柴油发电机房进风井、排风井和排烟井设计方案

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发布时间：2024-05-27 01:28:01 ▏阅读：次

摘要：突发性地停电将会严重阻碍经济运作和通信设施等相关领域的正常运作，这就需要一台柴油发电机组来保证供电系统的稳定性。首先我们应知道选择一台高效可靠的发电机组=优质发动机+优质发电机+优质配套工艺；而要使柴油发电机组达到最大的功率，其一是保证柴油机和发电机之间具备科学的连接结构，其二是要求认真遵守柴油发电机组的安装规范，保证高精度的零件质量和高水平的安装质量。本文围绕排烟系统的设计与安装要求、进风井与排风井及排烟井的设计计算，以及各类实施方案的适用条件展开说明。

一、排烟系统的设计与安装要求

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，发电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。在该部分的设计中，文中主要对发电机组排烟管的敷设要求、排烟管的防噪及保温作出了说明，同时对排烟管保温层的厚度以列表的形式进行了说明，应特别注意，排烟管的保温厚度与排烟管外径及排烟管外表面温度有关。

1. 排烟管安装要求

（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。

（2）须通过波纹管与发电机组排烟出口相连接以吸收热膨胀、位移和振动。

（3）消音器置于机房内时，根据其尺寸、重量可采用从地面支撑的办法。

（4）在烟管改变方向的部分，建议安装膨胀节，以抵消发电机组运行时管道的热膨胀。

（5）90°弯头的内弯半径应为管径的3倍，尽可能靠近发电机组。

（6）当管路较长时，建议在末端安装一后级消音器。

（7）住宅用柴油发电机组排烟终端出口不能直对易燃物质或建筑物。

（8）发电机组排烟出口不得承受重压，钢性管路应借助建筑物或钢结构得以支撑固定。

（9）为防冷凝物倒流入发电机组，平置的排烟管应有坡度，低端远离发动机；在消音器及其它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）在条件允许下的情况下，尽可能将绝大部分烟管布置在机房外以减少辐射热；室内的烟管应加装隔热护套。如果受安装条件限制，须将消音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）烟管的终端应能减少雨水的滴落。可将烟管水平面伸出，出口修料或安装防雨帽。

2. 排烟管的防噪与保温

（1）防噪措施

排烟噪声是柴油发电机组的主要噪声源之一，防噪措施主要包括：选用合适的消声器、在管路中设置膨胀节以减少振动传递、管路支撑处加装减振垫、室内管路包扎隔声材料。当管路较长时，在末端安装后级消音器可进一步降低出口噪声。

（2）保温的必要性

排烟管表面温度较高，若不保温，不仅会造成机房内温度升高，还会增加人员烫伤风险。保温层的作用是减少散热损失、降低机房热负荷，并使排烟管外表面温度控制在安全范围内。

（3）保温材料与结构

常用的保温材料为岩棉或高密度玻璃棉，外包铝质护套。室内管路宜采用50毫米厚的高密度隔热材料包扎。保温层应连续覆盖，法兰、阀门等处不得留有裸露段。

（4）保温厚度的选择依据

排烟管的保温厚度与排烟管外径及排烟管外表面温度有关。管径越大、温度越高，所需保温层越厚。设计时应按表2选择，并结合机房环境温度与人员接触可能性综合确定。

3. 排烟系统的背压计算

（1）背压计算公式

排烟系统背压可根据下式计算：

$P = \frac{575 L_{s} Q}{D}$

式中： $L$ 为直管及弯头长度（米）； $Q$ 为排烟流量（立方米/每分钟）； $D$ 为烟管内径（厘米）； $S$ 为随排烟绝对温度的变化关系； $P 为背压（千帕），必须低于规定的许可背压值。$

（2）推荐管径

表1 排烟管推荐管径(单位：mm)

排烟出口管径	小于6m	6-12m	12-18m	18-24m
50	50	63	76	76
76	76	89	100	100
89	89	100	100	100
100	100	127	127	150
127	127	150	150	200
150	150	150	200	200
200	200	200	254	254
254	254	254	305	305
表1中尺寸仅供参考，设计时需根据排气允许压降及各种消声器技术参数而定。

（3）保温层厚度

表2 排烟管保温层厚度选择表(单位：mm)

排烟管外径(Dw)	300℃	350℃	400℃	450℃	500℃	530℃	600℃
57	60	60	60	80	40/60	40/60	40/80
73	60	60	60	80	40/60	40/60	40/80
89	60	60	60	80	40/60	40/60	40/80
108	60	60	60	80	40/60	40/60	40/80
133	60	60	60	80	40/60	40/60	40/80
159	60	60	60	80	40/60	40/60	40/80
219	60	60	80	80	40/60	40/80	40/100
273	60	60	80	80	40/60	40/80	40/100
325	60	60	80	100	40/60	40/80	40/100
377	60	60	80	100	40/60	40/80	40/100
426	60	60	80	100	40/60	40/80	40/100
表2系按排烟管加保温层后外表面温度≤60℃,巩固中欧环境温度20℃而制成。

（4）背压超限的后果

若实际背压超过许可值，会使排气不畅，气缸内残余废气增多，充气效率下降，表现为功率不足、排温升高、冒黑烟，严重时影响机组正常运行。因此，在排烟管布置时应尽量缩短长度、减少弯头、避免管径突变。

二、进风井、排风井、排烟井的设计

1. 进风井、排风（烟）井面积

民用建筑地下室柴油发电机房的通风主要包含柴发发电机组的散热通风、机房环境通风以及燃烧所需空气通风，排烟主要指发电机组运行时的烟气排放。机房通风一般通过设置进、排风井解决，排烟需要通过专用烟井尽量高空排放。在实际工程设计过程中，需要土建专业预留进、排风（烟）井道，首先就需要确定各风井的面积。

2. 进风井、排风井面积的确定

（1）排风量与进风量的关系

对于风冷冷却的发电机组，确定进、排风井的面积，首先要确定进、排风量，其中排风量 $G_{排}$ 即为维持机房温度所需的风量，而进风量 $G_{进}$ 等于排风量 $G_{排}$ 和燃烧所需空气量 $G_{燃烧}$ 之和。按照全面通风的公式，计算维持机房室内温度所需的风量：

$G_{排} = \frac{Q}{0.377 \times (t_{p} - t_{j})} ..............................式（1）$

式中： $G_{排}$ ——排风量，m³/h；

$Q$ ——机房内发热量（对于开式发电机组， $Q$ 为柴油机、发电机和排烟管的散热量之和；对于闭式发电机组， $Q$ 为柴油机气缸冷却水管和排烟管的散热量之和），kW；

$t_{p}$ ——排风温度，℃；

$t_{j}$ ——进风温度，℃。

（2）工程设计中的实操取值方式

根据式（1）， $t_{j}$ 可以根据项目所在地的夏季室外通风温度确定， $t_{p}$ 实际上包含了柴油发电机组散热排风温度和机房环境排风温度两个值，而 $Q$ 也包含了柴油发电机组排风带走的热量和散发到机房室内需要排风机带走的热量两个值，实际上要想准确确定上述各个参数是很难的。在工程设计中建议采用实操性较强的方式确定风量：将排风量 $G_{排}$ 拆分为柴油发电机组本身的散热通风量 $G_{柴发排}$ ，此部分根据厂家样本取值，而机房排风量 $G_{机房排}$ 可以参考GB 50041-2020《锅炉房设计标准》的要求，地下室柴油发电机房的通风换气量按照不小于12次/h设计，将这两部分的和值确定为排风量 $G_{排}$ ；而进风量则通过式（2）计算：

$G_{进} = G_{排} + G_{燃烧 ..............................式（2）}$

式中： $G_{燃烧}$ ——燃烧空气量，m³/h。

（3）燃烧空气量的估算

$G_{燃烧}$ 可以根据7m³/kW·h的发电机组额定功率计算或根据厂家样本选取。确定了机房进风量 $G_{进}$ 和排风量 $G_{排}$ ，则可以根据式（3）确定风井面积：

$S = \frac{G}{3600 V} .............................. 式（3）$

式中： $S$ ——风井面积，m²；

$G$ ——进风量或排风量，m³/h；

$V ——风井流速，m/s。$

（4）风井流速的取值

$V$ 的取值没有明确的规范规定，只有经验数据，一般来说，柴油发电机房采用自然进风方式时，进风风井的风速宜取3~5 m/s，排风风井的风速宜取4~6 m/s，如果风速取值过大，对自然进风不利，室内容易形成过度负压，影响发电机组运行；如果风速取值过小，则土建专业在预留风井时会有很大的难度。

（5）风口面积的校核

同时校核排风口的面积不宜小于柴油发电机组散热器面积的1.5倍，进风口面积不宜小于发电机组散热器面积的1.6倍，室外百叶按照遮挡系数0.6折算，加大百叶面积。如果受限于土建条件，风井风速超过上述推荐值，则需要提资暖通专业，考虑采用机械进风方式。

3. 排烟井面积的确定

（1）排烟量与选型样本

确定排烟井的面积首先也要确定柴油发电机组的排烟量，柴油发电机组的排烟量一般由厂家选型样本提供，再根据排烟量和烟囱路径核算烟囱尺寸。选用的烟囱尺寸需要保证：

$P_{背压} + P_{抽力} \geq P_{阻力}$

式中： $P_{背压}$ ——发电机组的排气背压，Pa；

$P_{抽力}$ ——竖向烟道的自然抽力，Pa；

$P_{阻力}$ ——烟囱总阻力，Pa。

（2）自然抽力的计算

其中， $P_{背压}$ 由选型厂家提供， $P_{抽力}$ 由式（4）计算：

$P_{抽力} = 0.0345 H {\frac{1}{273 + t_{b}} - \frac{1}{273 + t_{f}}} B .............................. 式（4）$

式中： $H$ ——烟囱的垂直高度，m；

$t_{b}$ ——室外空气温度，℃；

$t_{f}$ ——烟囱管道平均温度，℃；

$B$ ——大气压力，Pa。

（3）烟囱总阻力的计算

其中， $t_{f}$ 由选型厂家提供，而 $P_{阻力}$ 则由式（5）计算：

$P_{阻力} = [λ \frac{H}{d} + ζ] \frac{V_{烟气}^{2}}{2} ρ .............................. 式（5）$

式中： $λ$ ——烟壁阻力系数，取0.03；

$H$ ——烟囱沿程管道总长度，m；

$d$ ——烟囱内径，m；

$ζ$ ——局部阻力系数（90°弯头取0.7，缓弯取0.3，三通取1.0，30°变径取0.5，烟囱出口阻力系数取1.1，烟囱的消声器局部阻力由厂家提供，当无资料时可取2）；

$V_{烟气}$ ——烟囱内烟气流速，m/s；

$ρ$ ——烟气密度，kg/m³。

（4）烟气流速与密度的计算

其中， $V_{烟气}$ 、 $ρ 分别由式（6）、式（7）计算：$

$V_{烟气} = \frac{G_{烟气}}{3600 (π d^{2} / 4)} .............................. 式（6）$
$ρ = \frac{273}{273 + t_{f}} \times 1.34 .............................. 式（7）$

式中： $G_{烟气}$ ——烟气排放量（由选型厂家提供），m³/h。

（5）烟囱内径的确定

假定烟囱内径 $d$ ，再根据上述各公式确定是否满足发电机组背压与抽力之和大于烟囱总阻力，从而确定烟囱内径，同时可以得知当烟囱内径越大，弯头越少，则阻力越小，但烟囱的成本也越高，土建预留的井道也越大，因此需要合理计算。在初步设计阶段，也可以根据烟气流量及烟气流速 $V_{烟气} = 30 m/s$ 预估烟囱内径。

（6）烟井尺寸的确定

计算确定烟囱内径 $d$ 后，考虑烟囱外包岩棉保温层100 mm厚，烟囱距管井各边墙面预留150 mm安装间隙（剪力墙一边留350 mm），以此确定烟井尺寸。

三、进风井、排风井和排烟井实施方案

根据康明斯公司多年来的项目设计经验，柴油发电机房的进风井、排风井和排烟井实施方案主要有以下几种类型，可适用于绝大部分项目，以供柴发机房设计人员参考。

1. 地面进风、排风实施方案

（1）方案概述

此方案进风、排风、排烟井升出地面，需要考虑管井避免影响地面道路及建筑美观，可藏于景观绿化区。进风_排风_排烟井出地面设计方案图如图3所示。

（2）气流组织要求

进风口与排风口、排烟口分别朝相反方向，避免气流短路。进风口宜设置于排风口的上风侧，排烟口应高于进风口，防止排出的热气与烟气被重新吸入。

（3）实施案例

实施案例如图3所示，此案例柴油发电机房设置于地下2层（最底层），因地下2层层高较低，采用地下1层、地下2层两层通高做柴油发电机房，机房烟气经处理后可满足排放要求。

（4）适用条件

本方案适用于地面有绿化带或空地可供布置管井的项目，管井位置应避开人员活动密集区与主要景观视线。

柴油发电机进风_排风_排烟井出地面设计方案图.png

图3 进风_排风_排烟井出地面设计方案图

2. 中庭采光天井进风、排风实施方案

（1）方案概述

部分项目地下室设置有采光天井（无顶盖），此时可利用采光天井作为柴油发电机房的新风取风点，另在附近首层靠建筑外墙处（尽量选建筑背面）设置排风井，1层侧墙设置排风百叶口，贴邻电梯井道或垂直楼梯间设排烟井上屋面。中庭采光天井进风_排风计方案图如图4所示。

（2）实施案例

实施案例如图4所示。此案例柴油发电机房设置于地下2层（最底层），层高不满足机房要求，因机房面积较大，两层通高方案不适用，故设计采用降板解决层高不足。

（3）防水排水措施

另考虑雨天采光天井易形成积水，柴油发电机房降板又是建筑最低点，故设计采取加强防水排水措施，在机房靠采光天井处设置截水沟，并设置专用排水泵，满足暴雨时的排水要求。

（4）适用条件

本方案适用于设有采光天井且天井附近具备排风井布置条件的项目，设计时应重点解决天井积水与机房防水问题。

柴油发电机中庭采光天井进风_排风计方案图.png

图4 中庭采光天井进风_排风计方案图

3. 车道进风、排风实施方案

（1）方案概述

有些项目受土建条件限制，很难找到理想的进风、排风井，此时也可考虑利用地下车库入口车道作为柴油发电机房的进风、排风点，此方案机房一般位于车道下方，需要注意机房层高是否满足要求。

（2）实施案例

此案例机房进风在车道入口坡道侧墙取风，机房排风利用坡道另一侧设置排风井出1层地面侧墙开百叶。

（3）风道布置要求

为了满足机房净高要求，机房设置位置与进风井、排风井不能贴邻，故采用设置进、排风风道作为连通机房的通道，可以满足要求，但风道不宜过长，否则进、排风阻力增大。

（4）适用条件

本方案适用于车道入口附近有可用取风与排风位置的项目，设计时应核算风道长度与阻力，避免因风道过长造成进排风不足。

4. 建筑外墙进风、排风实施方案

（1）方案概述

当利用建筑外墙区域作为进风、排风点时，很难找到不同侧进风、排风的条件，采用同侧进风井、排风井布置实施案例如图5所示。

（2）实施案例

此案例机房设置于地下2层（共地下3层），因地下室设置机械车位，层高较高，机房净高大于4.0 m，可满足要求。

（3）防止气流短路的措施

进风井、排风井靠建筑外墙同侧设置，为了避免气流短路，进风井、排风井间隔开分别设置于机房两端，进风口设置于排风口上风侧，同时进风井在1层侧墙开百叶取新风，排风井上到2层侧墙开百叶排风（排风口高出进风口＞6 m），机房排烟井贴邻电梯井道边设置并上裙房屋面。

（4）适用条件

本方案适用于外墙区域有限、无法实现不同侧进排风的项目，设计时应通过拉开进排风井间距、抬高排风口高度等方式避免气流短路。

柴油发电机房建筑外墙引风_排风计方案图.png

图5 建筑外墙引风_排风计方案图

总结

通过本次对发电机组用柴油机的基本概述和安装结构重点事项的计算分析，认识到安装发电机组设计质量好坏是影响柴油机正常工作的关键，我们应继续加强设计验证手段，提高其安全系数，保证机车运行的高效性和可靠性。其意义在于：排烟系统的安装要求与背压计算决定了废气能否顺畅排出而不影响柴油机功率，进风井、排风井与排烟井的面积计算则直接关系到机房能否维持适宜温度、燃烧能否获得足够空气、烟气能否达标排放。按公式核算排风量、进风量、风井面积、烟囱抽力与阻力，并结合地面、中庭、车道、建筑外墙等不同土建条件选择相应的实施方案，可以在满足机房散热与排烟要求的同时，兼顾土建预留的可行性与建筑美观，避免因风井面积不足、背压过大或气流短路造成机组功率下降、机房温度过高或排烟不畅等问题。

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