排气背压影响因素的正交数值计算研究

莫 辛，刘洪斌，陈玉华

（1．西南石油大学机电工程学院，四川 成都610500；2．湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057）

0 引言

当前针对海洋工程上应用的设备的废弃物排放标准要求越来越高。发电机组是海洋工程上不可或缺的重要设备，作为一种能源转换装置，对其进行绿色设计十分必要。其中发电机的排气系统设计对发电机的机械性能、使用寿命、能量转换效率等方面有着显著的影响。特别是对海洋平台用的柴油发电机组，其安装在极其有限的平台空间中，既要保证其使用性能又要符合国家的相关标准规范，故其排气系统的设计及安装布置都是十分重要的。理论研究及工程实践表明：发电机排气背压过小会导致提前排气，使能量转换不充分，造成能源的浪费并且加大排放到大气中的废气量，污染加剧。若排气背压过大则会大量消耗机械功，使效率下降，影响发电机的性能，耗油量加大。因此发电机的排气背压要在一个规定区间内，才能使发电机环保运行。在正常情况下发电机厂商都会对发电机进行背压测试，从而得到一个最大排气背压限制值，然后用户根据这个最大背压值去设计相应的排气管道系统。

针对排烟系统设计，工程技术人员一般是根据经验去设计布置排烟系统，然后根据厂家提供的估算公式去验算背压[1]，由于对各影响因素对背压的影响显著程度缺乏直观的了解和指引[2]，导致经常会反复修改排烟系统布置图。现在国内外对背压的研究和设计一般采用软件数值模拟计算的方式去计算背压，虽然结果相对精确，但是过程十分烦杂。而在普通的工程项目中对背压的要求并没有需要很精确的数值，只需要控制在一定范围内。

论文创新性地将“正交+数值计算”技术引入到对柴油发电机排气背压影响因素的分析中，展开对柴油发电机排气背压影响因素的研究。

1 研究对象

本文以某涠洲平台模块钻机上应用的柴油发电机排气系统为研究对象，根据海上平台的实际情况确定影响因素和水平，并通过科学的方法对这些发电机排气背压影响因素进行研究，从而得到这些影响因素对发电机排气背压的影响程度以及趋势。

对于本文研究的发电机排气系统的背压指排气出口处（图1中的1位置）到排气管出口处（大气压）之差。其形成的原因是气体在高速流动时受到内部摩擦阻碍与外部物体对其的阻碍。排气过程中的功率损失主要由沿程阻力和局部阻力两部分组成。其中沿程阻力主要出现在排气管道内壁上，这是由于排出气体与管道壁面之间摩擦而产生的，其大小取决于排气管内壁粗糙度以及废气的流动速度。而局部阻力主要出现在排气系统中各气体流通截面突变处，即主要集中在排气系统管路以及在消声器内气体流动通道中的收缩或扩张等截面积突变处。在气体流通截面突变处，气体的压力能和其动能产生突变，气体在小范围内形成漩涡加剧其动能的转换，能量耗损增加，同时进一步加剧了流体之间的摩擦损失，内能损耗增大。局部阻力取决于排气管路局部结构以及管道直径和流体速度。所以排气系统的设计及布置可以改变排气背压的大小，当背压增大时，能量损失跟着增大，耗油量及噪音也会加剧[3]。

该柴油发电机是卡特彼勒3512B DITA海洋用发电机（结构如图1所示），其基本参数为1200EKW@1 500 r/min，50 Hz，600 V，0.8PF。该柴油发电机排气系统由干式排气管（附带隔热板），双涡轮增压（附带隔热板），竖直排气出口，柔性连接波纹管，变径接头，可焊接法兰，弯头，灭火星式消声器以及排气直管组成。本文所研究的排气系统是指在竖直排气出口以后部分，即废气排放量是在竖直排气出口处的数值。废气排放相关参数如表1所示。

图1 柴油发电机结构图

表13512 B发电机组废气排放相关参数

2 数值处理计算过程

本文运用正交法来对影响海上平台用柴油发电机排气背压的因素进行分析研究。这样可在实现研究目的地基础上大量减少各种资源的消耗[4]。

由上述柴油发电机的排气参数（如表1所示）及排气系统组成结构图（如图1所示），根据卡特彼勒柴油发电机组设计应用指南中提供的排气背压计算式，我们选择了废气流量、废气比重、排气管内径以及排气直管当量总长度这4个影响因素作为分析因子来进行研究，并且根据以往项目相关的经验将这4个影响因素在海上平台应用的常用范围内平均分为4个等级（水平）（见表2）。废气比重C可由式1求得，其中T为排气气体温度。

表2 对排气背压影响的因素水平表

选用L16（45）正交表来进行设计对柴油发电机排气背压影响因素数值计算的研究方案（见表3）。

表3 对柴油发电机排气背压影响因素数值计算的研究方案

与机组配套的灭火星式消音器压力降Ps参数（如表4所示）。

表4 排气消音器压力降参数

根据卡特彼勒柴油发电机组设计应用指南得到排气系统的总阻力（背压）P为排气管道阻力Pg与消音器压力降Ps之和[5]，其计算公式

P为背压力（kPa）；A 为废气流量（m3/min）；B 为排气管内径（mm）；C为废气比重即空气密度（kg/m3）；D为排气直管单量总长（m）；Ps为消音器压降（kPa）

根据设计好的对柴油发电机排气背压影响因素数值计算的研究方案（见表3），应用式2进行16次计算其结果如表5所示。

表5 对柴油发电机排气背压影响因素数值计算结果

3 结果分析

正交法应用相关的数理统计法去对结果计算分析可得到大量有用的结论[6]。由结果计算各影响因子在不同水平时排气背压欧式距离和的平均数得到这些影响因素对发电机排气背压的影响趋势图。对海上平台用柴油发电机排气背压影响因素的分析结果采用方差分析来对其进行研究。它能检验出各因子对指标影响的显著程度。

根据结果求各影响因素在同水平下排气背压的平均数，比如排气管内径在300 mm水平下背压的平均数：

按式3的思路分别对各因素各水平进行背压和的平均数计算，得到16个平均数。为了便于对比观察，将其置于同一趋势图中。从而得到各影响因素对柴油发电机排气背压的影响趋势图（如图2所示）。

图2 不同影响因素对排气背压的影响趋势图

对表5中的数据进行方差分析。所有结果的和H：

方差分析中的纠正系数J：

求解运算本研究中总体和各因素以及误差之偏差平方和

A到D因素的偏差平方和按式5计算得出（见表6），式5中的H为各因素各水平的结果（见表5）的和。

得到各因子以及误差之均方值、各因子之F值，如表6所示。

表6 正交实验方差分析表

由于各因子及误差的自由度都是3，则通过F临界值表可知[7]：

从表6中可看出废气比重、排气直管当量总长度两个因子其F值都小于F0.05（3，3），即在供研究条件下，在95%的置信水平上，废气比重和排气直管当量总长度这两个影响因素对柴油发电机排气背压的影响不显著。废气流量、排气管内径两个因子其F值大于F0.05（3，3）即在供研究条件下，废气流量和排气管内径这两个影响因素对柴油发电机排气背压的影响非常显著。由图2中看出随废气流量的增大，排气背压也跟着增大；随排气管内径增大，排气背压先急剧下降然后在300 mm左右开始背压下降趋向平缓。随废气比重的增加，排气背压也跟着增大，但是不明显；随排气直管当量总长度的增加，排气背压也跟着增大，但是也不明显。

4 结束语

海洋用柴油发电机排气背压受废气流量、废气比重、排气管内径以及排气直管当量总长度的影响，其中废气流量和排气管内径对柴油发电机排气背压影响最为显著，废气比重对柴油发电机排气背压影响不显著。背压随着废气流量的增加而增大，随着管径增大而减小，随着直管当量总长度的增长而增大，而废气比重对背压具有不确定性且影响不大。故在设计柴油发电机排气系统时如需微量调节排气背压应该是调节排气直管当量总长度而不是调节排气管内径。如若需要在比较小的空间粗调排气背压则可以通过调节排气管内径来实现。