黃國(guó)華

(中建二局第二建筑工程有限公司,廣東 深圳 518054)

柴油發(fā)電機(jī)組是以柴油為主燃料的一種發(fā)電設(shè)備,以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(又叫柴油機(jī))為原動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(即電球)發(fā)電,把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能和熱能的機(jī)械設(shè)備。整套柴油發(fā)電機(jī)組主要分為三個(gè)部分：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)(即電球)、控制器。機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中發(fā)生兩次能量形式轉(zhuǎn)換：第一次能量轉(zhuǎn)換由柴油機(jī)執(zhí)行,使石化能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能及熱能,包括柴油機(jī)的輸出功率、機(jī)頭氣缸發(fā)熱量、排煙帶走的熱量、摩擦及輻射散熱；第二次能量轉(zhuǎn)換由發(fā)電機(jī)執(zhí)行,柴油機(jī)的輸出功率(機(jī)械能)被轉(zhuǎn)化為電能及熱能。

根據(jù)能量熱平衡,燃油最終產(chǎn)生的熱量形式包括：有效功(發(fā)電機(jī)輸出的功率)、冷卻損失、排煙損失、以摩擦和輻射及對(duì)流方式散到周?chē)橘|(zhì)的熱量。以上4項(xiàng)占燃油總發(fā)熱量的比率分別為：有效功33%～40%,冷卻損失24%～30%,排煙損失30%～40%,柴油機(jī)散熱8%～10%。

1 柴油發(fā)電機(jī)效率

1.1 柴油機(jī)的效率η1及發(fā)電機(jī)效率η2

η1為柴油機(jī)在額定工況下輸出功率與燃油總發(fā)熱量的比值,發(fā)電機(jī)效率η2為發(fā)電機(jī)在額定工況下輸出的有效功率(發(fā)電量)與發(fā)電機(jī)輸入功率(柴油機(jī)輸出功率)比值,公式如下：

η2=Nc/Ne

(1)

式(1)中：η2為85%～95%；

Nc為發(fā)電機(jī)的額定功率,kW;

Ne為柴油機(jī)的額定功率,即柴油機(jī)在額定工況下的有效輸出軸功率,kW。

1.2 柴油機(jī)的熱效率

柴油發(fā)電機(jī)廠家大多采用耗油率來(lái)描述熱效率。耗油率是衡量柴油機(jī)熱效率的一個(gè)重要指標(biāo)：?jiǎn)挝籯g/(kW·h),其物理意義為：每輸出1 kW·h的有效功所消耗的柴油量。

市場(chǎng)上大多數(shù)柴油發(fā)電機(jī)耗油率為0.2～0.24 kg/(kW·h),建議值0.23 kg/(kW·h)(下文以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算)。因此,根據(jù)耗油率就可算出柴油機(jī)的效率η1,一般在36%～45%之間。

柴油發(fā)電機(jī)的整體效率η如下：

η=η1·η2

(2)

發(fā)電機(jī)額定功率(發(fā)電量)屬于總發(fā)熱量的一部分,我們通常提到的柴油發(fā)電機(jī)組額定功率是指發(fā)電功率Nc,還需折算成柴油機(jī)額定功率Ne,再根據(jù)柴油機(jī)的耗油率才能算出柴油發(fā)電機(jī)組柴油燃燒的總發(fā)熱量Q。

2 柴油發(fā)電機(jī)組冷卻方式

柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),氣缸會(huì)產(chǎn)生大量的熱能,為了維持氣缸正常工作,需要冷卻水將柴油機(jī)氣缸的熱量帶走,一般常用的方法有以下兩種：

一種是以柴油發(fā)電機(jī)組輸出功為動(dòng)力帶動(dòng)風(fēng)扇對(duì)終端閉式管道內(nèi)的高溫水冷卻,俗稱風(fēng)冷,也稱為閉式冷卻水循環(huán)。它是冷卻水冷卻柴油機(jī)氣缸后進(jìn)入散熱器,由機(jī)頭冷卻風(fēng)扇將散熱器的表面熱量吹至空氣中,散熱器內(nèi)冷卻水則由機(jī)組自帶水泵不斷強(qiáng)制循環(huán),進(jìn)入柴油機(jī)氣缸水套,構(gòu)成獨(dú)立的整機(jī)閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)。這里說(shuō)的風(fēng)冷是指整機(jī)與外部的熱交換方式(與機(jī)房?jī)?nèi)空氣),而對(duì)柴油機(jī)內(nèi)部而言卻是閉式水冷系統(tǒng)。柴油電站閉式水冷原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 柴油電站閉式水冷原理圖

另一種是終端高溫水直接與外界進(jìn)行熱交換,利用水池或冷卻塔來(lái)冷卻柴油機(jī)內(nèi)部,俗稱水冷,也稱為開(kāi)式冷卻水循環(huán)。

開(kāi)式系統(tǒng)冷卻柴油發(fā)電機(jī)組的水應(yīng)當(dāng)是清潔的軟水,水中的硬度大時(shí),在氣缸中受熱后,礦物質(zhì)會(huì)在水套外壁結(jié)成水垢,導(dǎo)致傳熱性能下降,影響換熱效率,氣缸及氣缸蓋的熱量就不能順利傳給冷卻水,容易導(dǎo)致機(jī)器過(guò)熱,加速氣缸和活塞連桿組等機(jī)件的磨損,從而降低柴油機(jī)的功率。水垢多時(shí)甚至有可能阻塞水管及氣缸水道,使得冷卻水循環(huán)困難。

另外,采用開(kāi)式水冷卻系統(tǒng)時(shí),由于高溫水直接與外界進(jìn)行熱交換,水質(zhì)容易受到污染,所以通常設(shè)置換熱器,把開(kāi)式的冷卻水與柴油機(jī)冷卻液分隔開(kāi)來(lái),形成內(nèi)外雙循環(huán)的柴油機(jī)間接冷卻系統(tǒng),且柴油機(jī)啟動(dòng)及調(diào)溫都很迅速且靈活,在工程上應(yīng)用廣泛。直接冷卻柴油機(jī)的開(kāi)式系統(tǒng)本文不予討論。

開(kāi)式冷卻塔水冷原理如下：在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中,機(jī)組自帶的循環(huán)泵將柴油機(jī)工作時(shí)氣缸產(chǎn)生的熱量帶至熱交換器,在此與外循環(huán)冷卻后的低溫水進(jìn)行熱交換,柴油機(jī)的內(nèi)循環(huán)熱水被冷卻后重新回到柴油機(jī),并對(duì)柴油機(jī)氣缸進(jìn)行冷卻,而外循環(huán)換熱后溫度升高的冷卻水由外循環(huán)水泵在冷卻塔與熱交換器之間強(qiáng)制循環(huán),最終由冷卻塔將熱量轉(zhuǎn)移至大氣中,達(dá)到內(nèi)外雙循環(huán)系統(tǒng)之間的熱平衡。柴油機(jī)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的水溫可通過(guò)機(jī)組自帶節(jié)溫器的開(kāi)啟進(jìn)行調(diào)整,可保證柴油機(jī)在80 ℃～90 ℃的最佳水溫工作。

水池貯水冷卻柴油機(jī),通常做法是設(shè)置貯水池及混合水池。外循環(huán)泵自混合水池吸水,流經(jīng)柴油機(jī)外置的熱交換器,并在此與冷卻柴油機(jī)后溫度升高的內(nèi)循環(huán)冷卻液進(jìn)行間接熱交換,將機(jī)頭熱量轉(zhuǎn)移至水中,排出部分高溫水,同時(shí)補(bǔ)給相應(yīng)的水量,使調(diào)溫水箱保持恒定的水溫,維持混合水池—冷卻水泵—熱交換器—柴油發(fā)電機(jī)之間的熱量平衡。機(jī)組運(yùn)行前期,混合水池溫度逐漸上升,待升至設(shè)計(jì)溫度t1時(shí),外循環(huán)冷卻水經(jīng)過(guò)熱交換器后溫度升至t2,自動(dòng)開(kāi)啟溫控三通閥排水,溫控三通閥可通過(guò)設(shè)定排出水的溫度控制開(kāi)度大小,進(jìn)而調(diào)節(jié)排水量?；旌纤仄鋵?shí)是一個(gè)混合冷熱水、維持恒溫的構(gòu)筑物,是用來(lái)保障冷卻水循環(huán)系統(tǒng)恒定換熱工況的,其溫度選擇應(yīng)根據(jù)外置換熱器內(nèi)外循環(huán)對(duì)數(shù)溫度差來(lái)選定,混合水池的容量一般為5～15 min循環(huán)水量。實(shí)際上,這種帶外置換熱器的開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)有內(nèi)外兩套調(diào)溫系統(tǒng),柴油發(fā)電機(jī)組自帶的節(jié)溫器對(duì)內(nèi)循環(huán)調(diào)溫,而外循環(huán)則依靠管網(wǎng)上的溫控三通閥排除高溫水調(diào)溫。

風(fēng)冷和水冷各有所長(zhǎng),我們可以根據(jù)使用環(huán)境作出選擇,開(kāi)式冷卻水循環(huán)柴油發(fā)電機(jī)組的構(gòu)造與上述閉式機(jī)組的構(gòu)造基本相同,其主要區(qū)別是開(kāi)式機(jī)組不帶散熱器或冷卻風(fēng)扇裝置,故機(jī)組本身不能獨(dú)立完成冷卻循環(huán)過(guò)程,用戶在使用時(shí)必須自行設(shè)置冷卻液散熱裝置,在設(shè)備訂購(gòu)時(shí)也可以要求柴油發(fā)電機(jī)組廠家配置熱交換器,熱交換器可選擇管殼式(列管式)換熱器、板式換熱器等多種型式。

柴油發(fā)電機(jī)組冷卻布置形式通常有以下三種：

1)連機(jī)散熱器閉式水冷；

2)分體式或遠(yuǎn)置散熱系統(tǒng)；

3)熱交換器系統(tǒng)。

3 機(jī)組內(nèi)循環(huán)冷卻水的溫度調(diào)節(jié)

柴油發(fā)電機(jī)的氣缸蓋和氣缸體中都鑄造有水套,冷卻液經(jīng)水泵加壓后,經(jīng)分水管進(jìn)入缸體水套內(nèi),冷卻液在流動(dòng)的同時(shí)吸收氣缸壁的熱量并使溫度升高,然后流入氣缸蓋水套,在此吸熱升溫后流出機(jī)組。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)要求進(jìn)出機(jī)組冷卻液溫度保持在合適的范圍內(nèi),以保證柴油機(jī)正常工作。冷卻液溫度過(guò)高,會(huì)發(fā)生氣蝕,中斷冷卻水(液)的供給,大多數(shù)柴油機(jī)冷卻液規(guī)定最高溫度不超過(guò)95℃,低于此溫度就不會(huì)發(fā)生氣蝕。但冷卻液的溫度也不是越低越好,水溫過(guò)低,對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的作業(yè)極為有害：會(huì)使柴油機(jī)焚燒室內(nèi)的溫度過(guò)低,柴油噴入后不易霧化焚燒,部分柴油仍呈霧滴狀隨廢氣排出,柴油機(jī)效率下降,且著火后燃期增長(zhǎng),發(fā)動(dòng)機(jī)工作易粗暴,加劇曲軸、軸承、活塞環(huán)等零部件的損壞；焚燒后一部分生成物在氣缸內(nèi)與冷凝水結(jié)合而生成酸性物質(zhì),腐蝕氣缸,使發(fā)動(dòng)機(jī)磨損明顯增大；水溫過(guò)低使機(jī)油溫度下降,機(jī)油變稠,流動(dòng)性變差,機(jī)油泵泵油量削減,致使供油不足,加上曲軸軸承空隙變小,潤(rùn)滑不良。試驗(yàn)表明,假如冷卻液溫度自85℃降到30℃,發(fā)動(dòng)機(jī)功率約下降8%,耗油增加30%～40%,磨損增大約6倍。因而,使用時(shí)忌使水溫過(guò)低。

柴油機(jī)在80℃～90℃時(shí)效率最高,一般機(jī)組都自帶有循環(huán)水泵,根據(jù)機(jī)頭散熱量通過(guò)選擇機(jī)組自帶循環(huán)泵的性能參數(shù)(流量、壓力)與內(nèi)循環(huán)冷卻液的進(jìn)出機(jī)組的溫差△t(通?！鱰=6 ℃～10 ℃左右),就可以將直接冷卻柴油機(jī)的冷卻液控制在正常工作的水溫區(qū)間。

內(nèi)循環(huán)冷卻液的調(diào)溫是通過(guò)機(jī)組自帶的自動(dòng)節(jié)溫器實(shí)現(xiàn)的,節(jié)溫器是保證柴油發(fā)電機(jī)工作在最適宜的溫度的關(guān)鍵部件,是一種溫控閥門(mén),可根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷和水溫的大小調(diào)節(jié)冷卻液的冷卻強(qiáng)度(路線和流量),安裝在柴油機(jī)冷卻水的出口處[1]。

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組剛啟動(dòng)運(yùn)行,冷卻水出口溫度很低時(shí),節(jié)溫器閥關(guān)閉,冷卻水通過(guò)旁通管又回流到柴油機(jī)自帶的循環(huán)泵入口,而沒(méi)有到散熱器的水量,這樣繼續(xù)在柴油機(jī)內(nèi)循環(huán)加熱,如此反復(fù),直至出水溫度達(dá)到一定值時(shí),節(jié)溫器閥逐漸開(kāi)啟,部分熱水排至散熱器,部分熱水仍回流至循環(huán)水泵,這樣混合后的水再進(jìn)入到柴油機(jī),保持柴油機(jī)冷卻水溫在一定范圍內(nèi)。當(dāng)柴油機(jī)內(nèi)水溫高于某一溫度時(shí),節(jié)溫器全開(kāi),冷卻液經(jīng)大循環(huán)管全部流進(jìn)散熱器,此時(shí),冷卻強(qiáng)度大,使水溫不致過(guò)高。節(jié)溫器開(kāi)啟得越大,流至散熱器的熱水越多。

4 外置換熱器的進(jìn)出水溫度的選擇

低溫外循環(huán)冷卻水與高溫內(nèi)循環(huán)冷卻液在板換內(nèi)部換熱時(shí)是錯(cuò)流,冷媒側(cè)與高溫水側(cè)的對(duì)數(shù)溫差△t(△t=[(T1-t2)-(T2-t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1)])是選用外置熱交換器的依據(jù),溫差越大,熱交換面積越小,外循環(huán)冷卻水側(cè)進(jìn)水溫度t1、出水溫度t2越低。因此,有條件時(shí)應(yīng)提高外置熱交換器面積,盡量提高外循環(huán)排水溫度t2,但某些柴油機(jī)規(guī)定外循環(huán)出水溫度不得超過(guò)80 ℃,如此可減少冷卻儲(chǔ)水池的容積,通常進(jìn)入柴油機(jī)外置熱交換器的冷卻水水溫在50 ℃～60 ℃之間,出水溫度70 ℃～75 ℃,進(jìn)出水溫差△t=15 ℃～20 ℃,而柴油機(jī)內(nèi)冷卻循環(huán)的水溫一般為80 ℃～90 ℃。

5 柴油發(fā)電機(jī)房的冷卻

柴油發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)空氣的冷卻常用的主要有風(fēng)冷和水冷兩種方式。

5.1 風(fēng)冷式柴油發(fā)電機(jī)房

柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)機(jī)頭散發(fā)到機(jī)房空氣中的熱量,一般應(yīng)在柴油機(jī)機(jī)頭散熱器設(shè)置排風(fēng)罩,直接將熱空氣排至室外。也有直接排至機(jī)房?jī)?nèi),則機(jī)房的余熱量也應(yīng)計(jì)入這部分散熱量,這將增大機(jī)房?jī)?nèi)的冷卻風(fēng)量。

5.2 水冷式柴油發(fā)電機(jī)房

水冷式柴油發(fā)電機(jī)房是用水做冷媒,通過(guò)表面式或淋水式冷卻器(噴水不常用)與空氣進(jìn)行熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)空氣降溫。一般做法是在柴油發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置冷風(fēng)機(jī),在冷風(fēng)機(jī)內(nèi)通冷媒水,通過(guò)機(jī)房?jī)?nèi)熱空氣與冷風(fēng)機(jī)內(nèi)冷媒水的熱交換來(lái)帶走空氣熱量,達(dá)到降低機(jī)房空氣溫度的目的。

6 固定電站冷卻

固定電站是發(fā)電機(jī)組固定,且具有獨(dú)立的通風(fēng)、排煙、貯油等系統(tǒng)的柴油電站。柴油發(fā)電機(jī)組和控制室分開(kāi)設(shè)置,有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng),具有自動(dòng)控制或隔室控制功能。

《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50038—2005)》第7.7.2條規(guī)定[2]：平戰(zhàn)結(jié)合的防空地下室電站類型應(yīng)符合下列要求：

1)中心醫(yī)院、急救醫(yī)院應(yīng)設(shè)置固定電站；

2)救護(hù)站、防空專業(yè)隊(duì)工程、人員掩蔽工程、配套工程的電站,當(dāng)機(jī)組總?cè)萘看笥?20 kW時(shí)宜設(shè)置固定電站。

6.1 固定電站的冷卻組合方式

防空地下室柴油發(fā)電站的冷卻包括柴油發(fā)電機(jī)組的冷卻及機(jī)房?jī)?nèi)空氣的冷卻,兩者都可以采用水冷和風(fēng)冷的冷卻方式。柴油電站的冷卻方式應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮辞闆r、氣候條件、空調(diào)方式及柴油發(fā)電機(jī)組型號(hào)等因素確定,通常有以下3種組合方式：

1)柴油發(fā)電機(jī)房和柴油機(jī)均采用水冷系統(tǒng)。

2)柴油發(fā)電機(jī)房采用風(fēng)冷系統(tǒng),柴油機(jī)采用水冷系統(tǒng)。

3)柴油發(fā)電機(jī)房和柴油機(jī)均采用風(fēng)冷系統(tǒng)。

在民用建筑的自備發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)中,當(dāng)機(jī)組采用水冷時(shí),通常采用冷卻塔或散熱器作為柴油發(fā)電機(jī)組的終端散熱設(shè)備,主要是因?yàn)椴捎门懦邷責(zé)崴倩焖姆绞剿坷速M(fèi)太大,對(duì)人防固定電站,可采用風(fēng)冷或水冷,規(guī)范上并沒(méi)有明確規(guī)定什么情況下采用何種冷卻形式。當(dāng)采用風(fēng)冷時(shí),由于有防護(hù)要求,通常采用機(jī)體自帶散熱器的閉式水冷(風(fēng)冷);當(dāng)機(jī)組功率較大或排煙井設(shè)置有困難時(shí)通常采用設(shè)置貯水池儲(chǔ)存冷卻水的辦法進(jìn)行水冷。

《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50038—2005)》第6.5.2條規(guī)定[2]：冷卻水貯水池的容積應(yīng)根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)組在額定功率下冷卻水的消耗量和要求的貯水時(shí)間確定。貯水時(shí)間可按照表1采用。

表1 柴油發(fā)電機(jī)房貯水池貯水時(shí)間

6.2 柴油發(fā)電機(jī)房風(fēng)冷、機(jī)組水冷

當(dāng)采用該方式冷卻時(shí),流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 柴油機(jī)房風(fēng)冷、機(jī)組水冷系統(tǒng)原理圖

在計(jì)算時(shí),我們通常不知道柴油機(jī)的額定功率, 但知道發(fā)電機(jī)組的額定發(fā)電量,可由式Ne=Nc/η2求得柴油機(jī)的額定功率,再根據(jù)柴油機(jī)的耗油率算出總發(fā)熱量,由前述冷卻水損失占總發(fā)熱量比率,可算出循環(huán)冷卻水量及混合水池補(bǔ)水量(即高溫水排水量)。

根據(jù)機(jī)頭散熱量與循環(huán)冷卻水量建立如下平衡關(guān)系式：

εa·Ne·m·B·q=1 000·QX·ρ·CS·(t2-t1)

(3)

將式(1)代入式(3)得,

QX=εa·Nc·m·B·q/[η2·1 000·ρ·CS·(t2-t1)]

(4)

式(4)中：εa為冷卻水損失占總發(fā)熱量比率,取值εa=24%～30%；

B為柴油機(jī)的耗油率,kg/kW·h；

q為柴油機(jī)燃料熱值,可取41 870 kJ/kg；

m為柴油機(jī)同時(shí)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)；

QX為柴油機(jī)的循環(huán)冷卻水量,m3/h；

CS為水的比熱,一般CS=4.187 kJ/(kg·℃)；

ρ為水的相對(duì)密度；

t0為貯水池水溫,℃;

t1為柴油機(jī)冷卻水進(jìn)水溫度(或混合水池溫度),℃;

t2為柴油機(jī)冷卻水出水溫度,℃。

冷卻水貯水池容積應(yīng)根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組在額定功率下冷卻水的總耗水量和要求的貯水時(shí)間,由下式確定：

V·1 000·ρ·CS·(t2-t0)=εa·m·Ne·B·q·24·T

(5)

V=εa·m·Ne·B·q·24·T/[1 000·ρ·CS·(t2-t0)]

(6)

式中：V為貯水池容積,m3；

T為貯水時(shí)間,選2～3 d。

柴油發(fā)電機(jī)組外循環(huán)采用混合水池調(diào)節(jié)時(shí),一部分回流至混合池,一部分排除,消耗水量再由貯水池補(bǔ)水,低溫補(bǔ)水量按下式計(jì)算：

Qb=QX·(t2-t1)/(t2-t0)

(7)

從式(7)中可以看出,表面上看起來(lái)補(bǔ)水量Qb與t0、t1、t2都有關(guān),但將式(4)代入式(7),可得：

Qb=εa·Ne·m·B·q/[1 000·ρ·CS·(t2-t1)]·(t2-t1)/(t2-t0)=εa·Ne·m·B·q/[1 000·ρ·CS· (t2-t0)]

得出：

Qb=εa·Ne·m·B·q/[1 000·ρ·CS·(t2-t0)]

(8)

式(8)中：Qb為補(bǔ)充新水水量,m3/h；

t為補(bǔ)充新水水溫,按照夏季最高溫度地下室貯水池水溫選取,t=20℃。

式(8)實(shí)際上就是根據(jù)宏觀熱量平衡計(jì)算低溫補(bǔ)水量的計(jì)算式。

這種冷卻方式中整臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中補(bǔ)水量(即排水量)不變,貯水池容積也可按V=Qb·T·24計(jì)算。

由式(4)、(6)、(8)可知,循環(huán)水量QX只與t1及t2有關(guān),而補(bǔ)水量Qb、貯水池容積V只與t0及t2有關(guān),與混合水池水溫t1無(wú)關(guān),提高排水溫度t2及降低儲(chǔ)水池溫度t0均有助于減小貯水池容積。

這種方式貯水池僅承擔(dān)貯水功能,沒(méi)有必要對(duì)冷卻水貯水池進(jìn)行分格。

6.3 柴油發(fā)電機(jī)房水冷、機(jī)組水冷

機(jī)房采用水冷的柴油電站,應(yīng)結(jié)合柴油機(jī)機(jī)頭水冷卻及機(jī)房水冷卻綜合設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。目前機(jī)房水冷常見(jiàn)的多采用冷風(fēng)機(jī)形式,冷風(fēng)機(jī)冷卻機(jī)房空氣后雖然出水溫度升高但水溫仍比較低,而柴油機(jī)冷卻要求的進(jìn)水溫度比較高,通常將冷風(fēng)機(jī)出水再作為柴油機(jī)的冷卻水使用,以便節(jié)約水資源。機(jī)房空調(diào)水冷有兩種形式：一種是直流式系統(tǒng)；另一種為重復(fù)循環(huán)利用系統(tǒng)。

6.3.1 機(jī)房直流水冷

圖集《防空地下室固定柴油電站(08FJ04)》水冷系統(tǒng)圖是按照有可靠防護(hù)的內(nèi)水源設(shè)計(jì)[3],見(jiàn)圖3,機(jī)房水冷系統(tǒng)采用直流冷卻系統(tǒng),冷風(fēng)機(jī)冷媒水冷卻機(jī)房后除補(bǔ)充混合水池外,多余的水量直接排除了,貯水池僅作為自備水源深井泵提取水的調(diào)節(jié)儲(chǔ)存功能,故貯水池沒(méi)有進(jìn)行分格,且容量按照貯水時(shí)間6 h計(jì)算[2]。該方式對(duì)于有可靠防護(hù)且取水量不受限的內(nèi)水源來(lái)說(shuō)既可以減小冷卻貯水池容積,節(jié)省占地面積,又可以保障機(jī)房的冷卻效果。

6.3.2 機(jī)房重復(fù)循環(huán)利用水冷

對(duì)無(wú)可靠?jī)?nèi)、外水源的電站來(lái)說(shuō),機(jī)房直流水冷方式貯水池容積很大,占用面積大,水量浪費(fèi)嚴(yán)重,機(jī)房空調(diào)冷卻水應(yīng)考慮采用重復(fù)循環(huán)利用冷卻系統(tǒng),見(jiàn)圖4,但冷卻效果不如直流式系統(tǒng)。

采用重復(fù)循環(huán)利用的冷卻系統(tǒng),因?yàn)槔滹L(fēng)機(jī)的循環(huán)水量Qa與混合水池補(bǔ)水量Qb不匹配, 多余的

圖3 柴油機(jī)房直流水冷、機(jī)組水冷系統(tǒng)原理圖

圖4 柴油機(jī)房重復(fù)循環(huán)水冷、機(jī)組水冷系統(tǒng)原理圖

水量有一部分會(huì)回流至冷卻貯水池。此時(shí),如貯水池不分格,會(huì)導(dǎo)致空調(diào)冷卻后升溫的回水與貯水池的水混合,影響機(jī)房冷卻效果。所以機(jī)房機(jī)組均采用重復(fù)循環(huán)利用的水冷系統(tǒng),貯水池采用多格水池,其中一格為空格?？照{(diào)冷卻水首先回到空格,一方面避免和大水池的混合后提高水溫影響空調(diào)冷卻效果,同時(shí)可以利用水池的自然降溫便于循環(huán)使用[4]。分格數(shù)宜為3～5格,見(jiàn)圖5。

圖5 機(jī)房機(jī)組雙循環(huán)重復(fù)水冷系統(tǒng)圖(貯水池分格)

戰(zhàn)時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)將1#池空格,2#～4#池貯水至設(shè)計(jì)容量,運(yùn)行時(shí)依次抽空2#～4#水池,將空調(diào)循環(huán)回水依次放滿1#～3#池,待下一循環(huán)周期時(shí),依次抽吸1#～3#池,循環(huán)反復(fù),直至抽完。

文獻(xiàn)[4]內(nèi)提到自備水源的取水構(gòu)筑物應(yīng)設(shè)在固定電站的清潔區(qū),但清潔區(qū)除了電站控制室就是值班室,且電站的供水僅供給冷卻用水,不涉及飲水及生活用水,柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)在染毒區(qū),自備供水水源也完全可以放在染毒區(qū),這樣布置對(duì)整個(gè)機(jī)房的供水也方便。

例題：某防空地下室固定電站,采用2臺(tái)200 kW柴油發(fā)電機(jī)組,設(shè)備考慮同時(shí)運(yùn)行,單臺(tái)機(jī)組的燃油消耗量為0.23 kg/(kW·h),電站機(jī)房及柴油機(jī)均采用水冷方式,計(jì)算電站冷卻水貯水量、循環(huán)冷卻水量、空調(diào)循環(huán)水量、冷風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)及選型。

相關(guān)資料：采用市政水源補(bǔ)水,按照無(wú)可靠防護(hù)的內(nèi)外水源計(jì)算,貯水時(shí)間按照T=2 d取。地下室水溫為20 ℃,室外空氣氣溫為30 ℃,柴油機(jī)機(jī)頭冷卻進(jìn)水水溫采用60 ℃,冷卻水出水溫度為75 ℃。

采用隔離體分析法計(jì)算機(jī)房冷卻空調(diào)循環(huán)冷卻水量、計(jì)算冷風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)n、柴油機(jī)冷卻總循環(huán)流量QX、補(bǔ)水量Qb。

1)計(jì)算冷風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)n

機(jī)房散發(fā)余熱Q1=εb·m·B·q·Ne=εb·m·B·q·Nc/η2,取η2=90%；

Q1=0.09×2×0.23×41 870×200/0.9=385 204 kJ/h=107 kW。

εb為機(jī)房?jī)?nèi)余熱量占總發(fā)熱量的比率,按9%計(jì)算；

根據(jù)電站機(jī)房?jī)?nèi)余熱量需要用水冷卻,計(jì)算冷風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、總冷卻水水量、循環(huán)水泵等；

選用S534型冷風(fēng)機(jī),單臺(tái)制冷量9.25 kW,需臺(tái)數(shù)n=107/9.25=11.56臺(tái),選12臺(tái)。

2)機(jī)房空調(diào)循環(huán)冷卻水量Qa

柴油發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)空氣溫度要求：人員直接操作時(shí)溫度不應(yīng)超過(guò)35 ℃,人員隔室操作時(shí)溫度不超過(guò)40 ℃。電站控制室內(nèi)的空氣溫度不大于30 ℃。由冷風(fēng)機(jī)冷媒水帶走的熱量與機(jī)房散發(fā)的余熱建立平衡方程式,可求得空調(diào)冷卻循環(huán)總流量。

Qa·1 000·ρ·CS·(t-t0)=εb·m·Ne·B·q

(9)

將式(1)代入式 (9)得,

Qa=εb·m·Nc·B·q/[η2·1 000·ρ·CS·(t-t0)]

(10)

式中：t0為貯水池儲(chǔ)水溫度,通常取t0=20 ℃；

t為冷風(fēng)機(jī)出水溫度,按t=25 ℃考慮(冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)溫度按34 ℃)；

Qa為空調(diào)冷卻循環(huán)總流量,m3/h。

根據(jù)式(10),Qa=0.09×2×200×0.23×41 870/(0.9×1 000×1×4.187×(25-20))=18.4 m3/h。

3)柴油機(jī)冷卻總循環(huán)流量QX

根據(jù)式(4)QX=εa·Nc·m·B·q/[η2·1 000·ρ·CS·(t2-t1)], 算得QX=0.3×2×200×0.23×41 870/(0.9×1 000×1×4.187×(75-60))= 20.4 m3/h。

4)計(jì)算補(bǔ)水量Qb

根據(jù)式(7)Qb=QX·(t2-t1)/(t2-t0),此時(shí)t0應(yīng)取圖4中的t值。算得Qb=2×10.2×(75-60)/(75-25)=6.12 m3/h。

5)冷卻水庫(kù)的貯水容積計(jì)算

如采用隔離體分析法公式：

V=Qb·T·24

(11)

算得,V=6.12×24×2= 293.8 m3。

如采用宏觀整體熱量分析法,根據(jù)輸入熱量與排水散熱量相平衡的原理,來(lái)計(jì)算冷卻水庫(kù)的貯水容積(排水總量)?？傒斎霟崃堪ɡ鋮s水熱損失與機(jī)組外殼散熱之和。

V·1 000·ρ·CS·(t2-t0)=εz·m·Ne·B·q·24·d

(12)

將式(1)代入式 (12),得：

V·1 000·ρ·CS·(t2-t0)=εz·m·(Nc/η2)·B·q·24·d

V×1 000×1×4.187×(75-20)= 0.39×2×200/0.9×0.23×41 870×24×2

得出V=347.9 m3,其中εz為總輸入熱量占柴油機(jī)總發(fā)熱量的比率(εz=εa+εb=39%考慮)。

可見(jiàn)采用式(11)與式(12)計(jì)算貯水容積時(shí)結(jié)果并不一致,得到兩種結(jié)果。采用隔離體分析法算出的貯水池容積偏小,原因分析如下：

采用隔離體算法是在確保混合池補(bǔ)水水溫始終是t的情況下才可行,但是由于空調(diào)冷卻泵自貯水池吸水量Qa大于Qb,故當(dāng)貯水池的冷水第一次抽空時(shí)柴油機(jī)仍在工作,而這時(shí)貯水池內(nèi)的水溫由t0變成經(jīng)過(guò)冷風(fēng)機(jī)吸熱后的溫度t(t>t0),當(dāng)進(jìn)入下一個(gè)池水抽空周期時(shí),冷風(fēng)機(jī)進(jìn)水溫度t升高了。由于需要繼續(xù)從機(jī)房空氣吸熱降溫,冷風(fēng)機(jī)出水(混合池補(bǔ)水)溫度也會(huì)升高,而冷卻柴油機(jī)的冷卻水泵流量一定。因此,相應(yīng)會(huì)造成混合水池工況變動(dòng),由于外循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)溫控三通閥排水自動(dòng)調(diào)溫,會(huì)導(dǎo)致排水量或補(bǔ)水量Qb相應(yīng)增加。

由此可知,貯水池的水每被完全抽空一次,回至貯水池溫度升高一次,混合池排水量也增加一次。如此反復(fù)循環(huán),當(dāng)空調(diào)冷卻循環(huán)水量與混合池補(bǔ)水量(或柴油機(jī)冷卻外循環(huán)排水量)相等時(shí),整個(gè)貯水池內(nèi)的水會(huì)逐漸被抽空。因此,混合池排水量(即補(bǔ)水量)是一個(gè)變值?？梢钥闯觯寒?dāng)機(jī)房機(jī)組雙水冷時(shí)采用隔離體算法有缺陷,不能將貯水池第一個(gè)抽空周期內(nèi)混合池的補(bǔ)水量作為整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的恒量來(lái)計(jì)算冷卻水池貯水量,按照上述算法計(jì)算出的儲(chǔ)水容積偏小,因此應(yīng)按照宏觀整體熱量平衡算法來(lái)計(jì)算冷卻水池貯水量。

7 結(jié) 語(yǔ)

1)采用開(kāi)式系統(tǒng)時(shí),為保護(hù)機(jī)組及調(diào)溫的操控性,應(yīng)采用雙循環(huán)系統(tǒng),這時(shí)機(jī)組的溫度控制實(shí)際上是雙調(diào)溫系統(tǒng)。

2)利用發(fā)電機(jī)額定功率計(jì)算時(shí),必須要考慮發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換系數(shù)η2。

3)當(dāng)機(jī)房采用重復(fù)循環(huán)利用水冷,機(jī)組也采用水冷時(shí),混合池的排水量不是恒定值,不可以用貯水池的初次抽空周期時(shí)混合水池的補(bǔ)水量來(lái)計(jì)算冷卻貯水池的容積,而應(yīng)該按照宏觀整體熱量平衡算法即規(guī)定貯水時(shí)間內(nèi)整個(gè)運(yùn)行周期機(jī)頭氣缸發(fā)熱量與機(jī)體散熱量之和與排水帶走的熱量平衡來(lái)計(jì)算冷卻貯水池容積。

4)當(dāng)機(jī)房風(fēng)冷、機(jī)組水冷或機(jī)房直流水冷、機(jī)組水冷時(shí),冷卻貯水池沒(méi)必要進(jìn)行分格；而當(dāng)機(jī)房采用重復(fù)循環(huán)利用水冷,機(jī)組也采用水冷時(shí),為加強(qiáng)機(jī)房水冷效果,冷卻貯水池需要分格。

5)當(dāng)機(jī)房機(jī)組冷卻方式及柴油發(fā)電機(jī)組確定后,應(yīng)盡量選用大換熱面積外置熱交換器,提高出水溫度t2,減小貯水池容積?；旌纤氐臏囟萾1只對(duì)循環(huán)水量QX有影響,不影響補(bǔ)水量Qb及貯水容積V。