缺水工程水冷柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)長計(jì)算

馬向偉，劉文波，都的箭，肖麗君，吳 晴

(中國人民解放軍95899部隊(duì),北京 100068)

柴油發(fā)電機(jī)在建設(shè)工程上應(yīng)用較廣泛,除了可作為備用供電設(shè)施,市電缺失狀況下需要作為主要的供電設(shè)施使用。在一些缺水建筑,如因?yàn)榘惭b空間、環(huán)境和冷卻水源的量受到限制,導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)的使用時(shí)長也會受到一定限制。

那么在其他條件相同的情況下,不同的水冷冷卻方式,對柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)長是否有影響,以下分幾種情況進(jìn)行分析,并針對不同的運(yùn)行方式分別進(jìn)行計(jì)算。

1 工程用柴油發(fā)電機(jī)冷卻基本情況

柴油機(jī)動力設(shè)備是由柴油與壓縮空氣在柴油機(jī)燃燒室燃燒產(chǎn)生動力,將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,熱能中的部分有效功率轉(zhuǎn)化為電力輸出,其他無效功率需以廢熱方式排放至周圍環(huán)境或低溫冷媒介(冷卻)。冷卻的基本原理為冷卻液在機(jī)體內(nèi)循環(huán)流動,把機(jī)體產(chǎn)生的高溫交換出來,排放至周圍環(huán)境或低溫冷媒介中。

柴油機(jī)冷卻分為風(fēng)冷和水冷兩種基本模式。當(dāng)發(fā)電機(jī)在工程中安裝位置或通風(fēng)條件不滿足風(fēng)冷需求時(shí),需要采用水冷模式,即在發(fā)電機(jī)外接水系統(tǒng),水泵驅(qū)動較低溫度的水進(jìn)入發(fā)電機(jī)冷卻管,較低溫度的水與機(jī)體熱交換后排出,帶走機(jī)體產(chǎn)生的廢熱,產(chǎn)生高溫的熱水。

缺水工程在限量水源條件下,水冷冷卻方式產(chǎn)生的高溫?zé)崴袃煞N處理方式:高溫出水回流水池和高溫出水直接排放,下面就這兩種方式的最大運(yùn)行時(shí)長分別進(jìn)行計(jì)算。

2 計(jì)算條件假設(shè)和計(jì)算參數(shù)設(shè)定

1)為簡化計(jì)算模型,方便理解,需要作出幾個(gè)假設(shè):

a.忽略不計(jì)柴油發(fā)電機(jī)安裝環(huán)境氣溫變化的影響;b.忽略不計(jì)水池水溫混合的時(shí)間;c.柴油發(fā)電機(jī)開機(jī)即進(jìn)入正常運(yùn)行工況;d.柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間,用電負(fù)荷穩(wěn)定,機(jī)組輸出功率恒定;e.忽略不計(jì)水池水位變化對循環(huán)泵流量的影響;f.柴油發(fā)電機(jī)高溫出水與低溫補(bǔ)水的混水,由自動溫控調(diào)節(jié)閥以極高效率和精度完成;g.不考慮柴油發(fā)電機(jī)房環(huán)境冷卻的水量。

2)按照柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)水溫度55 ℃,高溫出水溫度為70 ℃[1]。依據(jù)發(fā)電機(jī)功率得出的廢熱量和冷卻水的進(jìn)出水溫差,依據(jù)式(1)可計(jì)算循環(huán)泵的循環(huán)流量:

(1)

其中,W為冷卻循環(huán)泵流量,m3/h;0.35為冷卻水承擔(dān)燃油燃燒產(chǎn)生熱量的比例;Ne為柴油機(jī)的功率,kW;b為柴油消耗燃油比率,kg/(kW·h);Qh為柴油燃燒熱量值,kJ/kg;C為水的比熱,取4.19 kJ/(kg·℃);t2為柴油機(jī)高溫出水溫度,取70 ℃;t1為柴油機(jī)低溫進(jìn)水溫度,取55 ℃。

假定計(jì)算結(jié)果為50 m3/h。

假定現(xiàn)有有限量水源的體積為100 m3,其初始水溫為25 ℃。

如把0.2 h劃分為使用時(shí)長基本時(shí)間段,冷卻水泵為工頻運(yùn)行,則水泵的進(jìn)水量按照10 m3為一檔作為計(jì)算基準(zhǔn)。

3 計(jì)算方法和過程

3.1 回流水池方式

水池初始溫度為25 ℃,水泵進(jìn)水量為10 m3,其中一部分為水池內(nèi)的低溫水,另一部分為油機(jī)加熱的高溫水,兩者混合總量為10 m3。根據(jù)熱量交換原理,按照式(2)可計(jì)算高溫水的混合量:

(2)

其中,W2為高溫水混合量,m3/h;t為低溫水的溫度,℃,取水池內(nèi)實(shí)時(shí)水溫。

計(jì)算可知,其中高溫水量為6.67 m3,則從水池抽取的低溫水為3.33 m3,依據(jù)流量恒定原理,有3.33 m3的高溫水進(jìn)入了水池。

在10 m3的流量發(fā)生完成后,水池內(nèi)的水容積仍為100 m3,其中96.67 m3的25 ℃,3.33 m3的70 ℃,按照假設(shè),立即混合為26.5 ℃的低溫水,作為下一個(gè)階段的起始水溫,入池一個(gè)階段重復(fù)運(yùn)行,直至水池內(nèi)的水溫達(dá)到了55 ℃,此時(shí)油機(jī)高溫出水不再回到水池,改為直接排放,在把水池內(nèi)的全部容積排空后,不能再對發(fā)電機(jī)起到冷卻作用,發(fā)電機(jī)將無法繼續(xù)工作。

運(yùn)行時(shí)長可分為兩個(gè)階段:第一階段為水池溫度上升階段;第二階段為水池排空階段。

利用計(jì)算機(jī)輔助表格,其計(jì)算過程見表1。

表1 回流水池方式各時(shí)段計(jì)算表

由表1可知,隨著柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行,冷卻水被加熱,部分回流水池,與上一時(shí)段的水池水混合后,進(jìn)一步提升水池水溫,導(dǎo)致從油機(jī)高溫出口返回至油機(jī)入口的水量逐步減少,回流到水池的高溫水量(數(shù)量上與從水池吸取的相對低溫的水量相等)在逐步增加。

在水池內(nèi)的水位達(dá)到柴油發(fā)電機(jī)的最高進(jìn)水溫度55 ℃后,如需要繼續(xù)運(yùn)行,柴油機(jī)冷卻水循環(huán)泵的出水不再回到進(jìn)水口,水泵完全從水池吸水,溫度升高后必須完全排放。排放過程能支持柴油發(fā)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行2 h(100 m3容積由50 m3/h的流量排空),其運(yùn)行最大時(shí)長為6 h。

3.2 直接排放方式

水池初始溫度為25 ℃,水泵進(jìn)水量為10 m3,其中一部分為水池內(nèi)的低溫水,另一部分為油機(jī)加熱的高溫水,兩者混合總量為10 m3。

按照式(2)計(jì)算可知,其中高溫混水量為6.67 m3,則從水池抽取的低溫水為3.33 m3,依據(jù)流量恒定原理,有3.33 m3的高溫水排放,在10 m3的流量發(fā)生完成(水泵運(yùn)行0.2 h)后,水池內(nèi)的水容積減少為96.67 m3,與回流水池方式不同的是,水池內(nèi)的水全部為25 ℃,如此繼續(xù)進(jìn)行,每0.2 h排空3.33 m3,當(dāng)水池內(nèi)的全部容積排空后,不能再對發(fā)電機(jī)起到冷卻作用,發(fā)電機(jī)將無法繼續(xù)工作。其計(jì)算過程見表2。

表2 直接排放方式各時(shí)段計(jì)算表

通過計(jì)算,以上兩種方式在發(fā)電機(jī)最大運(yùn)行時(shí)長上是一致的。

檢驗(yàn)該結(jié)果是否具有規(guī)律性,改變初始溫度為15 ℃,20 ℃,30 ℃,35 ℃,采用同樣的計(jì)算程序和方法,其結(jié)果見表3。

可見無論采用兩種方式的哪一種,柴油發(fā)電機(jī)的最大運(yùn)行時(shí)長都是一致的。

表3 多個(gè)初始水溫時(shí)兩種方式運(yùn)行時(shí)長對比表

4 兩種方式優(yōu)點(diǎn)的比較

回流水池的優(yōu)點(diǎn):節(jié)約水源,高溫水回流水池后經(jīng)過與周邊環(huán)境的熱交換,溫度逐漸會下降至環(huán)境溫度,可作為發(fā)電機(jī)的冷卻水再次使用,甚至作為其他水源繼續(xù)使用,在缺水地區(qū)或缺水場所尤為重要?？蓽p少對周圍環(huán)境的影響,高溫水排放后,會增加與周邊環(huán)境物質(zhì)的溫度差,造成周邊水土性狀改變,回流水池有利于水土保持。

直接排放:對水池的建造要求不高,水池不需要承受溫度大幅變化帶來的溫度應(yīng)力;不會因?yàn)楦邷厮幕亓鞫a(chǎn)生過多的水分逃逸,進(jìn)而產(chǎn)生大量的冷凝,對柴油發(fā)電機(jī)的使用環(huán)境造成不利的印象。

5 結(jié)語

通過建立計(jì)算方法、計(jì)算演練和對比分析,利用表格計(jì)算可直觀顯示運(yùn)行時(shí)長過程中的水溫、水量的變化。柴油發(fā)電機(jī)最大運(yùn)行時(shí)長的計(jì)算結(jié)果顯示,回流水池和直接排放方式對水資源的直接儲備要求是一樣的。該計(jì)算結(jié)果可以作為機(jī)組運(yùn)行過程的對比參照。工程中可根據(jù)實(shí)際條件選擇合適的運(yùn)行方式。