1MW集裝箱式柴油發(fā)電機組設(shè)計研究

孫勇

摘要：本文主要介紹了1MW集裝箱式柴油發(fā)電機組的研制開發(fā)過程，對機組的整體結(jié)構(gòu)進行布置設(shè)計，對箱體內(nèi)部的進排風(fēng)及通風(fēng)散熱進行理論計算并核對，對機組的噪聲及振動進行削減控制，最后通過試驗對機組的設(shè)計進行了驗證，論證了該款機組設(shè)計的合理性及可行性。

Abstract： This article mainly introduces the development process of 1MW container generating， designs the whole container， calculates and verifies the ventilation and cooling inside the cabin， controls the noise and vibration of the unit， verifies the design of the square cabin power station， and proves the rationality and feasibility of the container generating structure through tests.

關(guān)鍵詞：集裝箱;柴油發(fā)電機組;進排風(fēng);通風(fēng)散熱;降噪;減振

Key words： container;diesel generating set;air intake and exhaust;ventilation and heat dissipation;the noise reduction;vibration reduction

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0016-03

0? 引言

隨著我國國民經(jīng)濟和城市建設(shè)的快速發(fā)展，整個社會對電力的需求計劃越來越大，用電高峰期間，部分地區(qū)甚至對企業(yè)拉閘限電，嚴重影響當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。集裝箱式柴油發(fā)電機組由于采用標準集裝箱結(jié)構(gòu)制造，具有模塊化、集成化、占地面積小、土建施工量少、投資少、建設(shè)周期短、便于移動、運輸方便，有效防雨防風(fēng)沙、噪音低等特點，受到越來越多客戶的青睞[1-2]。

集裝箱式柴油發(fā)電機組在用電高峰期間，可以通過并網(wǎng)來實現(xiàn)當?shù)仉娋W(wǎng)的削峰，可以作為廠礦企業(yè)的備用電源，偏遠無市電區(qū)域也可以作為常用電源。

1? 機組主要技術(shù)參數(shù)

2? 機組結(jié)構(gòu)

1MW集裝箱式柴油發(fā)電機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

主要由遠置水箱1、遠置水箱2、主軸流風(fēng)機3、發(fā)動機4、發(fā)電機5、控制屏系統(tǒng)6、工作室通風(fēng)軸流風(fēng)機7和消聲器系統(tǒng)8等組成。

該款集裝箱機組通過中間的隔斷一分為二，左側(cè)為機組冷卻系統(tǒng)室，內(nèi)置2組遠置水箱和1組冷卻用主軸流風(fēng)機;右側(cè)為機組工作室，內(nèi)部安裝有發(fā)電機組及其控制屏系統(tǒng)。發(fā)動機的中冷氣、高溫缸套水通過管路穿過隔斷后分別連接到遠置水箱相應(yīng)的氣管水管處。機組工作室內(nèi)發(fā)動機、發(fā)電機的熱輻射、發(fā)電機的散熱風(fēng)等通過頂置的2組軸流風(fēng)機7來排掉。機組運行時，工作室內(nèi)部的空氣受熱后會集聚在箱體頂部附近，軸流風(fēng)機7位置處的排風(fēng)可形成對流，有助于加快工作室內(nèi)設(shè)備的通風(fēng)換氣。

集裝箱箱體為20尺貨柜標準尺寸，6058×2438×2591mm，結(jié)構(gòu)上采用標準集裝箱框架制造，底側(cè)梁選用加厚矩形管，四個角立柱選用Q345D低合金鋼板折彎，瓦楞板選用B480耐候鋼板等，以提高箱體的整體機械強度，箱體前后均可開門，方便用戶對發(fā)動機、發(fā)電機、控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)的日常維護與檢修，箱體底部設(shè)有機油、冷卻液收集系統(tǒng)，通過管路直接引入到箱體外部，防止污染環(huán)境內(nèi)部環(huán)境，控制屏和輸出開關(guān)柜在箱體同側(cè)，方便用戶日常操作。箱體符合國際集裝箱安全公約的要求，能夠辦理箱證，整機成套好后可直接作為標準集裝箱海運，大大節(jié)省運輸成本。

3? 機組箱體內(nèi)部的通風(fēng)量理論計算

12M33集裝箱式柴油發(fā)電機組采用遠置散熱器，冷卻系統(tǒng)與發(fā)電機組不在同一個室內(nèi)，箱體內(nèi)部通過隔斷隔成冷卻系統(tǒng)室與機組工作室。在工作室內(nèi)，不需要考慮冷卻系統(tǒng)的冷卻風(fēng)量，采用遠置散熱器后能明顯減小機組工作室內(nèi)的進排風(fēng)量，工作室內(nèi)沒有發(fā)動機機帶的風(fēng)扇，取而代之的是設(shè)置軸流風(fēng)機強制通風(fēng)散熱，引導(dǎo)工作室內(nèi)空氣流動的方向。一般情況下，軸流風(fēng)機設(shè)計在發(fā)動機自由端頂部位置處，內(nèi)部空氣流動遵循軸向通風(fēng)原則，在發(fā)動機空氣濾清器進風(fēng)口處附近設(shè)置單獨的輔助進風(fēng)百葉，保證箱體外部的冷空氣進入箱體后能夠直接被吸到空濾器中，避免箱體內(nèi)部溫升對進氣溫度的影響。

3.1 機組工作室內(nèi)通風(fēng)量理論計算

機組工作室內(nèi)的熱源主要主要是發(fā)動機和發(fā)電機兩大部件工作時對外的表面熱輻射。計算通風(fēng)量時還需要考慮柴油機的燃燒做功需要的空氣量[3]。

3.2 機組工作室內(nèi)軸流風(fēng)機選型

機組工作室內(nèi)設(shè)置2組通風(fēng)散熱用軸流風(fēng)機，強制換氣，進而保證工作室內(nèi)溫度不至于過高。軸流風(fēng)機直接從發(fā)電機組接線銅排上取電。

軸流風(fēng)機參數(shù)：3.2kW/50Hz/AC380V，額定風(fēng)量25000m3/h，靜壓125Pa。

總通風(fēng)量Q總=25000×2=50000m3/h>Q1=45900m3/h。留有9%的設(shè)計余量。

綜上所述軸流風(fēng)機的選型滿足理論計算設(shè)計要求。

3.3 機組冷卻系統(tǒng)室的通風(fēng)散熱

機組冷卻系統(tǒng)室內(nèi)的遠置散熱器安裝處為防雨百葉窗+不銹鋼防蟲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主軸流風(fēng)機運行時水箱室內(nèi)部形成局部負壓，外部的冷空氣通過百葉窗經(jīng)過散熱器管帶后進入箱體內(nèi)部，在主軸流風(fēng)機的作用力下從箱頂排出。如圖2所示。

主軸流風(fēng)機參數(shù)：37kW/50Hz/AC380V，額定風(fēng)量100000m3/h，靜壓185Pa。從發(fā)電機組接線銅排取電。

防雨百葉窗+不銹鋼防蟲網(wǎng)的風(fēng)阻為100Pa。

箱頂?shù)臎_孔板風(fēng)阻為40Pa。

主軸流風(fēng)機靜壓均大于冷卻系統(tǒng)室的進排風(fēng)的風(fēng)阻并且有一定的余量，風(fēng)機可以正常克服進排風(fēng)阻力，保證水箱室內(nèi)的通風(fēng)量，滿足機組散熱系統(tǒng)冷卻要求。

此種結(jié)構(gòu)冷卻系統(tǒng)，箱體外部的冷空氣直接進入散熱器表面，避免了發(fā)動機和發(fā)電機熱輻射帶來箱體內(nèi)部溫升的影響，冷卻效率大大提升，能夠適應(yīng)高溫環(huán)境。

4? 機組降噪減振處理

4.1 機組降噪處理

柴油發(fā)電機組的噪聲主要有排煙噪聲、進氣噪聲、排氣噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲等[4-5]。

排煙噪聲是機組噪聲中能量最大，成分最多的部分[5]。為消除排煙噪聲對機組的影響，機組選用高效能住宅式消聲器，消聲器后的排氣尾管設(shè)置為豎直朝天，將排煙噪聲對機組的影響降低到最低。

降噪處理應(yīng)從吸聲材料和外部隔絕兩方面入手[6]。進氣噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲屬于機組箱體內(nèi)部的噪聲，需要選用合適的材料和結(jié)構(gòu)來降低此部分噪聲。箱體內(nèi)部在選用吸聲材料時，應(yīng)能滿足有利于降低聲波頻譜中峰值頻段的噪聲，因為聲能量主要集中在幾個峰值頻率，噪聲峰值降低了，總的噪聲輻射就可明顯降低[7]。

查閱柴油機的性能數(shù)據(jù)單，12M33柴油機的噪聲頻譜主要集中在500-4000Hz范圍內(nèi)，為此選用的吸聲材料應(yīng)該在此頻段有較高的吸聲系數(shù)，綜合以上因素，箱體內(nèi)部的吸聲材料選定為體積密度為36kg/m3的無堿超細玻璃棉，其吸聲系數(shù)如表2所示。

箱體內(nèi)表面設(shè)置吸聲結(jié)構(gòu)，使用無紡布為襯層包裹住超細玻璃棉材料，然后用鍍鋅沖孔板固定吸聲材料在周圍的瓦楞板上。

機組工作室的進氣處降噪結(jié)構(gòu)主要由防水百頁窗+降噪百葉組成，兩者之間加裝304不銹鋼防蟲網(wǎng)，防止機組運行時吸入箱體內(nèi)部小蟲子和雜物，降噪百頁使用沖孔板折彎成型，中間填充使用無紡布包裹的超細玻璃棉。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 機組減振處理

集裝箱式柴油發(fā)電機組內(nèi)部主要的振動源是柴油機和發(fā)電機，為避免將兩者的振動傳遞到集裝箱機組外部，在柴油機、發(fā)電機和機組公共底座連接處安裝橡膠減振器，在機組公共底座與箱體的花紋地板之間安裝橡膠減振板，雙重減振，另外箱體內(nèi)部的排煙管路、遠置散熱器的中冷管路及水管等中間使用膨脹節(jié)彈性相連，有效降低箱體內(nèi)部的振動向箱體外部傳遞[8]。

5? 機組試驗數(shù)據(jù)及分析

1MW集裝箱式柴油發(fā)電機組成套好后，根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)要求，對方艙電站進行熱平衡及噪聲測試試驗。

試驗狀態(tài)，機組1MW滿負荷運行，所有門體關(guān)閉，風(fēng)機調(diào)到自動狀態(tài)，環(huán)境溫度34℃，連續(xù)運行2h，機組水溫穩(wěn)定在88℃。

分別測量方艙電站周圍1m處和7m處噪聲。

機組工作室1m處噪音平均85dB（A）左右，7m處噪音75dB（A）左右。

機組冷卻系統(tǒng)室1m處噪音平均95dB（A）左右，7m處噪音85dB（A）左右。

分析：機組冷卻系統(tǒng)室周圍噪聲偏高，主要原因是主軸流風(fēng)機噪音在102dB（A）左右，進風(fēng)結(jié)構(gòu)是防雨百葉窗+不銹鋼防蟲網(wǎng)，機組冷卻系統(tǒng)室的進排風(fēng)未經(jīng)過消聲降噪處理，主軸流風(fēng)機的噪聲傳遞到箱體外部。

6? 機組改進設(shè)計

受機組冷卻系統(tǒng)室內(nèi)部尺寸限制，進排風(fēng)處不好做消聲降噪處理，改進設(shè)計是在箱體外部的進排風(fēng)處加裝可拆卸式消聲降噪百葉。降噪百頁在運輸過程中需要拆卸下來，機組運輸?shù)竭_用戶現(xiàn)場時再裝配上。

改進后重新測量機組噪聲。

機組冷卻系統(tǒng)室1m處噪音平均85dB（A）左右，7m處噪音75dB（A）左右。

達到預(yù)期的效果，滿足設(shè)計要求。

7? 結(jié)束語

1MW集裝箱式柴油機發(fā)電機機組已在市場上經(jīng)過小批量驗證，市場反饋良好：冷卻系統(tǒng)運行可靠，機組維護保養(yǎng)方便，能夠在高溫環(huán)境下持續(xù)工作，運輸方便，可辦理箱證作為20尺標準貨柜發(fā)運。泰國某10MW柴油電站采用此結(jié)構(gòu)，目前單臺已累計運行15000h，如圖4所示。

目前市場上對于大功率靜音型發(fā)電機組需求量越來越多，尤其是東南亞、中東、北非及南美地區(qū)等，該款集裝箱式柴油發(fā)電機組是市場上為數(shù)不多的能將1MW（PRP功率）發(fā)電機組集成在20尺集裝箱內(nèi)的產(chǎn)品，有很強的市場競爭力，具有良好的經(jīng)濟與社會效益。

后續(xù)將會持續(xù)改進1MW集裝箱式柴油發(fā)電機組，重點圍繞機組噪聲，爭取做到1m處75db（A）。

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