排氣背壓影響因素的正交數(shù)值計(jì)算研究

莫 辛，劉洪斌，陳玉華

（1．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500；2．湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

當(dāng)前針對(duì)海洋工程上應(yīng)用的設(shè)備的廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高。發(fā)電機(jī)組是海洋工程上不可或缺的重要設(shè)備，作為一種能源轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)其進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)十分必要。其中發(fā)電機(jī)的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)械性能、使用壽命、能量轉(zhuǎn)換效率等方面有著顯著的影響。特別是對(duì)海洋平臺(tái)用的柴油發(fā)電機(jī)組，其安裝在極其有限的平臺(tái)空間中，既要保證其使用性能又要符合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，故其排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝布置都是十分重要的。理論研究及工程實(shí)踐表明：發(fā)電機(jī)排氣背壓過(guò)小會(huì)導(dǎo)致提前排氣，使能量轉(zhuǎn)換不充分，造成能源的浪費(fèi)并且加大排放到大氣中的廢氣量，污染加劇。若排氣背壓過(guò)大則會(huì)大量消耗機(jī)械功，使效率下降，影響發(fā)電機(jī)的性能，耗油量加大。因此發(fā)電機(jī)的排氣背壓要在一個(gè)規(guī)定區(qū)間內(nèi)，才能使發(fā)電機(jī)環(huán)保運(yùn)行。在正常情況下發(fā)電機(jī)廠商都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行背壓測(cè)試，從而得到一個(gè)最大排氣背壓限制值，然后用戶根據(jù)這個(gè)最大背壓值去設(shè)計(jì)相應(yīng)的排氣管道系統(tǒng)。

針對(duì)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工程技術(shù)人員一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去設(shè)計(jì)布置排煙系統(tǒng)，然后根據(jù)廠家提供的估算公式去驗(yàn)算背壓[1]，由于對(duì)各影響因素對(duì)背壓的影響顯著程度缺乏直觀的了解和指引[2]，導(dǎo)致經(jīng)常會(huì)反復(fù)修改排煙系統(tǒng)布置圖?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)背壓的研究和設(shè)計(jì)一般采用軟件數(shù)值模擬計(jì)算的方式去計(jì)算背壓，雖然結(jié)果相對(duì)精確，但是過(guò)程十分煩雜。而在普通的工程項(xiàng)目中對(duì)背壓的要求并沒(méi)有需要很精確的數(shù)值，只需要控制在一定范圍內(nèi)。

論文創(chuàng)新性地將“正交+數(shù)值計(jì)算”技術(shù)引入到對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素的分析中，展開(kāi)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素的研究。

1 研究對(duì)象

本文以某潿洲平臺(tái)模塊鉆機(jī)上應(yīng)用的柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)海上平臺(tái)的實(shí)際情況確定影響因素和水平，并通過(guò)科學(xué)的方法對(duì)這些發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素進(jìn)行研究，從而得到這些影響因素對(duì)發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響程度以及趨勢(shì)。

對(duì)于本文研究的發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)的背壓指排氣出口處（圖1中的1位置）到排氣管出口處（大氣壓）之差。其形成的原因是氣體在高速流動(dòng)時(shí)受到內(nèi)部摩擦阻礙與外部物體對(duì)其的阻礙。排氣過(guò)程中的功率損失主要由沿程阻力和局部阻力兩部分組成。其中沿程阻力主要出現(xiàn)在排氣管道內(nèi)壁上，這是由于排出氣體與管道壁面之間摩擦而產(chǎn)生的，其大小取決于排氣管內(nèi)壁粗糙度以及廢氣的流動(dòng)速度。而局部阻力主要出現(xiàn)在排氣系統(tǒng)中各氣體流通截面突變處，即主要集中在排氣系統(tǒng)管路以及在消聲器內(nèi)氣體流動(dòng)通道中的收縮或擴(kuò)張等截面積突變處。在氣體流通截面突變處，氣體的壓力能和其動(dòng)能產(chǎn)生突變，氣體在小范圍內(nèi)形成漩渦加劇其動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，能量耗損增加，同時(shí)進(jìn)一步加劇了流體之間的摩擦損失，內(nèi)能損耗增大。局部阻力取決于排氣管路局部結(jié)構(gòu)以及管道直徑和流體速度。所以排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及布置可以改變排氣背壓的大小，當(dāng)背壓增大時(shí)，能量損失跟著增大，耗油量及噪音也會(huì)加劇[3]。

該柴油發(fā)電機(jī)是卡特彼勒3512B DITA海洋用發(fā)電機(jī)（結(jié)構(gòu)如圖1所示），其基本參數(shù)為1200EKW@1 500 r/min，50 Hz，600 V，0.8PF。該柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)由干式排氣管（附帶隔熱板），雙渦輪增壓（附帶隔熱板），豎直排氣出口，柔性連接波紋管，變徑接頭，可焊接法蘭，彎頭，滅火星式消聲器以及排氣直管組成。本文所研究的排氣系統(tǒng)是指在豎直排氣出口以后部分，即廢氣排放量是在豎直排氣出口處的數(shù)值。廢氣排放相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表13512 B發(fā)電機(jī)組廢氣排放相關(guān)參數(shù)

2 數(shù)值處理計(jì)算過(guò)程

本文運(yùn)用正交法來(lái)對(duì)影響海上平臺(tái)用柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的因素進(jìn)行分析研究。這樣可在實(shí)現(xiàn)研究目的地基礎(chǔ)上大量減少各種資源的消耗[4]。

由上述柴油發(fā)電機(jī)的排氣參數(shù)（如表1所示）及排氣系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示），根據(jù)卡特彼勒柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用指南中提供的排氣背壓計(jì)算式，我們選擇了廢氣流量、廢氣比重、排氣管內(nèi)徑以及排氣直管當(dāng)量總長(zhǎng)度這4個(gè)影響因素作為分析因子來(lái)進(jìn)行研究，并且根據(jù)以往項(xiàng)目相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)將這4個(gè)影響因素在海上平臺(tái)應(yīng)用的常用范圍內(nèi)平均分為4個(gè)等級(jí)（水平）（見(jiàn)表2）。廢氣比重C可由式1求得，其中T為排氣氣體溫度。

表2 對(duì)排氣背壓影響的因素水平表

選用L16（45）正交表來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)算的研究方案（見(jiàn)表3）。

表3 對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)算的研究方案

與機(jī)組配套的滅火星式消音器壓力降Ps參數(shù)（如表4所示）。

表4 排氣消音器壓力降參數(shù)

根據(jù)卡特彼勒柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用指南得到排氣系統(tǒng)的總阻力（背壓）P為排氣管道阻力Pg與消音器壓力降Ps之和[5]，其計(jì)算公式

P為背壓力（kPa）；A 為廢氣流量（m3/min）；B 為排氣管內(nèi)徑（mm）；C為廢氣比重即空氣密度（kg/m3）；D為排氣直管單量總長(zhǎng)（m）；Ps為消音器壓降（kPa）

根據(jù)設(shè)計(jì)好的對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)算的研究方案（見(jiàn)表3），應(yīng)用式2進(jìn)行16次計(jì)算其結(jié)果如表5所示。

表5 對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素?cái)?shù)值計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果分析

正交法應(yīng)用相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)法去對(duì)結(jié)果計(jì)算分析可得到大量有用的結(jié)論[6]。由結(jié)果計(jì)算各影響因子在不同水平時(shí)排氣背壓歐式距離和的平均數(shù)得到這些影響因素對(duì)發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響趨勢(shì)圖。對(duì)海上平臺(tái)用柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響因素的分析結(jié)果采用方差分析來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。它能檢驗(yàn)出各因子對(duì)指標(biāo)影響的顯著程度。

根據(jù)結(jié)果求各影響因素在同水平下排氣背壓的平均數(shù)，比如排氣管內(nèi)徑在300 mm水平下背壓的平均數(shù)：

按式3的思路分別對(duì)各因素各水平進(jìn)行背壓和的平均數(shù)計(jì)算，得到16個(gè)平均數(shù)。為了便于對(duì)比觀察，將其置于同一趨勢(shì)圖中。從而得到各影響因素對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響趨勢(shì)圖（如圖2所示）。

圖2 不同影響因素對(duì)排氣背壓的影響趨勢(shì)圖

對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。所有結(jié)果的和H：

方差分析中的糾正系數(shù)J：

求解運(yùn)算本研究中總體和各因素以及誤差之偏差平方和

A到D因素的偏差平方和按式5計(jì)算得出（見(jiàn)表6），式5中的H為各因素各水平的結(jié)果（見(jiàn)表5）的和。

得到各因子以及誤差之均方值、各因子之F值，如表6所示。

表6 正交實(shí)驗(yàn)方差分析表

由于各因子及誤差的自由度都是3，則通過(guò)F臨界值表可知[7]：

從表6中可看出廢氣比重、排氣直管當(dāng)量總長(zhǎng)度兩個(gè)因子其F值都小于F0.05（3，3），即在供研究條件下，在95%的置信水平上，廢氣比重和排氣直管當(dāng)量總長(zhǎng)度這兩個(gè)影響因素對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響不顯著。廢氣流量、排氣管內(nèi)徑兩個(gè)因子其F值大于F0.05（3，3）即在供研究條件下，廢氣流量和排氣管內(nèi)徑這兩個(gè)影響因素對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓的影響非常顯著。由圖2中看出隨廢氣流量的增大，排氣背壓也跟著增大；隨排氣管內(nèi)徑增大，排氣背壓先急劇下降然后在300 mm左右開(kāi)始背壓下降趨向平緩。隨廢氣比重的增加，排氣背壓也跟著增大，但是不明顯；隨排氣直管當(dāng)量總長(zhǎng)度的增加，排氣背壓也跟著增大，但是也不明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋用柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓受廢氣流量、廢氣比重、排氣管內(nèi)徑以及排氣直管當(dāng)量總長(zhǎng)度的影響，其中廢氣流量和排氣管內(nèi)徑對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響最為顯著，廢氣比重對(duì)柴油發(fā)電機(jī)排氣背壓影響不顯著。背壓隨著廢氣流量的增加而增大，隨著管徑增大而減小，隨著直管當(dāng)量總長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大，而廢氣比重對(duì)背壓具有不確定性且影響不大。故在設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)排氣系統(tǒng)時(shí)如需微量調(diào)節(jié)排氣背壓應(yīng)該是調(diào)節(jié)排氣直管當(dāng)量總長(zhǎng)度而不是調(diào)節(jié)排氣管內(nèi)徑。如若需要在比較小的空間粗調(diào)排氣背壓則可以通過(guò)調(diào)節(jié)排氣管內(nèi)徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。