地下工程柴油機電站消煙降溫系統性能試驗研究

汪 波 李艾華 李慶輝

地下工程柴油機電站消煙降溫系統性能試驗研究

汪 波 李艾華 李慶輝

（火箭軍工程大學 西安 710025）

針對地下工程柴油機電站運行排煙熱紅外抑制問題，設計研制消煙降溫系統。在環境溫度30±2℃、相對濕度40±5%時，通過改變系統噴淋冷卻水量、換熱冷風量，對柴油機電站60～400kW負載下消煙降溫系統的運行性能進行試驗測試，試驗結果表明：控制系統噴淋冷卻水量不超過6.3t/h、引入冷風量不超過5500Nm3/h，系統排煙（風）與環境溫差可維持在2℃范圍以內，排煙黑度可控制在0.6Rb以下，可有效實現電站排煙的熱紅外抑制。

地下工程；柴油機電站；消煙降溫；紅外抑制

0 引言

地下工程內常備柴油機電站，電站運行排煙溫度一般可達400～600℃，同時，柴油燃燒產生煙氣中含大量平均直徑在6～20nm碳黑顆粒[1]，高溫煙氣、碳黑顆粒排放過程常使排煙口形成熱紅外特征。對高溫排氣熱紅外特征進行抑制的技術包括：（1）熱紅外暴露表面涂敷低發射率涂層[2,3]；（2）采用釋放氣溶膠、煙幕、冷卻劑、水霧等技術進行口部熱紅外遮蔽[4-8]；（3）排氣道射流摻混降溫[9-12]；（4）針對排煙的濕式除塵降溫[13,14]。地下工程排煙口部需持續進行熱紅外抑制，大部分工程設有取水構筑物和內部水庫，基于以上特點，濕式除塵降溫技術一直是地下工程柴油機電站消煙降溫技術的研究熱點。

1 電站消煙降溫系統設計

1.1 地下工程柴油機電站及通風系統構成特點

地下工程柴油機電站常用用二備一模式，為控制電站運行環境溫度，電站機房常采用直流式通風模式，通風系統從工程外引進新風對房間冷卻，機房排風與電站排煙匯流排出，機房通風系統示意如圖1所示。

圖1 地下工程柴油機電站通風原理圖

1.2 消煙降溫系統設計

1.2.1 系統設計工程背景

消煙降溫系統擬應用工程為深埋地下工程，工程夏季通風干球溫度23℃，相對濕度70%，冬季最低氣溫-15℃，相對濕度80%，工程埋深處中心巖層溫度為15℃，現有NTA855-G2型柴油機電站3臺，電站排風量經換算為1400Nm3/h，排風設計溫度小于40℃。NTA855-G2型柴油機電站在大氣壓力100kPa、海拔110m、進氣溫度25℃、相對濕度30%時，滿載運行指標如表1。

表1 試驗柴油機電站運行技術指標

1.2.2 系統設計方案及原理

基于地下工程電站通風系統構成，采用濕法除塵、間壁換熱的方案對排煙進行分級降溫，并設計消煙降溫系統。電站排煙經由噴淋塔進行初步降溫除塵，與引進新風在換熱器內換熱再次降溫，考慮系統冬季應用環境冷風可能對換熱器造成結冰堵塞，系統設計過程中采用兩臺輔助換熱器實現融冰切換工作，系統設計方案如圖2所示。

圖2 消煙降溫系統通風原理圖

系統設計用電站冷卻水庫進行噴淋供水，噴淋塔底部集水由電站水溝直接排出，換熱器由風機引入環境新風對混合煙氣進行兩級降溫，降溫后混合煙氣直接排至工程外。

1.2.3 系統流程仿真

消煙降溫系統按環境空氣干球溫度-15℃、相對濕度80%進行設計，設計噴淋塔出口煙氣與進口噴淋水溫差為1℃、相對濕度100%，最終實現排風（煙）溫度與環境溫度不超過4℃。采用“Aspen Plus”軟件進行系統流程模擬，得出滿足噴淋后煙氣溫度和排煙（風）溫度要求的噴淋塔、換熱器處理負荷，依據處理負荷對噴淋塔、換熱器進行設計，系統流程仿真如圖3所示。

圖3 消煙降溫系統模擬流程圖

1.2.4 煙降溫系統用噴淋塔設計

設計噴淋塔總高度不超過3m，噴淋塔填料采用Sulzer公司“SULPAK 3.0”軟件設計，填料床高1.115m，直徑1m，塔內填料為MELLAPAK-250X規整填料，噴淋塔結構如圖4所示，塔內填料參數和塔處理負荷參數如表2和表3所示。

圖4 噴淋塔結構圖

表2 噴淋塔填料段設計參數

表3 噴淋塔設計參數

1.2.5 消煙降溫系統用換熱器設計

采用“Aspen HTFS+plate”模塊對系統用板式換熱器進行設計，設計換熱器冷、熱側入口空氣流量為5000Nm3/h，允許壓損均不超過2kPa，設計主要參數如表4所示。

表4 板式換熱器設計參數

2 試驗測試方案及步驟

2.1 試驗方案與目的

試驗過程中，給定試驗環境溫、濕度基本不變工況下，調節柴油機電站運行負載功率、噴淋塔進水流量，系統自動運行按需求調節換熱器冷卻風量，試驗測試目的如下。

（1）分析噴淋塔冷卻水進水量與柴油機噴淋后降溫煙氣溫度關系；

（2）分析換熱器出口排風（煙）與環境溫差隨冷卻風量變化規律；

（3）分析消煙降溫系統運行前后電站排煙煙度變化。

搭建消煙降溫系統試驗臺如圖5所示。

2.2 試驗測量用儀器參數

（1）煙氣溫度測量：K型熱電偶量程0～800℃，精度0.2℃；

（2）空氣、水溫度測量：T型熱電偶，量程-200℃～500℃，精度0.2℃；

（3）測量數據采集：XSDAL系列多通道數字式儀表；

（4）風速測量：AVT-2010風速傳感器，量程0～20m/s，精度2%；

（5）水量測量：LWQ-65型渦輪流量傳感器，量程0～20m3/h，精度1%；

（6）煙度測量：濾紙式YJ-II型煙度計。

2.3 試驗環境及步驟

系統試驗性能測試環境干球溫度30±2℃，相對濕度40±5%，試驗步驟如下：

（1）啟動兩臺柴油發電機組，調節負載，使運行負荷單臺達到30kW（總運行負荷60kW）。

（2）調節噴淋塔冷卻水量為2t/h。

（3）引入環境新風1400Nm3/h以模擬電站機房排風，使排煙、排風混合流量達到4200Nm3/h。

（4）調節噴淋水量，使噴淋塔出口煙氣與進口冷卻水溫差為1℃

（5）調節柴油機電站運行負荷，相應增加噴淋水量，換熱器進風機自動調節冷卻風量，數據采集系統實時采集各測點參數變化。

（6）400kW運行負荷下，測量消煙降溫系統運行前后排煙煙度值。

3 試驗結果及數據分析

3.1 試驗數據分析

圖6 噴淋塔進出口煙氣與冷卻水溫度變化關系

圖7 噴淋塔進出口煙氣-冷卻水溫差變化關系

試驗過程中，不同柴油機運行負荷下噴淋塔進、出口煙氣和冷卻水溫度變化關系如圖6所示。試驗結果表明：電站運行負荷60kW時，噴淋塔進口煙氣溫度逐漸升高，調節噴淋塔冷卻水量為2.8t/h，噴淋塔出口煙氣溫度穩定時，基本與進口冷卻水溫保持一致；調節電站運行負荷至120kW，冷卻水量減少至1.8t/h，噴淋塔出口煙氣溫度與冷卻水溫最大溫差不超過10℃，增大冷卻水量至3.2t/h，冷卻塔出口煙氣與進口冷卻水溫差穩定在1℃范圍內；電站運行負荷達200kW時，保持冷卻水量3.2t/h不變，噴淋塔出口冷卻水溫逐步升高，增大冷卻水量至4t/h，噴淋塔出口煙氣與進口冷卻水溫差可穩定保持在1℃范圍內；電站運行負荷增加至280kW時，以4t/h水量噴淋，噴淋塔出口冷卻水溫高于58℃，調節冷卻水量至4.5t/h，噴淋塔出口煙氣溫度開始降低至與進口水溫溫差小于1℃；電站運行負荷340kW時，保持噴淋煙氣與進口冷卻水溫差穩定小于1℃范圍以內需冷卻水量為5.2t/h；電站運行負荷升高至400kW時，保持噴淋煙氣與進口冷卻水溫差穩定小于1℃范圍以內需冷卻水量為6.2t/h。控制噴淋塔出口煙氣溫度與進口冷卻水水溫保持在1℃內，柴油機運行負荷60kW、120kW、200kW、280kW、340kW和400kW對應所需冷卻水水量不超過2.8t/h、3.2t/h、4t/h、4.5t/h、5.3t/h和6.2t/h。

對噴淋塔進、出口煙氣溫差和冷卻水溫差結果分析如圖7所示。由圖可知：在不同電站運行負荷工況下，維持噴淋煙氣與進塔冷卻水溫在1℃范圍時，噴淋塔進出口排煙溫差呈指數增漲趨勢。

圖8 換熱器需求冷風量與冷卻水量隨運行負荷變化關系

不同電站運行負荷下，滿足換熱器出口排煙（風）與環境溫差不超過4℃時，換熱器冷側進口需求風量如圖8所示。試驗結果表明：60kW運行負荷下，噴淋水量2.8t/h時，換熱器需求冷風量不超過5500Nm3/h；120kW運行負荷下，噴淋水量3.2t/h時，換熱器需求冷風量不超過5200Nm3/h；200kW運行負荷下，噴淋水量4t/h時，換熱器需求冷風量不超過4000Nm3/h；280kW運行負荷下，噴淋水量4.5t/h時，換熱器需求冷風量不超過2700Nm3/h；340kW試驗工況下，噴淋水量5.3t/h時，換熱器需求冷風量不超過2800Nm3/h；400kW試驗工況下，噴淋水量6.2t/h時，換熱器需求冷風量不超過2700Nm3/h。噴淋塔冷卻水量對換熱器需求冷風量影響顯著，試驗工況下對低溫煙氣噴淋時，可直接將煙氣噴淋至滿足排煙（風）與環境溫差4℃內。

電站不同運行負荷下應用消煙降溫系統后排煙（風）溫度隨時間變化關系如圖9所示。試驗結果表明：電站400kW以下負荷運行時，系統噴淋水量最高不超過6.2t/h，換熱器需求冷風量最大不超過5500Nm3/h，可穩定控制排煙（風）與環境溫差在2℃范圍以內。

圖9 系統排煙（風）溫度-運行負荷變化關系

采用濾紙比對方法對電站排煙煙度進行測量，試驗用濾紙初始煙度為0Rb，可測黑度上限為10Rb。將濾紙測試面作為排煙迎風面5s后，濾紙染黑，應用光電探頭測定染黑濾紙煙度。設置電站運行負荷400kW（單臺200kW），在電站啟動前、加載運行時和運行穩定后，分別對排煙煙度進行測量。機組啟動時，由于柴油不完全燃燒，排煙煙度最高達9.8Rb，運行穩定后，排煙煙度為0.7Rb；應用消煙降溫系統再次對噴淋塔出口煙氣煙度進行測量，經噴淋后煙氣煙度最高0.6Rb，電站運行穩定時噴淋后煙氣煙度為0.2Rb。電站400kW負荷運行時，消煙降溫系統噴淋前后排煙煙度測量結果如表5。

表5 柴油機400kW負荷運行排煙黑度

3.2 試驗結論

綜合“消煙降溫系統”性能測試試驗，可得出如下結論：

（1）控制噴淋塔出口排煙溫度與冷卻水進口溫差在1℃范圍內，所需噴淋水量不超過6.3t/h；

（2）柴油機電站400kW運行負荷下，控制系統出口排煙（風）混合溫度與環境溫差在2℃范圍以內，換熱器所需冷卻用環境空氣不超過5500Nm3/h；

（3）應用消煙降溫系統后，柴油機電站排煙煙度不超過0.6Rb；

（4）消煙降溫系統滿足試驗工況下電站混合排煙（風）與環境溫差4℃要求。

4 結語

柴油機電站排煙引起的排煙（風）口熱紅外暴露是地下工程長期亟待解決的難題，本文消煙降溫系統運行性能在夏季環境工況下具有較好適用性，但仍需在冬季工況下對其運行性能進行試驗驗證，系統在夏季室外環境下自動運行的控制策略需完善，同時，系統體積大、用水需求量大均影響其在地下工程中的實際應用，研究小型化、低能耗、智能化的消煙降溫技術及系統將是地下工程排煙（風）口部熱紅外抑制的重點方向。

[1] 鞠洪玲.柴油機碳煙顆粒生成規律和尺寸分布特性研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[2] 徐頂國,羅明東.無人機紅外隱身技術與應用探討[J].隱身技術,2012,(1):6-11.

[3] Skoog, Andrew Jay, Murphy etal. High-emissity infrared coating applications for use in HIRSS applications[P]. US:7313909, 2008-01-01.

[4] 桑建華,張宗斌.紅外隱身技術發展趨勢[J].紅外與激光工程,2013,42(1):14-19.

[5] Parent G, Boulet P, Gauthier S, et al. Experimental investigation of radiation transmission through a water spray[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2006,97(1):126-141.

[6] Williamson-Labs. Stealthy ships[EB/OL]. http:// williamson-labs. com/ltoc/ship-stealth.htm, 2013-12-01.

[7] 袁江濤,楊立,陳翾,等.過冷降膜在紅外隱身中的應用研究[J].光學技術,2007,32(3):468-470.

[8] 代夢艷,胡碧茹,楊玉杰,等.水霧的紅外隱身性能測試及分析[J].紅外與激光工程,2008,(S2):547-551.

[9] 李波.紅外隱身技術的應用及發展趨勢[J].中國光學,2013,6(6):818-823.

[10] 曹紅錦.國外裝甲車輛紅外隱身結構技術發展[J].四川兵工學報,2008,29(1):13-16.

[11] 李娜,吉洪湖,黃偉.混合排氣二元收斂噴管氣動與紅外隱身綜合設計方法[J].航空動力學報,2011,26(11): 2563-2569.

[12] Thompson J, Birk Dr A M, Cunningham M. Design of an infrared signature suppressor for the bell 205(UH-1H) helicopter part I: aerothermal design[C]. Proceedings of the 7th CASI Aerodynamics Symposium. Montreal Canadian Aeronautics and Space Institute, 1999:134-141.

[13] 郭鵬.地下工程柴油發電機消煙降溫裝置研究[D].南京:解放軍理工大學,2008.

[14] 吳百春.柴油機廢氣濕式凈化技術研究[D].南京:南京理工大學,2002.

Experiment Research on Operating Performance of Exhaust Cooling and Purifying System with Diesel Engine in Underground Engineering

Wang Bo Li Aihua Li Qinghui

( Rocket Force University of Engineering, Xi’an, 710025 )

The exhaust cooling and purifying system (ECPS) was developed to inhibit infrared exposure caused by diesel engine exhaust in underground constructions. In this study, the ambient temperature and relative humidity are set as 30±2℃ and 40±5%, respectively. The operating performance of ECPS in the diesel engine ranging from 60 to 400kW was tested by altering spray water consumption and the cooling air volume. The results indicate that, the amount of spray cooling water in the system does not exceed 6.3 t/h, the amount of cold air does not exceed 5500 Nm3/h, the temperature difference between exhaust mixture and outdoor air can be controlled within 2℃,the exhaust emissivity can be controlled under 0.6 Rb, and the ECPS works effectively on infrared inhibition for the diesel engine.

underground engineering; diesel engine; exhaust cooling and purifying; infrared inhibition

1671-6612（2020）06-649-06

X701.7

A

汪 波（1983.3-），男，講師，E-mail：53754924@qq.com.

2020-09-28