摘要：康明斯柴油发电机排烟系统的作用就是将气缸里的废气排放到室外，并使废气、烟尘和噪音远离建筑物和人群。在使用中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出力的下降及温升的增加。排烟系统是柴油发电机组运行安全性和可靠性的重要保障，其设计合理与否直接影响机组的功率输出、燃油经济性和使用寿命。本文系统阐述排烟系统背压的要求与控制方法、波纹管的安装要求及柴发排烟管的安装规范，为柴油发电机组的排烟系统设计、施工与维护提供技术指导。
一、背压的要求与控制方法
柴油发电机组不能同其他设备共用排气系统，烟尘、腐蚀性冷凝液和高温废气均不得损坏通用设备。排气管背压严禁超过发动机说明书许可值，一般为20mbar～50mbar。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。背压每增加10mbar，发动机功率约下降1%～2%，排气温度升高约5～10℃。
1. 背压的估算与实测要求
（1）确定排气系统布局之前应估算发动机废气背压，发电机正式投入运行前应实测满载运行时排气口背压力值。设计阶段的背压估算应基于排气管长度、弯头数量、消声器阻力等参数进行计算，确保总背压不超过发动机允许值。
（2）发电机组排烟系统的背压值应该低于允许的最低值。像排烟管路的弯头、直管和消声器等组件的压力降取决于气流的平均速度，管路的压力降总和也就是背压。每个90°弯头的等效阻力相当于3～5米直管长度，消声器的阻力降通常为10～30mbar。
（3）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。
2. 排烟管的隔热与安全要求
（1）对所有消音器和排气管实施隔热处理，避免意外接触着火或误启动自动灭火设备，减轻冷凝腐蚀和机组房间的热辐射。排气管和易燃物至少应间隔9英寸（约230mm）。必须穿越墙壁和天花板时，排气管应加阻燃套筒或隔热棉。隔热层厚度通常为50～100mm，外层应包裹铝皮或不锈钢护皮，表面温度不应超过60℃。
（2）室温下温度每升高100°F（约56℃），每英寸排气管约膨胀0.0076英寸（约0.0076mm/mm·℃）。建议必须使用不锈钢波纹管吸收长直管的热膨胀，平置排气管应有坡度（低端远离发动机，伸向户外或冷凝水收集器）。热膨胀量计算：ΔL = L × α × ΔT，其中L为管长，α为线膨胀系数（碳钢约为12×10⁻⁶/℃），ΔT为温差。
3. 降低背压的措施
（1）应尽量缩短烟管长度，减少弯头个数，减少消音器阻力及增大烟管直径。排烟管的弯头数量不应超过3个，每个弯头的弯曲半径应不小于管径的1.5倍。消声器应选用低阻力型，其压力损失不应超过20mbar。
（2）排烟管道的内壁应光滑，接头处应平整，无凸起或凹陷，以减少局部阻力损失。法兰连接处的密封垫应平整，不得伸入管道内壁，防止产生额外的局部阻力。
（3）对于长距离排烟管道（超过20m），应适当增大管径以降低气流速度，减少摩擦阻力。建议排烟管内气体流速控制在25～40m/s，流速过高会增加摩擦阻力，流速过低则管径过大不经济。
二、波纹管的安装要求
波纹管用于柴油发电机组排烟管与排烟管之间的连接，外观如图1、图2所示。其作用是补偿两者之间管路的热膨胀，减小安装误差对柴油发电机组产生的力，方便安装。采用弯管力平衡式波纹膨胀节能使设备不受内压产生的盲板力作用，改善设备的受力状况，设备容易固定。
1. 波纹管的功能与选型
（1）波纹膨胀节能够起到伸缩作用主要是靠波纹管来实现的，对波纹膨胀节的功能及强度设计主要是对波纹管的设计，对波纹管的不同设计及组合，可以使波纹管拉伸、压缩或弯曲，从而形成轴向、横向、角向三种基本形式的波纹膨胀节。轴向波纹管适用于吸收管道的轴向热膨胀，横向波纹管适用于吸收管道的横向位移，角向波纹管适用于吸收管道的角向位移。
（2）波纹管的材料应选用耐高温、耐腐蚀的不锈钢（如SUS304或SUS316L），工作温度应不低于600℃。波纹管的壁厚通常为0.8～1.5mm，波纹数量根据所需的补偿量确定，补偿量一般为每米管道热膨胀量的1.5～2倍。
（3）柴油发电机组安装时，为吸收热膨胀、发电机组位移和振动，发动机排气口应接有24英寸（约610mm）以上的可伸缩不锈钢波纹管。同理，直接固定在地板上的小型发电机组排气口也应该有18英寸（约457mm）以上的波纹管。波纹管的长度与管径之比不应小于3:1，以保证足够的柔性。
2. 波纹管安装的注意事项
（1）波纹管严禁用来充当弯头和补偿管道安装误差。波纹管仅用于吸收热膨胀，不能承受扭曲或弯曲应力，安装时应确保波纹管处于自然状态，不得扭曲或拉伸。安装前应检查波纹管有无变形、裂纹或损伤。
（2）为减少冷凝腐蚀，排气管消音器安装时应尽可能靠近发动机，以便迅速加热。消声器距离发动机排气口不宜超过3m，以防止冷凝水在低温管段积聚。消音器和排气管应使用吊架承重，严禁使用发动机排气管承重，否则会损坏发动机排气管，降低涡轮增压器寿命。
（3）排气管推荐使用黑铁管（无缝钢管），壁厚应不小于3mm。尽可能选择半径大一些的弯头，弯曲半径不应小于管径的1.5倍。弯管应采用冷弯或热弯工艺，弯管处壁厚减薄量不应超过原壁厚的15%。
3. 冷凝排水与排气管末端设置
（1）冷凝排水口和塞子应装在排气管垂直转向处。在水平管段的最低点应设置排水阀，每段水平管道的坡度应保证冷凝水能流向排水点。排水阀应定期打开排放冷凝水（建议每次运行后排放），防止酸性冷凝液腐蚀管道和消声器。
（2）排气系统的末端应装在远离建筑物及进风口，避免染黑墙壁和窗户。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。某些标准规定排气管末端至少应离地面3米，离外墙或屋顶1米，离建筑物入口3米，高出邻近建筑物至少3米。垂直排气口应加装防雨罩，防止雨水倒灌。
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图1 波纹管膨胀节装配主视图 |
图2 波纹管膨胀节装配轴测图 |
三、柴油发电机组排烟管安装要求
1. 排烟管构造技术要求
（1）整条水平及垂直的排烟管道，内壁由SUS316不锈钢板制成，厚度1.0mm，外壁由SUS304不锈钢板制成，厚度0.8mm（此厚度适用于≤Ф800mm的烟管），专供柴油发电机排烟用的预制双层保温不锈钢排烟管。对于管径大于Ф800mm的烟管，壁厚应适当增加，内壁不小于1.2mm，外壁不小于1.0mm。
（2）不锈钢排烟管须采用单面焊接，双面成型的焊接工艺（不用焊丝），确保烟囱使用寿命30年，并按照厂家所提供的安装要求进行施工。焊接应采用氩弧焊工艺，焊缝应饱满、无气孔、无夹渣，焊后应进行酸洗钝化处理。烟管在需要法兰连接的位置采用Ω卡箍连接，方管采用TFD法兰连接，并配有耐高温和气密的垫片。密封垫片材料应选用耐温不低于600℃的石棉橡胶板或柔性石墨复合垫。
（3）垂直排烟管道须采用承托框架，间隔6m左右，作为垂直排烟管道的导向和支承。承托框架应安装在楼板或梁上，不得直接焊接在管道上。水平管道须保证3～5‰的斜率（坡向排烟出口方向），确保冷凝水能自然流向排烟出口端的排水装置。
（4）垂直排烟管的底部须设有清扫口/排污装置。清扫口的尺寸应不小于管道内径的1/3，便于检修人员清除积碳和沉积物。清扫口应密封良好，正常运行时不漏烟。
（5）每台柴油发电机排烟口配有消音器（由柴油发电机自配）。消音器应具有良好的降噪效果，通常为阻抗复合式结构，消声量不低于25dB(A)。消音器的安装位置应便于检修和更换。
（6）整条排烟管道须尽量利用楼板、墙体和顶板作支撑，各承托支架必须不能与排烟管道直接接触。支架与管道之间应设置隔热垫块（如硅酸铝纤维板），防止热量传导至建筑结构。所有承托支架需容许排烟管道膨胀收缩时所引起的相应位移不会影响建筑结构。支架设计应考虑管道的热位移方向和位移量，确保管道在膨胀时不会从支架上脱落。
（7）烟道三通须采用互补式，以利于烟气的排放流畅。三通的支管与主管的连接角度应为30°～45°，避免90°直角连接，以减少局部阻力损失。
2. 排烟管保温
（1）水平及垂直排烟管道须加以隔热和保温材料，保温材料需采用100mm厚的硅酸铝纤维棉隔热保温。硅酸铝纤维棉的密度不应低于128kg/m³，导热系数不大于0.044W/(m·K)，长期使用温度不低于1000℃。
（2）柴油发电机的排烟温度为500℃，保温后烟囱外壁温度不高于60℃。保温层外应设置不锈钢或镀锌铁皮护面层，厚度不小于0.5mm，表面温度不应超过60℃。护面层的接缝应顺水流方向搭接，防止雨水渗入保温层。保温层的施工应连续、密实，不得有空洞或缝隙，接缝处应搭接100mm以上。
3. 排烟管膨胀伸缩器
（1）须计算有关排烟管道的膨胀量和选取适当的膨胀补偿器，在适当的位置设置。膨胀补偿器的设置间距应根据管道的热膨胀量计算确定，通常每20～30m设置一个。膨胀补偿器的补偿量应为计算热膨胀量的1.5～2倍。
（2）提供的膨胀补偿器须为专供高温排烟系统的设计，所用材料均适用于高温操作，采用翻边满焊连接。膨胀补偿器的波纹管应采用多层结构（2～3层），提高抗疲劳强度和使用寿命。补偿器内部应设置导流筒，防止高速气流直接冲刷波纹管，减少流动阻力。
4. 排烟管敷设方式
（1）水平架空敷设法
水平架空敷设的优点是转弯少、阻力小，如图3所示；缺点是增加室内散热量，使机房温度升高。通常地下室常用的是水平架空敷设。架空敷设时，管道应敷设在机房顶部或沿墙敷设，高度不应低于2.5m，以保证人员通行安全。管道支架的间距应符合设计要求，水平管支架间距一般为3～5m。
（2）地沟内敷设法
地沟内敷设的优点是室内散热量小；缺点是排烟管转弯多，阻力相对较大。排烟管应单独引出，尽量减少弯头。地沟内敷设时，地沟应有足够的尺寸（宽度不小于600mm，高度不小于400mm），并设置检修人孔和排水措施。地沟内应保持通风干燥，防止积水腐蚀管道。
排烟温度在350～550℃，为防止烫伤和减少辐射热，排烟管宜进行保温处理。一般机房内不用吊顶，就是吊顶50～60℃也是没有关系。应注意的是要与吊顶内的其它管线有一定的距离，间距不应小于300mm，以避免相互影响。
图3 柴油发电机组排烟管道安装图
四、排烟系统的日常检查与维护
（1）每次运行前检查排烟管道的连接处有无漏气痕迹，可用手靠近法兰连接处感受是否有气流泄漏，或观察连接处有无黑色烟迹。发现漏气应及时紧固法兰螺栓或更换密封垫片。法兰螺栓应按规定的力矩（通常为40～60N·m）均匀拧紧。
（2）定期检查波纹管的状态，观察波纹管有无裂纹、疲劳断裂或过度变形。在机组运行后用手触摸波纹管表面（注意高温），检查有无局部过热变色（正常为灰黑色，若出现红色或亮蓝色则表明超温运行）。若发现波纹管出现裂纹或严重变形，应立即更换，防止排烟管断裂引发安全事故。
（3）定期（每运行200～300小时或每月）打开排烟管最低点的排水阀，排放冷凝水。特别是在冬季或湿度较大的环境中，应增加排水频次。排放出的冷凝水通常呈酸性，应妥善处理，避免污染环境。检查排水阀是否堵塞，确保排水畅通。
（4）检查排烟管保温层有无破损、脱落或受潮。保温层破损会导致热量散失增加，机房温度升高，同时保温层受潮后隔热性能下降。发现保温层破损应及时修补或更换。检查保温层护面层有无锈蚀或脱落，有锈蚀应除锈补漆。
（5）定期（每运行500小时或每半年）检查排烟管支架和吊架是否松动或锈蚀，承托框架是否牢固。松动会导致管道振动加剧，加速波纹管和连接法兰的疲劳损坏。应紧固松动的支架螺栓，更换严重锈蚀的支架。检查支架与管道之间的隔热垫块是否完好，若垫块老化或脱落，应更换。
（6）每年或每运行2000小时，拆下消声器检查内部有无积炭或损坏。消声器内部积炭严重时会影响消声效果并增加排气阻力，应用压缩空气或专用清洗剂清洁消声器内部。若消声器内部结构损坏（穿孔板破损或吸声材料脱落），应更换消声器。
（7）每年对排烟管道进行一次烟尘和积炭清除，使用专用刮刀或高压水枪清洗管壁。清洗后应检查管道内壁有无腐蚀或穿孔，若发现管道壁厚减薄超过原壁厚的30%，应更换该段管道。同时检查管道的支承结构是否完好，防腐涂层有无脱落，如有脱落应及时补涂耐高温防锈漆。
（8）检查排烟管末端防雨帽是否完好。防雨帽损坏或脱落会导致雨水进入排烟管，加速管道腐蚀，严重时雨水可能倒灌至增压器和发动机。若防雨帽损坏应及时更换或修复。防雨帽的通风面积不应小于管道截面积的1.5倍，否则会增加排烟阻力。
结语
柴油发电机组排烟系统的设计与安装直接关系到机组的功率输出、燃油经济性和使用寿命。排烟系统背压的严格控制（20～50mbar）是保障发动机正常工作的关键，过高的背压会导致功率下降和排气温度升高。设计时应尽量缩短烟管长度、减少弯头个数（不超过3个）、选用低阻力消声器及增大烟管直径，以降低排气阻力。排烟管的安装需遵循严格的规范，包括采用双层不锈钢预制保温管（内壁SUS316、外壁SUS304）、设置3～5‰的坡度、在垂直转向处设置冷凝排水口、每6m设置承托框架、采用100mm硅酸铝纤维棉保温使外壁温度不超过60℃、以及合理设置膨胀伸缩器（每20～30m一个）。波纹管的正确选择和安装对吸收热膨胀、补偿位移、减小安装误差尤为重要，发动机排气口应安装610mm以上可伸缩不锈钢波纹管，且严禁用来充当弯头或补偿安装误差。通过规范的排烟系统设计、施工和定期的维护检查（包括漏气检查、冷凝水排放、保温层检查、支架检查、消声器清洁和管道除锈防腐），可确保柴油发电机组排烟通畅、运行可靠，有效延长机组的使用寿命。
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