法规的加严，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，因此后处理技术进入研究人员的视野范围。

      当前，后处理技术多采用DOC、DPF以及SCR，其中DPF的再生选用被动再生方法排温需高于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避免地造成排气系统背压的变化，背压的变化影响柴油机的功率损失和排气系统的噪声水平。背压增大，造成柴油机动力性和燃油经济性的下降；背压减小，使得排气系统的噪声水平降低，设计及制造成本增加。因此，后处理系统的设计及布置形式与背压之间的关系应作出合理的取舍。

      柴油发电机背压的影响因素如下：

（1）排烟管的直径太小。

（2）排烟管过长。

（3）排烟系统弯头过多。

（4）排烟消声器阻力太大。

（5）处于某种临界长度，压力波导致高阻力。

      排气背压对柴油发电机组的发电效率和负荷能力有着重要的影响。因此，在柴油发电机的设计和安装过程中，要充分考虑背压的大小和影响因素，以确保柴油发电机的正常运行和高效发电。

 

二、排烟系统的背压计算方法

 

      柴油发电机组排烟背压计算主要由由排烟管、消声器和尾气装置三部分构成。如图1所示，排烟管背压为P0、P1、P4，消声器背压为P2，尾气装置背压为P3。

1、计算公式

（1）排烟管背压的计算

P_排=6.23｛（L×Q²）/D⁵｝×｛1/（T+273）｝......................（公式1）

 

      式中： P_排——排烟管的总排烟背压（kPa）；L——排烟管直管当量总长度（m）（见表1）；T——排烟温度（℃）；Q——每秒钟排烟量（m³／s）；D——排烟管内径（m）。

      为了在应用中设计正确合理的排气管道及其最小口径，达到既符合机房总体设计和布置要求，又保证整个系统的排气背压不至于超过发电机组最大允许范围的目的。在进行排气系统计算时，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气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。排烟流量、排烟温度、极限背压值等数据可由发电机组技术参数中查找。

表1    直管当量长度表

（2）消声器背压P_消的计算

      由于现实施工及周围环境对噪声要求的限制，在机房设计中通常都使用了消声器，则计算排烟系统总背压P时，除了应考虑排烟管的背压P_排，还应考虑消声器的排烟背压P_消。消声器的排烟背压P_消的计算方法如下

      先计算消声器的管流速V_管：

V_管 = Q/A_管（m/s）......................（公式2） 

      式中 A_管——消声器排烟口的截面积。

      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，则消声器排气背压P_消的计算公式

P_消=（F_阻×9.8×10^-3×673）/（T+273）......................（公式3）  

（3）排烟系统总背压P的计算

      排烟系统总背压P等于排烟管的背压P_排与消声器的排烟背压P_消之和，

P_总＝P_排＋P_消......................（公式4）  

      在排烟系统的设计和安装中，必须保证系统许用背压［P］大于或等于排烟系统总背压P，即

P＝（P_排＋P_消）≤［P］......................（公式5）  

      式中： P_排——排气管的背压（kPa）；P_消——消声器的背压（kPa）；［P］——系统许用背压值（kPa）；P——排气系统总背压（kPa）。

      如果不能满足P＝（P_排＋P_清）≤［P］，会造成高排气背压的情况出现，则必须将排烟管口径进行扩大，以减小排气系统总背压P，直至发电机组最大允许范围内。

P＝（P_排＋P_清）≤［P］成立......................（公式6）  

2、排气背压的计算示例

      以某一机房排气背压计算为例。机房内设计安装康明斯发电机组，发动机为KC1800GF，选用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。机房内排烟管长度为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烟管长度为36m，考虑排烟管总长度较长，为避免高背压，竖直向上的排烟管扩大至管径ф377（内直径为412mm），管壁厚度为4mm；90°弯头2个，45°弯头1个。

      由康明斯发电机组KC1800GF数据资料查取：排烟量Q＝420m³/min＝7m³/s，排气温度T＝520℃，发动机的最高允许背压值［P］＝5.6kPa。

（1）机房内排气管当量长度

L₁＝11m＋2（弯头）×5.32m＋1（弯头）×2.44m＝24.08m

      竖直段排气管长度

L₂=16m

（2）排气管背压P_排的计算

P_排=6.32×｛（L×Q²）/D⁵｝×｛1/（T+273）｝×10^-3 

      式中：L——直管当量总长度；Q——排气流量；D——排气管直径；T——排气温度。康明斯发电机组T＝520℃。

所以，P_排1=6.32×｛（24.08×7²）/0.369⁵｝×｛1/（520+273）｝×10^-3=1.38kPa

P_排2=6.32×｛（36×7²）/0.412⁵｝×｛1/（520+273）｝×10^-3=1.81kPa 

（3）14寸住宅型消声器的背压计算

      先计算消声器的管流速V_管

A_管＝3.14×（0.369/2）2=0.1069㎡

V消=7/0.1069=65.48（m/s）

      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），则消声器排气背压P_消的计算公式如下

P_消=（300×9.8×10^-3×673）/（520+273）=2.50kPa 

（3）排气系统的背压

P＝P_排1＋P_排2＋P_消＝1.38＋1.18＋2.5＝5.06kPa

      发动机的最高允许背压值［P］＝5.6kPa＞5.06kPa，因此，竖直向上的排烟管扩大至内直径为412mm的排气管道满足要求。另外，考虑到排气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，减小烟管局部阻力。

 

图1  柴油发电机组排气背压点分布图

图2  柴油发电机排气流速和阻力曲线图

 

三、排气背压试验方法

 

      柴油机排气系统增加后处理，管路的设计及布置形式会对柴油机排气背压产生一定的影响，因此，结合整机经验值及目标预估值选取背压值点，通过台架试验研究背压的变化对柴油机的影响，为排气系统的设计提供数据支持及指导。

1、试验设备

      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。该试验所需主要设备还包括：排气背压正弦波自动调节系统、AVL测功机、烟度计、排放分析仪、AVL燃烧分析仪和各种传感器等。试验设备连接示意框图如图3所示，排气背压正弦波自动调节系统结构如图4所示。

      柴油机排气背压正弦波自动调节系统用于柴油机排气背压试验时，背压自动调整为正弦波，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，不因试验设备的缺陷导致试验结果的误差；自动控制时，实现参数自学习、自修正、自动控制输出，降低操作人员的操作难度和专业要求；实时记录压力、温度、阀门开度等数据用于试验结果分析。工作原理如图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器指令，根据排气管路反馈压力值，输出控制指令，驱动电动调节阀调节，且采集电动调节阀位置反馈信息，结合压力波动的最大、最小界限值闭环联动控制电动调节阀调节。压力分为若干波段时，即会出现若干个压力目标值，使用pid调节时，需要每个压力点都设置pid的参数，参数调试过程繁琐复杂；柴油机在不同转速或负荷的工作状态时，所对应的最优参数必定不同，即改变柴油机状态时，又需要再次修改参数，参数调整数据量较大，参数设置需要一定的专业人员来完成；采用pid调节控制，在每个目标压力点都会出现一定的超调现象，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。

 

图3  柴油机排气背压试验设备连接示意框图

图4  柴油发电机排气背压调节系统

 

2、试验步骤

      首先对柴油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，分别在不同的试验工况点对控制策略进行调整，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（功率波动范围为1±5%，扭矩波动范围为1±6%）。分别从增压压力、油耗率和涡后温度进行对比分析，得出关于背压影响的结论。参考整机数据及目标值，确定不同背压试验工况点如表2所示。

表2    试验工况点

3、试验结果

      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图。由图5可知，随柴油机转速的增加，增压压力呈现增加趋势。在低速段（1000r/min~1400r/min）增压压力增加较为迅速，为增压器高速级启动并产生作用，促进低速段的增压压力提升；当转速达到2200 r/min时，增压压力进一步增长，在2600r/min时达到180 kPa，此后增压压力较为平稳；当转速达到3400r/min，背压为65kPa和75kPa工况，增压压力平缓，而背压为85kPa与90 kPa工况，增压压力出现下滑，并在4000r/min降低至144 kPa。

      图6所示为燃油消耗率曲线图。由图6可知，随着背压值的升高，在转速≤2000 r/min时，燃油消耗率变化较小，略有提升；当转速>2000r/min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的燃油消耗率提升幅度较大，最大油耗率为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7为涡后温度曲线图。由图7可知，背压的增加引起涡后温度的提升，相较于背压为65kPa时，背压值为90 kPa时涡后温度的提升幅度最小。背压值为75kPa与85kPa时，涡后温度的提升幅度较大，且在这两个工况下提升幅度大致相等。

      图8为增压器转速曲线图。由图8可以得知，从2200r/min开始，背压值为85kPa和90kPa工况下，增压器高速级转速明显提升，且随柴油机转速的增加，背压值越高，增压器高速级转速越高，即在柴油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工作，但工作效率下降，增压压力降低；低压级则未出现较大转速波动。

 

图5  柴油机增压压力曲线图	图6  柴油机燃油消耗率曲线图
图7  柴油机增压器涡后温度曲线图	图8  柴油机增压器转速曲线图

 

总结

      随着背压值的增大，柴油机运行过程中增压器运行模式偏离设计运行模式，在背压85 kPa与90 kPa时出现柴油机高转速而增压压力下降的现象；燃油消耗率在背压85 kPa与90 kPa工况下出现较大幅度上升，最高值达到261g/（kW·h）；涡后温度则在背压75 kPa与85 kPa时出现较大幅度提升，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选定提供数据参考。

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