缺水工程水冷柴油發電機運行時長計算

馬向偉，劉文波，都的箭，肖麗君，吳 晴

(中國人民解放軍95899部隊,北京 100068)

柴油發電機在建設工程上應用較廣泛,除了可作為備用供電設施,市電缺失狀況下需要作為主要的供電設施使用。在一些缺水建筑,如因為安裝空間、環境和冷卻水源的量受到限制,導致柴油發電機的使用時長也會受到一定限制。

那么在其他條件相同的情況下,不同的水冷冷卻方式,對柴油發電機的運行時長是否有影響,以下分幾種情況進行分析,并針對不同的運行方式分別進行計算。

1 工程用柴油發電機冷卻基本情況

柴油機動力設備是由柴油與壓縮空氣在柴油機燃燒室燃燒產生動力,將熱能轉化為機械能,熱能中的部分有效功率轉化為電力輸出,其他無效功率需以廢熱方式排放至周圍環境或低溫冷媒介(冷卻)。冷卻的基本原理為冷卻液在機體內循環流動,把機體產生的高溫交換出來,排放至周圍環境或低溫冷媒介中。

柴油機冷卻分為風冷和水冷兩種基本模式。當發電機在工程中安裝位置或通風條件不滿足風冷需求時,需要采用水冷模式,即在發電機外接水系統,水泵驅動較低溫度的水進入發電機冷卻管,較低溫度的水與機體熱交換后排出,帶走機體產生的廢熱,產生高溫的熱水。

缺水工程在限量水源條件下,水冷冷卻方式產生的高溫熱水有兩種處理方式:高溫出水回流水池和高溫出水直接排放,下面就這兩種方式的最大運行時長分別進行計算。

2 計算條件假設和計算參數設定

1)為簡化計算模型,方便理解,需要作出幾個假設:

a.忽略不計柴油發電機安裝環境氣溫變化的影響;b.忽略不計水池水溫混合的時間;c.柴油發電機開機即進入正常運行工況;d.柴油發電機運行期間,用電負荷穩定,機組輸出功率恒定;e.忽略不計水池水位變化對循環泵流量的影響;f.柴油發電機高溫出水與低溫補水的混水,由自動溫控調節閥以極高效率和精度完成;g.不考慮柴油發電機房環境冷卻的水量。

2)按照柴油發電機進水溫度55 ℃,高溫出水溫度為70 ℃[1]。依據發電機功率得出的廢熱量和冷卻水的進出水溫差,依據式(1)可計算循環泵的循環流量:

(1)

其中,W為冷卻循環泵流量,m3/h;0.35為冷卻水承擔燃油燃燒產生熱量的比例;Ne為柴油機的功率,kW;b為柴油消耗燃油比率,kg/(kW·h);Qh為柴油燃燒熱量值,kJ/kg;C為水的比熱,取4.19 kJ/(kg·℃);t2為柴油機高溫出水溫度,取70 ℃;t1為柴油機低溫進水溫度,取55 ℃。

假定計算結果為50 m3/h。

假定現有有限量水源的體積為100 m3,其初始水溫為25 ℃。

如把0.2 h劃分為使用時長基本時間段,冷卻水泵為工頻運行,則水泵的進水量按照10 m3為一檔作為計算基準。

3 計算方法和過程

3.1 回流水池方式

水池初始溫度為25 ℃,水泵進水量為10 m3,其中一部分為水池內的低溫水,另一部分為油機加熱的高溫水,兩者混合總量為10 m3。根據熱量交換原理,按照式(2)可計算高溫水的混合量:

(2)

其中,W2為高溫水混合量,m3/h;t為低溫水的溫度,℃,取水池內實時水溫。

計算可知,其中高溫水量為6.67 m3,則從水池抽取的低溫水為3.33 m3,依據流量恒定原理,有3.33 m3的高溫水進入了水池。

在10 m3的流量發生完成后,水池內的水容積仍為100 m3,其中96.67 m3的25 ℃,3.33 m3的70 ℃,按照假設,立即混合為26.5 ℃的低溫水,作為下一個階段的起始水溫,入池一個階段重復運行,直至水池內的水溫達到了55 ℃,此時油機高溫出水不再回到水池,改為直接排放,在把水池內的全部容積排空后,不能再對發電機起到冷卻作用,發電機將無法繼續工作。

運行時長可分為兩個階段:第一階段為水池溫度上升階段;第二階段為水池排空階段。

利用計算機輔助表格,其計算過程見表1。

表1 回流水池方式各時段計算表

由表1可知,隨著柴油發電機的運行,冷卻水被加熱,部分回流水池,與上一時段的水池水混合后,進一步提升水池水溫,導致從油機高溫出口返回至油機入口的水量逐步減少,回流到水池的高溫水量(數量上與從水池吸取的相對低溫的水量相等)在逐步增加。

在水池內的水位達到柴油發電機的最高進水溫度55 ℃后,如需要繼續運行,柴油機冷卻水循環泵的出水不再回到進水口,水泵完全從水池吸水,溫度升高后必須完全排放。排放過程能支持柴油發電機繼續運行2 h(100 m3容積由50 m3/h的流量排空),其運行最大時長為6 h。

3.2 直接排放方式

水池初始溫度為25 ℃,水泵進水量為10 m3,其中一部分為水池內的低溫水,另一部分為油機加熱的高溫水,兩者混合總量為10 m3。

按照式(2)計算可知,其中高溫混水量為6.67 m3,則從水池抽取的低溫水為3.33 m3,依據流量恒定原理,有3.33 m3的高溫水排放,在10 m3的流量發生完成(水泵運行0.2 h)后,水池內的水容積減少為96.67 m3,與回流水池方式不同的是,水池內的水全部為25 ℃,如此繼續進行,每0.2 h排空3.33 m3,當水池內的全部容積排空后,不能再對發電機起到冷卻作用,發電機將無法繼續工作。其計算過程見表2。

表2 直接排放方式各時段計算表

通過計算,以上兩種方式在發電機最大運行時長上是一致的。

檢驗該結果是否具有規律性,改變初始溫度為15 ℃,20 ℃,30 ℃,35 ℃,采用同樣的計算程序和方法,其結果見表3。

可見無論采用兩種方式的哪一種,柴油發電機的最大運行時長都是一致的。

表3 多個初始水溫時兩種方式運行時長對比表

4 兩種方式優點的比較

回流水池的優點:節約水源,高溫水回流水池后經過與周邊環境的熱交換,溫度逐漸會下降至環境溫度,可作為發電機的冷卻水再次使用,甚至作為其他水源繼續使用,在缺水地區或缺水場所尤為重要。可減少對周圍環境的影響,高溫水排放后,會增加與周邊環境物質的溫度差,造成周邊水土性狀改變,回流水池有利于水土保持。

直接排放:對水池的建造要求不高,水池不需要承受溫度大幅變化帶來的溫度應力;不會因為高溫水的回流而產生過多的水分逃逸,進而產生大量的冷凝,對柴油發電機的使用環境造成不利的印象。

5 結語

通過建立計算方法、計算演練和對比分析,利用表格計算可直觀顯示運行時長過程中的水溫、水量的變化。柴油發電機最大運行時長的計算結果顯示,回流水池和直接排放方式對水資源的直接儲備要求是一樣的。該計算結果可以作為機組運行過程的對比參照。工程中可根據實際條件選擇合適的運行方式。