影响柴油发电机排气背压的因素和计算公式
发布时间：2023-09-13 点击：470
影响柴油发电机排气背压的因素和计算公式
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。有时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。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。通过排气管道让排出的气体自由地流动以减少排气背压，过大的排气背压会严重影响柴油机的输出功率。
一、造成高背压的主要因素
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。
二、排烟管与弯头管径匹配表
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
管径/英寸
45°弯头（m/每个弯头）
90°弯头（m/每个弯头）
3.5
0.57
1.33
4
0.65
1.52
5
0.81
1.90
6
0.98
2.28
7
1.22
2.70
8
1.39
3.04
10
1.74
3.8
12
2.09
4.56
14
2.44
5.32
三、排烟系统的背压计算公式
（1）排烟管背压的计算
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）。
（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
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1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
图1 柴油发电机排气流速和阻力曲线图
（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
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］
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
四、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
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℃。
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
式中 a管——消声器排烟口的截面积；
a管＝3.14×(0.369/2)2=0.1069㎡
由v消如图1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
4）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。
五、排气背压调节装置
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。
图2 柴油发电机排气背压调节系统
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
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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。有时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。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。通过排气管道让排出的气体自由地流动以减少排气背压，过大的排气背压会严重影响柴油机的输出功率。
一、造成高背压的主要因素
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。
二、排烟管与弯头管径匹配表
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
管径/英寸
45°弯头（m/每个弯头）
90°弯头（m/每个弯头）
3.5
0.57
1.33
4
0.65
1.52
5
0.81
1.90
6
0.98
2.28
7
1.22
2.70
8
1.39
3.04
10
1.74
3.8
12
2.09
4.56
14
2.44
5.32
三、排烟系统的背压计算公式
（1）排烟管背压的计算
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）。
（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
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1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
图1 柴油发电机排气流速和阻力曲线图
（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
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］
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
四、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
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℃。
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
式中 a管——消声器排烟口的截面积；
a管＝3.14×(0.369/2)2=0.1069㎡
由v消如图1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
4）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。
五、排气背压调节装置
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。
图2 柴油发电机排气背压调节系统
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
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重庆康明斯1000KW以上推荐机型QSK38-G5/QSK50-G4
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