人防固定电站开式水冷系统设计

黄国华

(中建二局第二建筑工程有限公司,广东 深圳 518054)

柴油发电机组是以柴油为主燃料的一种发电设备,以柴油发动机(又叫柴油机)为原动力带动发电机(即电球)发电,把动能转换成电能和热能的机械设备。整套柴油发电机组主要分为三个部分：柴油发动机、发电机(即电球)、控制器。机组在发电过程中发生两次能量形式转换：第一次能量转换由柴油机执行,使石化能转化为机械能及热能,包括柴油机的输出功率、机头气缸发热量、排烟带走的热量、摩擦及辐射散热；第二次能量转换由发电机执行,柴油机的输出功率(机械能)被转化为电能及热能。

根据能量热平衡,燃油最终产生的热量形式包括：有效功(发电机输出的功率)、冷却损失、排烟损失、以摩擦和辐射及对流方式散到周围介质的热量。以上4项占燃油总发热量的比率分别为：有效功33%～40%,冷却损失24%～30%,排烟损失30%～40%,柴油机散热8%～10%。

1 柴油发电机效率

1.1 柴油机的效率η1及发电机效率η2

η1为柴油机在额定工况下输出功率与燃油总发热量的比值,发电机效率η2为发电机在额定工况下输出的有效功率(发电量)与发电机输入功率(柴油机输出功率)比值,公式如下：

η2=Nc/Ne

(1)

式(1)中：η2为85%～95%；

Nc为发电机的额定功率,kW;

Ne为柴油机的额定功率,即柴油机在额定工况下的有效输出轴功率,kW。

1.2 柴油机的热效率

柴油发电机厂家大多采用耗油率来描述热效率。耗油率是衡量柴油机热效率的一个重要指标：单位kg/(kW·h),其物理意义为：每输出1 kW·h的有效功所消耗的柴油量。

市场上大多数柴油发电机耗油率为0.2～0.24 kg/(kW·h),建议值0.23 kg/(kW·h)(下文以此为标准计算)。因此,根据耗油率就可算出柴油机的效率η1,一般在36%～45%之间。

柴油发电机的整体效率η如下：

η=η1·η2

(2)

发电机额定功率(发电量)属于总发热量的一部分,我们通常提到的柴油发电机组额定功率是指发电功率Nc,还需折算成柴油机额定功率Ne,再根据柴油机的耗油率才能算出柴油发电机组柴油燃烧的总发热量Q。

2 柴油发电机组冷却方式

柴油发电机运行时,气缸会产生大量的热能,为了维持气缸正常工作,需要冷却水将柴油机气缸的热量带走,一般常用的方法有以下两种：

一种是以柴油发电机组输出功为动力带动风扇对终端闭式管道内的高温水冷却,俗称风冷,也称为闭式冷却水循环。它是冷却水冷却柴油机气缸后进入散热器,由机头冷却风扇将散热器的表面热量吹至空气中,散热器内冷却水则由机组自带水泵不断强制循环,进入柴油机气缸水套,构成独立的整机闭式循环冷却系统。这里说的风冷是指整机与外部的热交换方式(与机房内空气),而对柴油机内部而言却是闭式水冷系统。柴油电站闭式水冷原理图见图1。

图1 柴油电站闭式水冷原理图

另一种是终端高温水直接与外界进行热交换,利用水池或冷却塔来冷却柴油机内部,俗称水冷,也称为开式冷却水循环。

开式系统冷却柴油发电机组的水应当是清洁的软水,水中的硬度大时,在气缸中受热后,矿物质会在水套外壁结成水垢,导致传热性能下降,影响换热效率,气缸及气缸盖的热量就不能顺利传给冷却水,容易导致机器过热,加速气缸和活塞连杆组等机件的磨损,从而降低柴油机的功率。水垢多时甚至有可能阻塞水管及气缸水道,使得冷却水循环困难。

另外,采用开式水冷却系统时,由于高温水直接与外界进行热交换,水质容易受到污染,所以通常设置换热器,把开式的冷却水与柴油机冷却液分隔开来,形成内外双循环的柴油机间接冷却系统,且柴油机启动及调温都很迅速且灵活,在工程上应用广泛。直接冷却柴油机的开式系统本文不予讨论。

开式冷却塔水冷原理如下：在内循环系统中,机组自带的循环泵将柴油机工作时气缸产生的热量带至热交换器,在此与外循环冷却后的低温水进行热交换,柴油机的内循环热水被冷却后重新回到柴油机,并对柴油机气缸进行冷却,而外循环换热后温度升高的冷却水由外循环水泵在冷却塔与热交换器之间强制循环,最终由冷却塔将热量转移至大气中,达到内外双循环系统之间的热平衡。柴油机内循环系统的水温可通过机组自带节温器的开启进行调整,可保证柴油机在80 ℃～90 ℃的最佳水温工作。

水池贮水冷却柴油机,通常做法是设置贮水池及混合水池。外循环泵自混合水池吸水,流经柴油机外置的热交换器,并在此与冷却柴油机后温度升高的内循环冷却液进行间接热交换,将机头热量转移至水中,排出部分高温水,同时补给相应的水量,使调温水箱保持恒定的水温,维持混合水池—冷却水泵—热交换器—柴油发电机之间的热量平衡。机组运行前期,混合水池温度逐渐上升,待升至设计温度t1时,外循环冷却水经过热交换器后温度升至t2,自动开启温控三通阀排水,温控三通阀可通过设定排出水的温度控制开度大小,进而调节排水量。混合水池其实是一个混合冷热水、维持恒温的构筑物,是用来保障冷却水循环系统恒定换热工况的,其温度选择应根据外置换热器内外循环对数温度差来选定,混合水池的容量一般为5～15 min循环水量。实际上,这种带外置换热器的开式冷却水系统有内外两套调温系统,柴油发电机组自带的节温器对内循环调温,而外循环则依靠管网上的温控三通阀排除高温水调温。

风冷和水冷各有所长,我们可以根据使用环境作出选择,开式冷却水循环柴油发电机组的构造与上述闭式机组的构造基本相同,其主要区别是开式机组不带散热器或冷却风扇装置,故机组本身不能独立完成冷却循环过程,用户在使用时必须自行设置冷却液散热装置,在设备订购时也可以要求柴油发电机组厂家配置热交换器,热交换器可选择管壳式(列管式)换热器、板式换热器等多种型式。

柴油发电机组冷却布置形式通常有以下三种：

1)连机散热器闭式水冷；

2)分体式或远置散热系统；

3)热交换器系统。

3 机组内循环冷却水的温度调节

柴油发电机的气缸盖和气缸体中都铸造有水套,冷却液经水泵加压后,经分水管进入缸体水套内,冷却液在流动的同时吸收气缸壁的热量并使温度升高,然后流入气缸盖水套,在此吸热升温后流出机组。柴油机运行时要求进出机组冷却液温度保持在合适的范围内,以保证柴油机正常工作。冷却液温度过高,会发生气蚀,中断冷却水(液)的供给,大多数柴油机冷却液规定最高温度不超过95℃,低于此温度就不会发生气蚀。但冷却液的温度也不是越低越好,水温过低,对柴油发电机组的作业极为有害：会使柴油机焚烧室内的温度过低,柴油喷入后不易雾化焚烧,部分柴油仍呈雾滴状随废气排出,柴油机效率下降,且着火后燃期增长,发动机工作易粗暴,加剧曲轴、轴承、活塞环等零部件的损坏；焚烧后一部分生成物在气缸内与冷凝水结合而生成酸性物质,腐蚀气缸,使发动机磨损明显增大；水温过低使机油温度下降,机油变稠,流动性变差,机油泵泵油量削减,致使供油不足,加上曲轴轴承空隙变小,润滑不良。试验表明,假如冷却液温度自85℃降到30℃,发动机功率约下降8%,耗油增加30%～40%,磨损增大约6倍。因而,使用时忌使水温过低。

柴油机在80℃～90℃时效率最高,一般机组都自带有循环水泵,根据机头散热量通过选择机组自带循环泵的性能参数(流量、压力)与内循环冷却液的进出机组的温差△t(通常△t=6 ℃～10 ℃左右),就可以将直接冷却柴油机的冷却液控制在正常工作的水温区间。

内循环冷却液的调温是通过机组自带的自动节温器实现的,节温器是保证柴油发电机工作在最适宜的温度的关键部件,是一种温控阀门,可根据柴油发电机负荷和水温的大小调节冷却液的冷却强度(路线和流量),安装在柴油机冷却水的出口处[1]。

当柴油发电机组刚启动运行,冷却水出口温度很低时,节温器阀关闭,冷却水通过旁通管又回流到柴油机自带的循环泵入口,而没有到散热器的水量,这样继续在柴油机内循环加热,如此反复,直至出水温度达到一定值时,节温器阀逐渐开启,部分热水排至散热器,部分热水仍回流至循环水泵,这样混合后的水再进入到柴油机,保持柴油机冷却水温在一定范围内。当柴油机内水温高于某一温度时,节温器全开,冷却液经大循环管全部流进散热器,此时,冷却强度大,使水温不致过高。节温器开启得越大,流至散热器的热水越多。

4 外置换热器的进出水温度的选择

低温外循环冷却水与高温内循环冷却液在板换内部换热时是错流,冷媒侧与高温水侧的对数温差△t(△t=[(T1-t2)-(T2-t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1)])是选用外置热交换器的依据,温差越大,热交换面积越小,外循环冷却水侧进水温度t1、出水温度t2越低。因此,有条件时应提高外置热交换器面积,尽量提高外循环排水温度t2,但某些柴油机规定外循环出水温度不得超过80 ℃,如此可减少冷却储水池的容积,通常进入柴油机外置热交换器的冷却水水温在50 ℃～60 ℃之间,出水温度70 ℃～75 ℃,进出水温差△t=15 ℃～20 ℃,而柴油机内冷却循环的水温一般为80 ℃～90 ℃。

5 柴油发电机房的冷却

柴油发电机房内空气的冷却常用的主要有风冷和水冷两种方式。

5.1 风冷式柴油发电机房

柴油发电机工作时机头散发到机房空气中的热量,一般应在柴油机机头散热器设置排风罩,直接将热空气排至室外。也有直接排至机房内,则机房的余热量也应计入这部分散热量,这将增大机房内的冷却风量。

5.2 水冷式柴油发电机房

水冷式柴油发电机房是用水做冷媒,通过表面式或淋水式冷却器(喷水不常用)与空气进行热交换来实现对机房内空气降温。一般做法是在柴油发电机房内设置冷风机,在冷风机内通冷媒水,通过机房内热空气与冷风机内冷媒水的热交换来带走空气热量,达到降低机房空气温度的目的。

6 固定电站冷却

固定电站是发电机组固定,且具有独立的通风、排烟、贮油等系统的柴油电站。柴油发电机组和控制室分开设置,有独立的通风系统,具有自动控制或隔室控制功能。

《人民防空地下室设计规范(GB 50038—2005)》第7.7.2条规定[2]：平战结合的防空地下室电站类型应符合下列要求：

1)中心医院、急救医院应设置固定电站；

2)救护站、防空专业队工程、人员掩蔽工程、配套工程的电站,当机组总容量大于120 kW时宜设置固定电站。

6.1 固定电站的冷却组合方式

防空地下室柴油发电站的冷却包括柴油发电机组的冷却及机房内空气的冷却,两者都可以采用水冷和风冷的冷却方式。柴油电站的冷却方式应根据当地水源情况、气候条件、空调方式及柴油发电机组型号等因素确定,通常有以下3种组合方式：

1)柴油发电机房和柴油机均采用水冷系统。

2)柴油发电机房采用风冷系统,柴油机采用水冷系统。

3)柴油发电机房和柴油机均采用风冷系统。

在民用建筑的自备发电机组冷却系统中,当机组采用水冷时,通常采用冷却塔或散热器作为柴油发电机组的终端散热设备,主要是因为采用排除高温热水再混水的方式水量浪费太大,对人防固定电站,可采用风冷或水冷,规范上并没有明确规定什么情况下采用何种冷却形式。当采用风冷时,由于有防护要求,通常采用机体自带散热器的闭式水冷(风冷);当机组功率较大或排烟井设置有困难时通常采用设置贮水池储存冷却水的办法进行水冷。

《人民防空地下室设计规范(GB 50038—2005)》第6.5.2条规定[2]：冷却水贮水池的容积应根据柴油发电机运行机组在额定功率下冷却水的消耗量和要求的贮水时间确定。贮水时间可按照表1采用。

表1 柴油发电机房贮水池贮水时间

6.2 柴油发电机房风冷、机组水冷

当采用该方式冷却时,流程图见图2。

图2 柴油机房风冷、机组水冷系统原理图

在计算时,我们通常不知道柴油机的额定功率, 但知道发电机组的额定发电量,可由式Ne=Nc/η2求得柴油机的额定功率,再根据柴油机的耗油率算出总发热量,由前述冷却水损失占总发热量比率,可算出循环冷却水量及混合水池补水量(即高温水排水量)。

根据机头散热量与循环冷却水量建立如下平衡关系式：

εa·Ne·m·B·q=1 000·QX·ρ·CS·(t2-t1)

(3)

将式(1)代入式(3)得,

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

(4)

式(4)中：εa为冷却水损失占总发热量比率,取值εa=24%～30%；

B为柴油机的耗油率,kg/kW·h；

q为柴油机燃料热值,可取41 870 kJ/kg；

m为柴油机同时运行的台数；

QX为柴油机的循环冷却水量,m3/h；

CS为水的比热,一般CS=4.187 kJ/(kg·℃)；

ρ为水的相对密度；

t0为贮水池水温,℃;

t1为柴油机冷却水进水温度(或混合水池温度),℃;

t2为柴油机冷却水出水温度,℃。

冷却水贮水池容积应根据柴油发电机组在额定功率下冷却水的总耗水量和要求的贮水时间,由下式确定：

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为贮水池容积,m3；

T为贮水时间,选2～3 d。

柴油发电机组外循环采用混合水池调节时,一部分回流至混合池,一部分排除,消耗水量再由贮水池补水,低温补水量按下式计算：

Qb=QX·(t2-t1)/(t2-t0)

(7)

从式(7)中可以看出,表面上看起来补水量Qb与t0、t1、t2都有关,但将式(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为补充新水水量,m3/h；

t为补充新水水温,按照夏季最高温度地下室贮水池水温选取,t=20℃。

式(8)实际上就是根据宏观热量平衡计算低温补水量的计算式。

这种冷却方式中整台柴油机运行过程中补水量(即排水量)不变,贮水池容积也可按V=Qb·T·24计算。

由式(4)、(6)、(8)可知,循环水量QX只与t1及t2有关,而补水量Qb、贮水池容积V只与t0及t2有关,与混合水池水温t1无关,提高排水温度t2及降低储水池温度t0均有助于减小贮水池容积。

这种方式贮水池仅承担贮水功能,没有必要对冷却水贮水池进行分格。

6.3 柴油发电机房水冷、机组水冷

机房采用水冷的柴油电站,应结合柴油机机头水冷却及机房水冷却综合设计冷却系统。目前机房水冷常见的多采用冷风机形式,冷风机冷却机房空气后虽然出水温度升高但水温仍比较低,而柴油机冷却要求的进水温度比较高,通常将冷风机出水再作为柴油机的冷却水使用,以便节约水资源。机房空调水冷有两种形式：一种是直流式系统；另一种为重复循环利用系统。

6.3.1 机房直流水冷

图集《防空地下室固定柴油电站(08FJ04)》水冷系统图是按照有可靠防护的内水源设计[3],见图3,机房水冷系统采用直流冷却系统,冷风机冷媒水冷却机房后除补充混合水池外,多余的水量直接排除了,贮水池仅作为自备水源深井泵提取水的调节储存功能,故贮水池没有进行分格,且容量按照贮水时间6 h计算[2]。该方式对于有可靠防护且取水量不受限的内水源来说既可以减小冷却贮水池容积,节省占地面积,又可以保障机房的冷却效果。

6.3.2 机房重复循环利用水冷

对无可靠内、外水源的电站来说,机房直流水冷方式贮水池容积很大,占用面积大,水量浪费严重,机房空调冷却水应考虑采用重复循环利用冷却系统,见图4,但冷却效果不如直流式系统。

采用重复循环利用的冷却系统,因为冷风机的循环水量Qa与混合水池补水量Qb不匹配, 多余的

图3 柴油机房直流水冷、机组水冷系统原理图

图4 柴油机房重复循环水冷、机组水冷系统原理图

水量有一部分会回流至冷却贮水池。此时,如贮水池不分格,会导致空调冷却后升温的回水与贮水池的水混合,影响机房冷却效果。所以机房机组均采用重复循环利用的水冷系统,贮水池采用多格水池,其中一格为空格。空调冷却水首先回到空格,一方面避免和大水池的混合后提高水温影响空调冷却效果,同时可以利用水池的自然降温便于循环使用[4]。分格数宜为3～5格,见图5。

图5 机房机组双循环重复水冷系统图(贮水池分格)

战时转换时间内将1#池空格,2#～4#池贮水至设计容量,运行时依次抽空2#～4#水池,将空调循环回水依次放满1#～3#池,待下一循环周期时,依次抽吸1#～3#池,循环反复,直至抽完。

文献[4]内提到自备水源的取水构筑物应设在固定电站的清洁区,但清洁区除了电站控制室就是值班室,且电站的供水仅供给冷却用水,不涉及饮水及生活用水,柴油发电机组设在染毒区,自备供水水源也完全可以放在染毒区,这样布置对整个机房的供水也方便。

例题：某防空地下室固定电站,采用2台200 kW柴油发电机组,设备考虑同时运行,单台机组的燃油消耗量为0.23 kg/(kW·h),电站机房及柴油机均采用水冷方式,计算电站冷却水贮水量、循环冷却水量、空调循环水量、冷风机台数及选型。

相关资料：采用市政水源补水,按照无可靠防护的内外水源计算,贮水时间按照T=2 d取。地下室水温为20 ℃,室外空气气温为30 ℃,柴油机机头冷却进水水温采用60 ℃,冷却水出水温度为75 ℃。

采用隔离体分析法计算机房冷却空调循环冷却水量、计算冷风机台数n、柴油机冷却总循环流量QX、补水量Qb。

1)计算冷风机台数n

机房散发余热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为机房内余热量占总发热量的比率,按9%计算；

根据电站机房内余热量需要用水冷却,计算冷风机台数、总冷却水水量、循环水泵等；

选用S534型冷风机,单台制冷量9.25 kW,需台数n=107/9.25=11.56台,选12台。

2)机房空调循环冷却水量Qa

柴油发电机房内空气温度要求：人员直接操作时温度不应超过35 ℃,人员隔室操作时温度不超过40 ℃。电站控制室内的空气温度不大于30 ℃。由冷风机冷媒水带走的热量与机房散发的余热建立平衡方程式,可求得空调冷却循环总流量。

Qa·1 000·ρ·CS·(t-t0)=εb·m·Ne·B·q

(9)

将式(1)代入式 (9)得,

Qa=εb·m·Nc·B·q/[η2·1 000·ρ·CS·(t-t0)]

(10)

式中：t0为贮水池储水温度,通常取t0=20 ℃；

t为冷风机出水温度,按t=25 ℃考虑(冷风机出风温度按34 ℃)；

Qa为空调冷却循环总流量,m3/h。

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

3)柴油机冷却总循环流量QX

根据式(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)计算补水量Qb

根据式(7)Qb=QX·(t2-t1)/(t2-t0),此时t0应取图4中的t值。算得Qb=2×10.2×(75-60)/(75-25)=6.12 m3/h。

5)冷却水库的贮水容积计算

如采用隔离体分析法公式：

V=Qb·T·24

(11)

算得,V=6.12×24×2= 293.8 m3。

如采用宏观整体热量分析法,根据输入热量与排水散热量相平衡的原理,来计算冷却水库的贮水容积(排水总量)。总输入热量包括冷却水热损失与机组外壳散热之和。

V·1 000·ρ·CS·(t2-t0)=εz·m·Ne·B·q·24·d

(12)

将式(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为总输入热量占柴油机总发热量的比率(εz=εa+εb=39%考虑)。

可见采用式(11)与式(12)计算贮水容积时结果并不一致,得到两种结果。采用隔离体分析法算出的贮水池容积偏小,原因分析如下：

采用隔离体算法是在确保混合池补水水温始终是t的情况下才可行,但是由于空调冷却泵自贮水池吸水量Qa大于Qb,故当贮水池的冷水第一次抽空时柴油机仍在工作,而这时贮水池内的水温由t0变成经过冷风机吸热后的温度t(t>t0),当进入下一个池水抽空周期时,冷风机进水温度t升高了。由于需要继续从机房空气吸热降温,冷风机出水(混合池补水)温度也会升高,而冷却柴油机的冷却水泵流量一定。因此,相应会造成混合水池工况变动,由于外循环系统通过温控三通阀排水自动调温,会导致排水量或补水量Qb相应增加。

由此可知,贮水池的水每被完全抽空一次,回至贮水池温度升高一次,混合池排水量也增加一次。如此反复循环,当空调冷却循环水量与混合池补水量(或柴油机冷却外循环排水量)相等时,整个贮水池内的水会逐渐被抽空。因此,混合池排水量(即补水量)是一个变值。可以看出：当机房机组双水冷时采用隔离体算法有缺陷,不能将贮水池第一个抽空周期内混合池的补水量作为整个运行过程中的恒量来计算冷却水池贮水量,按照上述算法计算出的储水容积偏小,因此应按照宏观整体热量平衡算法来计算冷却水池贮水量。

7 结 语

1)采用开式系统时,为保护机组及调温的操控性,应采用双循环系统,这时机组的温度控制实际上是双调温系统。

2)利用发电机额定功率计算时,必须要考虑发电机的功率转换系数η2。

3)当机房采用重复循环利用水冷,机组也采用水冷时,混合池的排水量不是恒定值,不可以用贮水池的初次抽空周期时混合水池的补水量来计算冷却贮水池的容积,而应该按照宏观整体热量平衡算法即规定贮水时间内整个运行周期机头气缸发热量与机体散热量之和与排水带走的热量平衡来计算冷却贮水池容积。

4)当机房风冷、机组水冷或机房直流水冷、机组水冷时,冷却贮水池没必要进行分格；而当机房采用重复循环利用水冷,机组也采用水冷时,为加强机房水冷效果,冷却贮水池需要分格。

5)当机房机组冷却方式及柴油发电机组确定后,应尽量选用大换热面积外置热交换器,提高出水温度t2,减小贮水池容积。混合水池的温度t1只对循环水量QX有影响,不影响补水量Qb及贮水容积V。