地下工程柴油機(jī)電站消煙降溫系統(tǒng)性能試驗研究

汪 波 李艾華 李慶輝

地下工程柴油機(jī)電站消煙降溫系統(tǒng)性能試驗研究

汪 波 李艾華 李慶輝

（火箭軍工程大學(xué) 西安 710025）

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

地下工程；柴油機(jī)電站；消煙降溫；紅外抑制

0 引言

地下工程內(nèi)常備柴油機(jī)電站，電站運(yùn)行排煙溫度一般可達(dá)400～600℃，同時，柴油燃燒產(chǎn)生煙氣中含大量平均直徑在6～20nm碳黑顆粒[1]，高溫?zé)煔?、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(jìn)行抑制的技術(shù)包括：（1）熱紅外暴露表面涂敷低發(fā)射率涂層[2,3]；（2）采用釋放氣溶膠、煙幕、冷卻劑、水霧等技術(shù)進(jìn)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(xù)進(jìn)行熱紅外抑制，大部分工程設(shè)有取水構(gòu)筑物和內(nèi)部水庫，基于以上特點，濕式除塵降溫技術(shù)一直是地下工程柴油機(jī)電站消煙降溫技術(shù)的研究熱點。

1 電站消煙降溫系統(tǒng)設(shè)計

1.1 地下工程柴油機(jī)電站及通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成特點

地下工程柴油機(jī)電站常用用二備一模式，為控制電站運(yùn)行環(huán)境溫度，電站機(jī)房常采用直流式通風(fēng)模式，通風(fēng)系統(tǒng)從工程外引進(jìn)新風(fēng)對房間冷卻，機(jī)房排風(fēng)與電站排煙匯流排出，機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 地下工程柴油機(jī)電站通風(fēng)原理圖

1.2 消煙降溫系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)設(shè)計工程背景

消煙降溫系統(tǒng)擬應(yīng)用工程為深埋地下工程，工程夏季通風(fēng)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(xiàn)有NTA855-G2型柴油機(jī)電站3臺，電站排風(fēng)量經(jīng)換算為1400Nm3/h，排風(fēng)設(shè)計溫度小于40℃。NTA855-G2型柴油機(jī)電站在大氣壓力100kPa、海拔110m、進(jìn)氣溫度25℃、相對濕度30%時，滿載運(yùn)行指標(biāo)如表1。

表1 試驗柴油機(jī)電站運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)

1.2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案及原理

基于地下工程電站通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成，采用濕法除塵、間壁換熱的方案對排煙進(jìn)行分級降溫，并設(shè)計消煙降溫系統(tǒng)。電站排煙經(jīng)由噴淋塔進(jìn)行初步降溫除塵，與引進(jìn)新風(fēng)在換熱器內(nèi)換熱再次降溫，考慮系統(tǒng)冬季應(yīng)用環(huán)境冷風(fēng)可能對換熱器造成結(jié)冰堵塞，系統(tǒng)設(shè)計過程中采用兩臺輔助換熱器實現(xiàn)融冰切換工作，系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 消煙降溫系統(tǒng)通風(fēng)原理圖

系統(tǒng)設(shè)計用電站冷卻水庫進(jìn)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(fēng)機(jī)引入環(huán)境新風(fēng)對混合煙氣進(jìn)行兩級降溫，降溫后混合煙氣直接排至工程外。

1.2.3 系統(tǒng)流程仿真

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

圖3 消煙降溫系統(tǒng)模擬流程圖

1.2.4 煙降溫系統(tǒng)用噴淋塔設(shè)計

設(shè)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(shè)計，填料床高1.115m，直徑1m，塔內(nèi)填料為MELLAPAK-250X規(guī)整填料，噴淋塔結(jié)構(gòu)如圖4所示，塔內(nèi)填料參數(shù)和塔處理負(fù)荷參數(shù)如表2和表3所示。

圖4 噴淋塔結(jié)構(gòu)圖

表2 噴淋塔填料段設(shè)計參數(shù)

表3 噴淋塔設(shè)計參數(shù)

1.2.5 消煙降溫系統(tǒng)用換熱器設(shè)計

采用“Aspen HTFS+plate”模塊對系統(tǒng)用板式換熱器進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計換熱器冷、熱側(cè)入口空氣流量為5000Nm3/h，允許壓損均不超過2kPa，設(shè)計主要參數(shù)如表4所示。

表4 板式換熱器設(shè)計參數(shù)

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(huán)境溫、濕度基本不變工況下，調(diào)節(jié)柴油機(jī)電站運(yùn)行負(fù)載功率、噴淋塔進(jìn)水流量，系統(tǒng)自動運(yùn)行按需求調(diào)節(jié)換熱器冷卻風(fēng)量，試驗測試目的如下。

（1）分析噴淋塔冷卻水進(jìn)水量與柴油機(jī)噴淋后降溫?zé)煔鉁囟汝P(guān)系；

（2）分析換熱器出口排風(fēng)（煙）與環(huán)境溫差隨冷卻風(fēng)量變化規(guī)律；

（3）分析消煙降溫系統(tǒng)運(yùn)行前后電站排煙煙度變化。

搭建消煙降溫系統(tǒng)試驗臺如圖5所示。

2.2 試驗測量用儀器參數(shù)

（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(shù)據(jù)采集：XSDAL系列多通道數(shù)字式儀表；

（4）風(fēng)速測量：AVT-2010風(fēng)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Y(jié)J-II型煙度計。

2.3 試驗環(huán)境及步驟

系統(tǒng)試驗性能測試環(huán)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(fā)電機(jī)組，調(diào)節(jié)負(fù)載，使運(yùn)行負(fù)荷單臺達(dá)到30kW（總運(yùn)行負(fù)荷60kW）。

（2）調(diào)節(jié)噴淋塔冷卻水量為2t/h。

（3）引入環(huán)境新風(fēng)1400Nm3/h以模擬電站機(jī)房排風(fēng)，使排煙、排風(fēng)混合流量達(dá)到4200Nm3/h。

（4）調(diào)節(jié)噴淋水量，使噴淋塔出口煙氣與進(jìn)口冷卻水溫差為1℃

（5）調(diào)節(jié)柴油機(jī)電站運(yùn)行負(fù)荷，相應(yīng)增加噴淋水量，換熱器進(jìn)風(fēng)機(jī)自動調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集各測點參數(shù)變化。

（6）400kW運(yùn)行負(fù)荷下，測量消煙降溫系統(tǒng)運(yùn)行前后排煙煙度值。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)分析

圖6 噴淋塔進(jìn)出口煙氣與冷卻水溫度變化關(guān)系

圖7 噴淋塔進(jìn)出口煙氣-冷卻水溫差變化關(guān)系

試驗過程中，不同柴油機(jī)運(yùn)行負(fù)荷下噴淋塔進(jìn)、出口煙氣和冷卻水溫度變化關(guān)系如圖6所示。試驗結(jié)果表明：電站運(yùn)行負(fù)荷60kW時，噴淋塔進(jìn)口煙氣溫度逐漸升高，調(diào)節(jié)噴淋塔冷卻水量為2.8t/h，噴淋塔出口煙氣溫度穩(wěn)定時，基本與進(jìn)口冷卻水溫保持一致；調(diào)節(jié)電站運(yùn)行負(fù)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(jìn)口冷卻水溫差穩(wěn)定在1℃范圍內(nèi)；電站運(yùn)行負(fù)荷達(dá)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(jìn)口冷卻水溫差可穩(wěn)定保持在1℃范圍內(nèi)；電站運(yùn)行負(fù)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(diào)節(jié)冷卻水量至4.5t/h，噴淋塔出口煙氣溫度開始降低至與進(jìn)口水溫溫差小于1℃；電站運(yùn)行負(fù)荷340kW時，保持噴淋煙氣與進(jìn)口冷卻水溫差穩(wěn)定小于1℃范圍以內(nèi)需冷卻水量為5.2t/h；電站運(yùn)行負(fù)荷升高至400kW時，保持噴淋煙氣與進(jìn)口冷卻水溫差穩(wěn)定小于1℃范圍以內(nèi)需冷卻水量為6.2t/h。控制噴淋塔出口煙氣溫度與進(jìn)口冷卻水水溫保持在1℃內(nèi)，柴油機(jī)運(yùn)行負(fù)荷60kW、120kW、200kW、280kW、340kW和400kW對應(yīng)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(jìn)、出口煙氣溫差和冷卻水溫差結(jié)果分析如圖7所示。由圖可知：在不同電站運(yùn)行負(fù)荷工況下，維持噴淋煙氣與進(jìn)塔冷卻水溫在1℃范圍時，噴淋塔進(jìn)出口排煙溫差呈指數(shù)增漲趨勢。

圖8 換熱器需求冷風(fēng)量與冷卻水量隨運(yùn)行負(fù)荷變化關(guān)系

不同電站運(yùn)行負(fù)荷下，滿足換熱器出口排煙（風(fēng)）與環(huán)境溫差不超過4℃時，換熱器冷側(cè)進(jìn)口需求風(fēng)量如圖8所示。試驗結(jié)果表明：60kW運(yùn)行負(fù)荷下，噴淋水量2.8t/h時，換熱器需求冷風(fēng)量不超過5500Nm3/h；120kW運(yùn)行負(fù)荷下，噴淋水量3.2t/h時，換熱器需求冷風(fēng)量不超過5200Nm3/h；200kW運(yùn)行負(fù)荷下，噴淋水量4t/h時，換熱器需求冷風(fēng)量不超過4000Nm3/h；280kW運(yùn)行負(fù)荷下，噴淋水量4.5t/h時，換熱器需求冷風(fēng)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(fēng)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(fēng)量不超過2700Nm3/h。噴淋塔冷卻水量對換熱器需求冷風(fēng)量影響顯著，試驗工況下對低溫?zé)煔鈬娏軙r，可直接將煙氣噴淋至滿足排煙（風(fēng)）與環(huán)境溫差4℃內(nèi)。

電站不同運(yùn)行負(fù)荷下應(yīng)用消煙降溫系統(tǒng)后排煙（風(fēng)）溫度隨時間變化關(guān)系如圖9所示。試驗結(jié)果表明：電站400kW以下負(fù)荷運(yùn)行時，系統(tǒng)噴淋水量最高不超過6.2t/h，換熱器需求冷風(fēng)量最大不超過5500Nm3/h，可穩(wěn)定控制排煙（風(fēng)）與環(huán)境溫差在2℃范圍以內(nèi)。

圖9 系統(tǒng)排煙（風(fēng)）溫度-運(yùn)行負(fù)荷變化關(guān)系

采用濾紙比對方法對電站排煙煙度進(jìn)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(fēng)面5s后，濾紙染黑，應(yīng)用光電探頭測定染黑濾紙煙度。設(shè)置電站運(yùn)行負(fù)荷400kW（單臺200kW），在電站啟動前、加載運(yùn)行時和運(yùn)行穩(wěn)定后，分別對排煙煙度進(jìn)行測量。機(jī)組啟動時，由于柴油不完全燃燒，排煙煙度最高達(dá)9.8Rb，運(yùn)行穩(wěn)定后，排煙煙度為0.7Rb；應(yīng)用消煙降溫系統(tǒng)再次對噴淋塔出口煙氣煙度進(jìn)行測量，經(jīng)噴淋后煙氣煙度最高0.6Rb，電站運(yùn)行穩(wěn)定時噴淋后煙氣煙度為0.2Rb。電站400kW負(fù)荷運(yùn)行時，消煙降溫系統(tǒng)噴淋前后排煙煙度測量結(jié)果如表5。

表5 柴油機(jī)400kW負(fù)荷運(yùn)行排煙黑度

3.2 試驗結(jié)論

綜合“消煙降溫系統(tǒng)”性能測試試驗，可得出如下結(jié)論：

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

（2）柴油機(jī)電站400kW運(yùn)行負(fù)荷下，控制系統(tǒng)出口排煙（風(fēng)）混合溫度與環(huán)境溫差在2℃范圍以內(nèi)，換熱器所需冷卻用環(huán)境空氣不超過5500Nm3/h；

（3）應(yīng)用消煙降溫系統(tǒng)后，柴油機(jī)電站排煙煙度不超過0.6Rb；

（4）消煙降溫系統(tǒng)滿足試驗工況下電站混合排煙（風(fēng)）與環(huán)境溫差4℃要求。

4 結(jié)語

柴油機(jī)電站排煙引起的排煙（風(fēng)）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(tǒng)運(yùn)行性能在夏季環(huán)境工況下具有較好適用性，但仍需在冬季工況下對其運(yùn)行性能進(jìn)行試驗驗證，系統(tǒng)在夏季室外環(huán)境下自動運(yùn)行的控制策略需完善，同時，系統(tǒng)體積大、用水需求量大均影響其在地下工程中的實際應(yīng)用，研究小型化、低能耗、智能化的消煙降溫技術(shù)及系統(tǒng)將是地下工程排煙（風(fēng)）口部熱紅外抑制的重點方向。

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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