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        柴發(fā)機房的選址和地基、冷卻系統、進(jìn)排風(fēng)系統、排煙系統、燃油系統設計

        來(lái)源:建筑電氣設計網(wǎng) 作者: 更新時(shí)間:2023/5/9 9:45:51

        摘要:市電斷電期間給用戶(hù)應急供電的柴油發(fā)電機組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)柴發(fā))通過(guò)發(fā)動(dòng)機內部燃燒柴油將化學(xué)能轉換成機械能,然后進(jìn)一步通過(guò)發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)發(fā)電機將機械能轉換成電能。

        0 引言
        市電斷電期間給用戶(hù)應急供電的柴油發(fā)電機組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)柴發(fā))通過(guò)發(fā)動(dòng)機內部燃燒柴油將化學(xué)能轉換成機械能,然后進(jìn)一步通過(guò)發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)發(fā)電機將機械能轉換成電能。如圖1所示,機組發(fā)電是化學(xué)能向機械能和熱能轉換的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,即柴發(fā)持續將35%的燃燒熱能轉換成機械能發(fā)電的前提是通過(guò)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(fēng)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(fā)電機組不同,柴發(fā)機房設計的有效性直接決定了柴發(fā)能否發(fā)出其銘牌上標出的額定功率。
          柴發(fā)機房的有效設計應從機房選址與地基設計開(kāi)始,首先平衡考慮冷卻系統設計與進(jìn)排風(fēng)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(fā)機房的選址與地基設計
        1.1機房選址

        柴發(fā)是市電的應急備用電源,所以柴發(fā)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(shí)受損,失去配置柴發(fā)的意義。
        1.2地基設計
        柴發(fā)的地基設計主要考慮安裝位置及用戶(hù)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(mǎn)足一般用戶(hù)的減振要求。因此,就一般用戶(hù)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(fā)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(hù)是醫院且柴發(fā)與手術(shù)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(shí),按圖中要求做進(jìn)一步減振及隔振設計。

         
        2 柴發(fā)機房的冷卻
        系統設計柴發(fā)的冷卻系統與其進(jìn)排風(fēng)系統密切關(guān)聯(lián),并共同影響排煙系統設計,因此柴發(fā)機房位置確定后,應首先平衡考慮冷卻系統設計與進(jìn)排風(fēng)系統方案。
        2.1柴發(fā)直驅風(fēng)扇冷卻
        柴發(fā)的啟動(dòng)和運行需要給充電、加熱甚至風(fēng)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(fā)(冷卻風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機曲軸驅動(dòng)),從而避免低壓輔助電源變配電設計。柴發(fā)采用直驅水箱時(shí),機房冷卻系統設計的工作量幾乎為零,但進(jìn)排風(fēng)系統設計必須滿(mǎn)足直驅機組滿(mǎn)載運行的大風(fēng)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(wú)法滿(mǎn)足直驅機組滿(mǎn)載運行的大風(fēng)量要求,則可采用電驅機組將水箱/散熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)水箱)移至室外,以降低機房進(jìn)風(fēng)量要求。水箱遠置時(shí),冷卻系統的驅動(dòng)力源自發(fā)動(dòng)機水泵,阻力來(lái)自管路的摩擦阻力及水箱與柴發(fā)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(fā)動(dòng)機數據單上相應限值,則可參考圖4用水管直接連接柴發(fā)和水箱即可,但渦輪增壓?jiǎn)伪秒p循環(huán)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(fā)動(dòng)機曲軸中線(xiàn)與水箱頂部的高度差,管路的摩擦阻力需暖通專(zhuān)業(yè)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(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機數據單限值,但總摩擦阻力超過(guò)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?jiǎn)伪秒p循環(huán)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(guò)發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機水泵的驅動(dòng)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(fā)動(dòng)機驅動(dòng),其流量為發(fā)動(dòng)機冷卻流量;二次系統需另選水泵驅動(dòng),流量可按Q/(ΔT·C)(L/min)估算,其中Q為發(fā)動(dòng)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(huán)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(fēng)沙多發(fā)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(guò)發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機水泵的驅動(dòng)能力,且必須確保熱井底部高于發(fā)動(dòng)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(shí)充滿(mǎn)所有水管的冷卻液容量、停機時(shí)水箱側流回熱井的容量及確保運行時(shí)有效熱交換的最小容量。
          熱井運行時(shí)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(fā)動(dòng)機傳遞給冷卻液的熱量最終還需水箱的風(fēng)扇冷卻,當環(huán)境溫度較高及管路過(guò)長(cháng)時(shí),其冷卻效果很可能不理想,因此該方案適用于夏天環(huán)境溫度不高、管路不長(cháng)的項目。

        3 柴發(fā)機房的進(jìn)排風(fēng)系統設計
        柴發(fā)的進(jìn)排風(fēng)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(jìn)排風(fēng)系統。
        3.1直驅機組的進(jìn)排風(fēng)系統設計
        室內安裝直驅柴發(fā)時(shí),機房的進(jìn)排風(fēng)系統應通過(guò)風(fēng)道、風(fēng)量及進(jìn)、排風(fēng)口的有效設計,提供柴發(fā)輸出額定功率所需的最小冷卻風(fēng)量。
        3.1.1風(fēng)道設計
        各機組的風(fēng)道設計應相互獨立,風(fēng)道設計直接決定了進(jìn)風(fēng)量設計,進(jìn)而決定了進(jìn)風(fēng)口面積。為了有效減少風(fēng)道阻力及進(jìn)風(fēng)量,從而最小化進(jìn)風(fēng)口面積,風(fēng)道設計可參考圖7,將進(jìn)、排風(fēng)口與機組布置在一條直線(xiàn)上,使風(fēng)道橫跨整個(gè)機房。進(jìn)、排風(fēng)口位置應根據室外統計風(fēng)向順風(fēng)設置。如果對排風(fēng)口室外風(fēng)向、風(fēng)速沒(méi)有把握,則可參考圖7設擋風(fēng)墻,以降低排風(fēng)阻力并有效防止高溫排風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口重新進(jìn)入機房。擋風(fēng)墻離開(kāi)排風(fēng)口的距離不應小于水箱高度。
        3.1.2 風(fēng)量設計
        風(fēng)量須確保柴發(fā)滿(mǎn)載運行時(shí)的冷卻效果。采用上述直線(xiàn)型風(fēng)道設計時(shí),機房的進(jìn)風(fēng)量滿(mǎn)足水箱風(fēng)扇的風(fēng)量需求即可;采用其它類(lèi)型風(fēng)道設計時(shí),應根據暖通專(zhuān)業(yè)資深設計師的準確計算適當增加進(jìn)風(fēng)量,任何不專(zhuān)業(yè)的設計均將導致柴發(fā)降功率使用。
        3.1.3進(jìn)、排風(fēng)口面積
        進(jìn)風(fēng)口面積取決于進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)速度。為了有效防止室外雨雪被吸入機房,進(jìn)風(fēng)速度應控制在150~220m/min,過(guò)高的風(fēng)速產(chǎn)生噪聲需要進(jìn)行相應的進(jìn)風(fēng)降噪設計;進(jìn)風(fēng)面積由進(jìn)風(fēng)量除以風(fēng)速獲得,但進(jìn)風(fēng)口有效面積應大于水箱有效面積的1.5倍。
        采用上述直線(xiàn)型風(fēng)道設計時(shí),排風(fēng)面積可取進(jìn)風(fēng)面積的2/3,但排風(fēng)口有效面積應大于散熱水箱的有效面積。進(jìn)、排風(fēng)口設電動(dòng)百葉時(shí),風(fēng)口面積應根據百葉占用的面積適當增加;進(jìn)、排風(fēng)口設固定百葉時(shí),風(fēng)口面積均應增加1倍。
        3.2水箱遠置時(shí)進(jìn)排風(fēng)系統設計
        項目采用電驅機組將水箱安裝在機房外時(shí),機房的進(jìn)排風(fēng)系統也應通過(guò)風(fēng)道、風(fēng)量及進(jìn)、排風(fēng)口的有效設計,提供柴發(fā)輸出額定功率所需的燃燒空氣量及最小冷卻風(fēng)量。
        3.2.1風(fēng)道設計
        水箱安裝在室外時(shí),機房風(fēng)道也可參考圖7盡量采用直線(xiàn)型設計,使風(fēng)道橫跨整個(gè)機房。同樣,進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口應根據室外統計風(fēng)向順風(fēng)設置。
        3.2.2風(fēng)量設計
        水箱遠置時(shí),機房的進(jìn)風(fēng)量需求減小,但至少保證柴發(fā)滿(mǎn)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(fā)動(dòng)機的燃燒空氣量可從其數據單上直接查到,采用上述直線(xiàn)型風(fēng)道設計時(shí),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(fēng)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(jìn)、排風(fēng)口容許溫升(℃)。
        3.2.3進(jìn)、排風(fēng)口面積水箱遠置時(shí),同樣應先確定合理的進(jìn)風(fēng)速度(150~220m/min),然后由進(jìn)風(fēng)量和風(fēng)速計算進(jìn)風(fēng)面積。采用圖7所示直線(xiàn)型風(fēng)道設計時(shí),排風(fēng)面積取決于選用的排風(fēng)機外形尺寸,而排風(fēng)機應根據冷卻風(fēng)量及可接受的室外排風(fēng)速度選型。采用其它類(lèi)型風(fēng)道設計時(shí),進(jìn)、排風(fēng)量應由暖通專(zhuān)業(yè)資深設計師根據風(fēng)道準確計算,任何不專(zhuān)業(yè)的設計,均將導致柴發(fā)降容使用。

        4 柴發(fā)機房的排煙系統設計
        排煙系統的作用是將機組滿(mǎn)載運行產(chǎn)生的廢氣有效而安全地排至戶(hù)外,并將煙氣、煙灰及噪聲驅離建筑和居民。排煙的驅動(dòng)源是發(fā)動(dòng)機,阻力是發(fā)動(dòng)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(guò)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(fā)動(dòng)機數據單上的背壓限值。
        4.1排煙系統的典型設計
        各柴發(fā)的排煙系統應相互獨立,并可參照圖8設計:發(fā)動(dòng)機排煙出口接至少610mm長(cháng)的不銹鋼無(wú)縫波紋管,隔離機組的運行振動(dòng)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(chǎn)生的噪聲,消音器的選型和數量取決于用戶(hù)的降噪要求,工業(yè)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(fā)動(dòng)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(cháng)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(fēng)口同側并順風(fēng)開(kāi)口,排煙口應盡可能高且最好高于建筑頂部,并遠離新風(fēng)入口且不能直對易燃物質(zhì)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(niǎo)網(wǎng)。 
        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(xún)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(cháng)度(m),取直管長(cháng)度與波紋管、彎頭等效長(cháng)度之和,波紋管等效長(cháng)度取其長(cháng)度的2倍,彎頭等效長(cháng)度可由其類(lèi)型和管徑從表1查取,比如管徑100mm的90°標準彎頭的等效長(cháng)度為3m。
        4.3排煙系統的設計優(yōu)化
        對選定的柴發(fā)而言,滿(mǎn)載時(shí)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(cháng)度成正比,與管徑的5次方成反比,因此管徑的設計優(yōu)化至關(guān)重要。為了有效減小排煙阻力,排煙管徑不能小于發(fā)動(dòng)機排煙口的直徑,但管徑過(guò)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(hù)外擴散。排煙系統優(yōu)化應在典型設計的基礎上,首先最小化管路的等效長(cháng)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(fā)動(dòng)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?jì)认羝?、排煙管必須?0mm厚的高密度隔熱材料外加鋁質(zhì)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(guò)墻壁時(shí)必須使用質(zhì)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(fā)機房的燃油系統設計
        燃油系統設計的目標是滿(mǎn)足機組滿(mǎn)載運行的供油量需求,并將剩余燃油送回油箱。供、回油驅動(dòng)力分別來(lái)自發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)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(fā)正常運行的燃油需求。
        5.1油箱的設計與安裝
        柴發(fā)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(fā)不宜用機底油箱時(shí),獨立油箱的設計與安裝應滿(mǎn)足供、回油管總阻力(摩擦及靜壓)分別小于發(fā)動(dòng)機數據單明確的供油泵的提升能力及回油管的驅動(dòng)限值,任何一項不能滿(mǎn)足要求時(shí),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(mǎn)足柴發(fā)滿(mǎn)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(zhuān)業(yè)設計師根據流量、管徑及管長(cháng)等精確計算,任何不專(zhuān)業(yè)的設計均將導致柴發(fā)降功率使用。
        5.2燃油系統有效設計
        柴發(fā)選用機底油箱時(shí),容量應滿(mǎn)足機組8h滿(mǎn)載運行,也可參考圖9或圖10匹配手動(dòng)或自動(dòng)補油設計;采用日用油箱、主油罐時(shí),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(dòng)閥,由日用油箱供油低、高液位分別控制其開(kāi)、關(guān),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(shí),可參考圖10將供油泵、電磁閥或電動(dòng)閥均配置到供油回路,日用油箱供油低液位控制開(kāi)啟閥門(mén)和啟泵,高液位控制停泵和關(guān)閥,溢流則利用重力直接流回主油罐。

        無(wú)論采用上述哪種方案,日用油箱前供油管應設100~120目過(guò)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(fā)動(dòng)機油泵入口高150mm,最高液位應確保相應設計阻力小于發(fā)動(dòng)機回油驅動(dòng)能力。燃油系統可靠性要求較高時(shí),可根據項目要求匹配手動(dòng)補油及兩套供油泵,有柴發(fā)并聯(lián)運行中單機維修需求時(shí),應在適當位置配維修隔離閥。
        5.3 燃油管路設計要點(diǎn):油管應選用黑鐵管,與發(fā)動(dòng)機本體采用軟管連接;油管應設計適當支撐,以免長(cháng)期振動(dòng)受損,供應管應從上至下接入柴發(fā)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(fā)動(dòng)機排煙管路、電纜及加熱管路,考慮開(kāi)機前方便管路清理、沖刷時(shí),應采用T型接頭替代彎頭。
        6 結語(yǔ)
        柴油發(fā)電機組的應急供電是化學(xué)能向機械能和熱能轉換的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。柴發(fā)機房的有效設計,是在柴發(fā)輸出其額定功率時(shí)維持上述動(dòng)態(tài)平衡,直接決定了柴發(fā)的最大發(fā)電能力。本文從柴發(fā)機房的選址和地基設計、冷卻系統設計、進(jìn)排風(fēng)系統設計、排煙系統設計、燃油系統設計幾個(gè)方面探討了柴發(fā)機房的有效設計,供同行參考。

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