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柴發機房的選址和地基、冷卻系統、進排風系統、排煙系統、燃油系統設計

0 引言
市電斷電期間給用戶應急供電的柴油發電機組(以下簡稱柴發)通過發動機內部燃燒柴油將化學能轉換成機械能,然后進一步通過發動機驅動發電機將機械能轉換成電能。如圖1所示,機組發電是化學能向機械能和熱能轉換的動態平衡過程,即柴發持續將35%的燃燒熱能轉換成機械能發電的前提是通過機房設計,從排煙管路持續排出傳遞給尾氣的30%燃燒熱,從冷卻回路持續排出傳遞給缸套的25%熱能,從風道持續排出機組輻射給機房的10%燃燒熱。
因此,與市電系統發電機組不同,柴發機房設計的有效性直接決定了柴發能否發出其銘牌上標出的額定功率。
  柴發機房的有效設計應從機房選址與地基設計開始,首先平衡考慮冷卻系統設計與進排風系統設計,然后完成排煙系統設計,最后布局燃油系統設計。

1 柴發機房的選址與地基設計
1.1機房選址

柴發是市電的應急備用電源,所以柴發的機房應盡量遠離市電系統配電設備,以免主、備用供電設備同時受損,失去配置柴發的意義。
1.2地基設計
柴發的地基設計主要考慮安裝位置及用戶的減振要求。機組底座的一級減振效率為60%~80%,一二級組合減振效率大于95%,滿足一般用戶的減振要求。因此,就一般用戶而言,機房地基可采用圖2所示加強混凝土設計,但應能承載至少兩倍機組的重量。柴發地基應至少高出地面150mm,四周應比機組外圍至少超出150mm。如果用戶是醫院且柴發與手術室同在一棟建筑內,則可參考圖3采用173kPa加強混凝土地基,確保地基承載5~10倍(至少2倍)機組重量的同時,按圖中要求做進一步減振及隔振設計。

 
2 柴發機房的冷卻
系統設計柴發的冷卻系統與其進排風系統密切關聯,并共同影響排煙系統設計,因此柴發機房位置確定后,應首先平衡考慮冷卻系統設計與進排風系統方案。
2.1柴發直驅風扇冷卻
柴發的啟動和運行需要給充電、加熱甚至風扇等設備提供低壓輔助電源,因此如項目選用高壓機組,則應盡量采用直驅柴發(冷卻風扇由發動機曲軸驅動),從而避免低壓輔助電源變配電設計。柴發采用直驅水箱時,機房冷卻系統設計的工作量幾乎為零,但進排風系統設計必須滿足直驅機組滿載運行的大風量要求。
2.2遠置水箱/散熱器冷卻
如果項目須用低壓機組但無法滿足直驅機組滿載運行的大風量要求,則可采用電驅機組將水箱/散熱器(以下簡稱水箱)移至室外,以降低機房進風量要求。水箱遠置時,冷卻系統的驅動力源自發動機水泵,阻力來自管路的摩擦阻力及水箱與柴發的相對高差,故遠置水箱的冷卻系統設計應與室外水箱的安裝位置匹配。
2.2.1水箱直接遠置
如室外水箱的安裝位置距室內機組不遠,且根據其相對位置設計的冷卻回路總摩擦阻力和靜壓均小于發動機數據單上相應限值,則可參考圖4用水管直接連接柴發和水箱即可,但渦輪增壓單泵雙循環空水中冷機組不宜采用該冷卻系統設計。冷卻系統的靜壓取發動機曲軸中線與水箱頂部的高度差,管路的摩擦阻力需暖通專業設計師根據管徑及流量計算,管徑由設計師決定,流量可從發動機數據單直接查到。
2.2.2冷卻水泵遠置
水箱如室外水箱的安裝位置離室內機組不太遠,雖然靜壓小于發動機數據單限值,但總摩擦阻力超過相應上限,則可在參考圖4設計的基礎上,根據摩擦阻力偏差選配水泵,安裝在圖4紅色箭頭所示位置。同樣,渦輪增壓單泵雙循環空水中冷機組不宜采用該冷卻系統。
2.2.3熱交換器遠置水箱
如水箱的安裝位置距離機組較遠,其相應靜壓和管路總摩擦阻力均超過發動機相應限值,則可參考圖5,采用熱交換器遠置水箱。
  熱交換器的安裝位置應考慮發動機水泵的驅動能力,也可將熱交換器安裝在機組附近。熱交換器機組側一次冷卻系統與水箱側二次系統互相獨立,一次系統由發動機驅動,其流量為發動機冷卻流量;二次系統需另選水泵驅動,流量可按Q/(ΔT·C)(L/min)估算,其中Q為發動機傳給冷卻系統的熱量(kJ/min),C為水的比熱(kJ/℃/L),ΔT為熱交換器二次側容許溫升(℃)。如冷卻效果因環境溫度等緣故不太理想,可以考慮用冷卻塔替代水箱,但冷卻塔不宜用于冬天易結冰、濕度低、灰塵大及風沙多發地區。
2.2.4熱井遠置水箱
如水箱位置距離機組相當遠,總摩擦阻力和靜壓超過發動機限值,且靜壓超出了熱交換器密封件的承受能力,則可參考圖6采用熱井遠置水箱。熱井的安裝位置應考慮發動機水泵的驅動能力,且必須確保熱井底部高于發動機冷卻液出口;熱井兩側回路屬同一密閉冷卻系統,流量基本一致;水箱側回路需配水泵,其選型應考慮水箱位置;熱井的最小容量應包括運行時充滿所有水管的冷卻液容量、停機時水箱側流回熱井的容量及確保運行時有效熱交換的最小容量。
  熱井運行時的有效熱交換最小容量一般取冷卻系統總容量的5%,加上熱井兩側回路總流量的1/4。用熱井遠置水箱,發動機傳遞給冷卻液的熱量最終還需水箱的風扇冷卻,當環境溫度較高及管路過長時,其冷卻效果很可能不理想,因此該方案適用于夏天環境溫度不高、管路不長的項目。
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