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      柴發機房的選址和地基、冷卻系統、進排風系統、排煙系統、燃油系統設計

      來源:建筑電氣設計網 作者: 更新時間:2023/5/9 9:45:51

      摘要:市電斷電期間給用戶應急供電的柴油發電機組(以下簡稱柴發)通過發動機內部燃燒柴油將化學能轉換成機械能,然后進一步通過發動機驅動發電機將機械能轉換成電能。

      0 引言
      市電斷電期間給用戶應急供電的柴油發電機組(以下簡稱柴發)通過發動機內部燃燒柴油將化學能轉換成機械能,然后進一步通過發動機驅動發電機將機械能轉換成電能。如圖1所示,機組發電是化學能向機械能和熱能轉換的動態平衡過程,即柴發持續將35%的燃燒熱能轉換成機械能發電的前提是通過機房設計,從排煙管路持續排出傳遞給尾氣的30%燃燒熱,從冷卻回路持續排出傳遞給缸套的25%熱能,從風道持續排出機組輻射給機房的10%燃燒熱。
      因此,與市電系統發電機組不同,柴發機房設計的有效性直接決定了柴發能否發出其銘牌上標出的額定功率。
        柴發機房的有效設計應從機房選址與地基設計開始,首先平衡考慮冷卻系統設計與進排風系統設計,然后完成排煙系統設計,最后布局燃油系統設計。

      1 柴發機房的選址與地基設計
      1.1機房選址

      柴發是市電的應急備用電源,所以柴發的機房應盡量遠離市電系統配電設備,以免主、備用供電設備同時受損,失去配置柴發的意義。
      1.2地基設計
      柴發的地基設計主要考慮安裝位置及用戶的減振要求。機組底座的一級減振效率為60%~80%,一二級組合減振效率大于95%,滿足一般用戶的減振要求。因此,就一般用戶而言,機房地基可采用圖2所示加強混凝土設計,但應能承載至少兩倍機組的重量。柴發地基應至少高出地面150mm,四周應比機組外圍至少超出150mm。如果用戶是醫院且柴發與手術室同在一棟建筑內,則可參考圖3采用173kPa加強混凝土地基,確保地基承載5~10倍(至少2倍)機組重量的同時,按圖中要求做進一步減振及隔振設計。

       
      2 柴發機房的冷卻
      系統設計柴發的冷卻系統與其進排風系統密切關聯,并共同影響排煙系統設計,因此柴發機房位置確定后,應首先平衡考慮冷卻系統設計與進排風系統方案。
      2.1柴發直驅風扇冷卻
      柴發的啟動和運行需要給充電、加熱甚至風扇等設備提供低壓輔助電源,因此如項目選用高壓機組,則應盡量采用直驅柴發(冷卻風扇由發動機曲軸驅動),從而避免低壓輔助電源變配電設計。柴發采用直驅水箱時,機房冷卻系統設計的工作量幾乎為零,但進排風系統設計必須滿足直驅機組滿載運行的大風量要求。
      2.2遠置水箱/散熱器冷卻
      如果項目須用低壓機組但無法滿足直驅機組滿載運行的大風量要求,則可采用電驅機組將水箱/散熱器(以下簡稱水箱)移至室外,以降低機房進風量要求。水箱遠置時,冷卻系統的驅動力源自發動機水泵,阻力來自管路的摩擦阻力及水箱與柴發的相對高差,故遠置水箱的冷卻系統設計應與室外水箱的安裝位置匹配。
      2.2.1水箱直接遠置
      如室外水箱的安裝位置距室內機組不遠,且根據其相對位置設計的冷卻回路總摩擦阻力和靜壓均小于發動機數據單上相應限值,則可參考圖4用水管直接連接柴發和水箱即可,但渦輪增壓單泵雙循環空水中冷機組不宜采用該冷卻系統設計。冷卻系統的靜壓取發動機曲軸中線與水箱頂部的高度差,管路的摩擦阻力需暖通專業設計師根據管徑及流量計算,管徑由設計師決定,流量可從發動機數據單直接查到。
      2.2.2冷卻水泵遠置
      水箱如室外水箱的安裝位置離室內機組不太遠,雖然靜壓小于發動機數據單限值,但總摩擦阻力超過相應上限,則可在參考圖4設計的基礎上,根據摩擦阻力偏差選配水泵,安裝在圖4紅色箭頭所示位置。同樣,渦輪增壓單泵雙循環空水中冷機組不宜采用該冷卻系統。
      2.2.3熱交換器遠置水箱
      如水箱的安裝位置距離機組較遠,其相應靜壓和管路總摩擦阻力均超過發動機相應限值,則可參考圖5,采用熱交換器遠置水箱。
        熱交換器的安裝位置應考慮發動機水泵的驅動能力,也可將熱交換器安裝在機組附近。熱交換器機組側一次冷卻系統與水箱側二次系統互相獨立,一次系統由發動機驅動,其流量為發動機冷卻流量;二次系統需另選水泵驅動,流量可按Q/(ΔT·C)(L/min)估算,其中Q為發動機傳給冷卻系統的熱量(kJ/min),C為水的比熱(kJ/℃/L),ΔT為熱交換器二次側容許溫升(℃)。如冷卻效果因環境溫度等緣故不太理想,可以考慮用冷卻塔替代水箱,但冷卻塔不宜用于冬天易結冰、濕度低、灰塵大及風沙多發地區。
      2.2.4熱井遠置水箱
      如水箱位置距離機組相當遠,總摩擦阻力和靜壓超過發動機限值,且靜壓超出了熱交換器密封件的承受能力,則可參考圖6采用熱井遠置水箱。熱井的安裝位置應考慮發動機水泵的驅動能力,且必須確保熱井底部高于發動機冷卻液出口;熱井兩側回路屬同一密閉冷卻系統,流量基本一致;水箱側回路需配水泵,其選型應考慮水箱位置;熱井的最小容量應包括運行時充滿所有水管的冷卻液容量、停機時水箱側流回熱井的容量及確保運行時有效熱交換的最小容量。
        熱井運行時的有效熱交換最小容量一般取冷卻系統總容量的5%,加上熱井兩側回路總流量的1/4。用熱井遠置水箱,發動機傳遞給冷卻液的熱量最終還需水箱的風扇冷卻,當環境溫度較高及管路過長時,其冷卻效果很可能不理想,因此該方案適用于夏天環境溫度不高、管路不長的項目。

      3 柴發機房的進排風系統設計
      柴發的進排風系統設計須與其冷卻系統匹配,冷卻系統設計確定后,方可匹配相應的進排風系統。
      3.1直驅機組的進排風系統設計
      室內安裝直驅柴發時,機房的進排風系統應通過風道、風量及進、排風口的有效設計,提供柴發輸出額定功率所需的最小冷卻風量。
      3.1.1風道設計
      各機組的風道設計應相互獨立,風道設計直接決定了進風量設計,進而決定了進風口面積。為了有效減少風道阻力及進風量,從而最小化進風口面積,風道設計可參考圖7,將進、排風口與機組布置在一條直線上,使風道橫跨整個機房。進、排風口位置應根據室外統計風向順風設置。如果對排風口室外風向、風速沒有把握,則可參考圖7設擋風墻,以降低排風阻力并有效防止高溫排風從進風口重新進入機房。擋風墻離開排風口的距離不應小于水箱高度。
      3.1.2 風量設計
      風量須確保柴發滿載運行時的冷卻效果。采用上述直線型風道設計時,機房的進風量滿足水箱風扇的風量需求即可;采用其它類型風道設計時,應根據暖通專業資深設計師的準確計算適當增加進風量,任何不專業的設計均將導致柴發降功率使用。
      3.1.3進、排風口面積
      進風口面積取決于進風量和進風速度。為了有效防止室外雨雪被吸入機房,進風速度應控制在150~220m/min,過高的風速產生噪聲需要進行相應的進風降噪設計;進風面積由進風量除以風速獲得,但進風口有效面積應大于水箱有效面積的1.5倍。
      采用上述直線型風道設計時,排風面積可取進風面積的2/3,但排風口有效面積應大于散熱水箱的有效面積。進、排風口設電動百葉時,風口面積應根據百葉占用的面積適當增加;進、排風口設固定百葉時,風口面積均應增加1倍。
      3.2水箱遠置時進排風系統設計
      項目采用電驅機組將水箱安裝在機房外時,機房的進排風系統也應通過風道、風量及進、排風口的有效設計,提供柴發輸出額定功率所需的燃燒空氣量及最小冷卻風量。
      3.2.1風道設計
      水箱安裝在室外時,機房風道也可參考圖7盡量采用直線型設計,使風道橫跨整個機房。同樣,進風口、排風口應根據室外統計風向順風設置。
      3.2.2風量設計
      水箱遠置時,機房的進風量需求減小,但至少保證柴發滿載運行所需的燃燒空氣量及帶走機組輻射熱所需的最小冷卻空氣量。發動機的燃燒空氣量可從其數據單上直接查到,采用上述直線型風道設計時,機房的最小冷卻空氣量根據V=Q/(C·ΔT·d)計算,其中V為最小冷卻風量(m3/min)、Q為機組總輻射熱(MJ/min)、C為空氣比熱(MJ/kg/℃)、d為空氣密度(kg/m3)、ΔT為機房進、排風口容許溫升(℃)。
      3.2.3進、排風口面積水箱遠置時,同樣應先確定合理的進風速度(150~220m/min),然后由進風量和風速計算進風面積。采用圖7所示直線型風道設計時,排風面積取決于選用的排風機外形尺寸,而排風機應根據冷卻風量及可接受的室外排風速度選型。采用其它類型風道設計時,進、排風量應由暖通專業資深設計師根據風道準確計算,任何不專業的設計,均將導致柴發降容使用。

      4 柴發機房的排煙系統設計
      排煙系統的作用是將機組滿載運行產生的廢氣有效而安全地排至戶外,并將煙氣、煙灰及噪聲驅離建筑和居民。排煙的驅動源是發動機,阻力是發動機排煙口后排煙回路的總阻力,故排煙系統設計首先是通過消音器等部件選型及排煙管路設計,使排煙回路的總阻力小于發動機數據單上的背壓限值。
      4.1排煙系統的典型設計
      各柴發的排煙系統應相互獨立,并可參照圖8設計:發動機排煙出口接至少610mm長的不銹鋼無縫波紋管,隔離機組的運行振動并吸收熱膨脹及位移,波紋管不能用于改變方向和校直;波紋管后應接消音器以降低排煙產生的噪聲,消音器的選型和數量取決于用戶的降噪要求,工業用、住宅用、醫院用消音器的降噪能力分別為12~18dB、18~25dB及25~35dB,消音器出口端應設冷凝水排放閥;水平安裝的排煙管應以小坡度通向室外,以免凝結水流向發動機;排煙改變方向處須用彎頭,且盡量用內彎半徑應大于管徑3倍的長半徑彎頭;煙管垂直爬升處應設冷凝水排放閥;排煙出口應與機房排風口同側并順風開口,排煙口應盡可能高且最好高于建筑頂部,并遠離新風入口且不能直對易燃物質或建筑物,垂直排煙出口應設防雨帽,水平排煙口應考慮防雨并加防鳥網。 
      4.2排煙系統阻力估算
      排煙系統阻力可分為消音器阻力與其余管路阻力兩部分,消音器阻力可咨詢供應商,其余管路阻力可按P=575·L·S·Q2/D5(kPa)估算,其中D為排煙管內徑(cm),Q為排煙流量(m3/min),S取23/(273+T),其中T為排煙溫度(℃),L為等效長度(m),取直管長度與波紋管、彎頭等效長度之和,波紋管等效長度取其長度的2倍,彎頭等效長度可由其類型和管徑從表1查取,比如管徑100mm的90°標準彎頭的等效長度為3m。
      4.3排煙系統的設計優化
      對選定的柴發而言,滿載時的排煙流量及排煙溫度基本穩定,故排煙系統阻力與管路等效長度成正比,與管徑的5次方成反比,因此管徑的設計優化至關重要。為了有效減小排煙阻力,排煙管徑不能小于發動機排煙口的直徑,但管徑過大既容易導致冷凝而腐蝕管件,也降低排煙速度,不利于排煙在戶外擴散。排煙系統優化應在典型設計的基礎上,首先最小化管路的等效長度,即盡量減少消音器及彎頭數量;然后在確保排煙總阻力小于發動機背壓限值的前提下,適當減小管徑以提高排煙及擴散速度,降低冷凝對管路的腐蝕。
      4.4排煙系統的安全考量消音器和排煙管路應用阻燃減振吊架或支架承重;除波紋管不能作保溫處理,排煙系統其余部件尤其是機房內消音器、排煙管必須用50mm厚的高密度隔熱材料外加鋁質護套包扎隔熱,以防火警誤報、管路冷凝腐蝕以及減少輻射熱;排煙管穿過墻壁時必須使用質量可靠的隔熱穿墻套管;煙管離地高度至少2.3m,與易燃建筑物的距離至少230mm,且所有部件應設柵欄等以防意外接觸。

      5 柴發機房的燃油系統設計
      燃油系統設計的目標是滿足機組滿載運行的供油量需求,并將剩余燃油送回油箱。供、回油驅動力分別來自發動機供油泵及其升壓油泵,阻力分別為供、回油管路摩擦阻力及油箱與發動機的相對位置,因而燃油系統設計是油箱的設計與安裝及供、回油管路的匹配設計,以確保柴發正常運行的燃油需求。
      5.1油箱的設計與安裝
      柴發的油箱分機底油箱、日用油箱和主油罐等。油箱應配油位傳感器、排污閥、通氣管及油面指示等。機底油箱適用于小容量機組,大容量柴發不宜用機底油箱時,獨立油箱的設計與安裝應滿足供、回油管總阻力(摩擦及靜壓)分別小于發動機數據單明確的供油泵的提升能力及回油管的驅動限值,任何一項不能滿足要求時,必須考慮日用油箱與主油罐組合設計,日用油箱應盡量靠近機組安裝,其容量應滿足柴發滿載運行2~4h。燃油系統的靜壓可取相應高度差,摩擦阻力則應由暖通專業設計師根據流量、管徑及管長等精確計算,任何不專業的設計均將導致柴發降功率使用。
      5.2燃油系統有效設計
      柴發選用機底油箱時,容量應滿足機組8h滿載運行,也可參考圖9或圖10匹配手動或自動補油設計;采用日用油箱、主油罐時,如主油罐安裝位置高于日用油箱,應參考圖9利用溢流給日用油箱補油,供油回路設電磁閥或電動閥,由日用油箱供油低、高液位分別控制其開、關,日用油箱溢流由輔助油泵送回主油罐;主油罐安裝位置低于日用油箱時,可參考圖10將供油泵、電磁閥或電動閥均配置到供油回路,日用油箱供油低液位控制開啟閥門和啟泵,高液位控制停泵和關閥,溢流則利用重力直接流回主油罐。

      無論采用上述哪種方案,日用油箱前供油管應設100~120目過濾器。日用油箱除配置上述供油高、低液位外,還應設最低停機液位及最高報警液位,且最低液位應比發動機油泵入口高150mm,最高液位應確保相應設計阻力小于發動機回油驅動能力。燃油系統可靠性要求較高時,可根據項目要求匹配手動補油及兩套供油泵,有柴發并聯運行中單機維修需求時,應在適當位置配維修隔離閥。
      5.3 燃油管路設計要點:油管應選用黑鐵管,與發動機本體采用軟管連接;油管應設計適當支撐,以免長期振動受損,供應管應從上至下接入柴發油泵入口,回油管禁止安裝截止閥,并獨立接入日用油箱或主油罐;油管不能靠近發動機排煙管路、電纜及加熱管路,考慮開機前方便管路清理、沖刷時,應采用T型接頭替代彎頭。
      6 結語
      柴油發電機組的應急供電是化學能向機械能和熱能轉換的動態平衡過程。柴發機房的有效設計,是在柴發輸出其額定功率時維持上述動態平衡,直接決定了柴發的最大發電能力。本文從柴發機房的選址和地基設計、冷卻系統設計、進排風系統設計、排煙系統設計、燃油系統設計幾個方面探討了柴發機房的有效設計,供同行參考。

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