柴油机试验室排烟系统的节能设计.pdf

第 3 4卷， 总第 1 9 5 期 2 0 1 6年 1 月 ， 第 1期 节 能 技 术 ENERGY CONS ERVAT I ON TECHNOL OGY Vo 1 ． 3 4， S u m． No ．1 95 J a n ． 2 0 1 6， N o ． 1 柴油机试验室排烟 系统的节能设计 贾桢 ， 唐智 ， 郝冀雁 ， 胡睿杰 。 魏鹏程 中国北方发动机研究所 天津 ， 天津3 0 0 4 0 0 摘要 柴油机试验 室排烟 系统通常耗能较 高， 使用率较低。为改进这一问题 ， 将柴油机试验 室各 自单独的排烟 系统改为集 中式排烟 系统 ， 并 引入 变频技术和 P L C控制方式 ， 以排 烟总管 负压 为控制参量 ， 组成试验室恒压排烟 系统 ， 使之能够根据试验 室投入工作数量的改变导致排烟量发 生 的变化 ， 实时做 出相应的调整 ， 不仅提 高了设备使 用效率 ， 还取得 了良好的节能效果。 关键词 柴油机 ； 试验室； 排烟风机 ； 变频器 ； P L C； 恒压 中图分类号 T K 4 2 1 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 26 3 3 9 2 0 1 6 0 1 0 0 2 9 0 4 Ene r g y S a v i ng o f Ex h a us t S y s t e m i n Di e s e l En g i n e La b J I A Z h e n ， T A N G Z h i ， H A O J i y a n ， HU R u i j i e ， WE I P e n ge h e n g C h i n a N o r t h E n g i n e R e s e a r c h I n s t i t u t e T i a n j i n ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Ge ne r Ml y，t he e n e r g y c o n s u mp t i o n o f di e s e l e n g i ne e x ha u s t s y s t e m f o r t e s t l a b wa s h i g h． T h e i n d i v i d u a l e x h a u s t s y s t e ms for e a c h t e s t l a b we r e i n t e g r a t e d a s o n e e x h a u s t s y s t e m a n d t h e e q u e n e y c o n v e r s i o n a n d PLC c o n t r o l we r e i n t r o du c e d． Re g u l a t i n g t h e n e g a t i v e p r e s s ur e o f t o t a l e x h a u s t pi pe， t h e p r e s s u r e o f e x h a u s t s y s t e m wa s c o n t r o l l e d t o me e t wi t h t h e e x h a u s t r e q u i r e me n t o f d i f f e r e n t l a b s ．T h e e x - h a u s t b l o we r r a n a c c o r d i n g t o t he o pe r a t i n g t e s t l a b，t h e r e f o r e t h e u t i l i t y o f e q u i p me n t i mp r o v e d a n d t he mo r e e n e r g y s a v e d ． Ke y wo r d s d i e s e l e n g i n e ； t e s t l a b； e x h a u s t b l o w e r ； f r e q u e n c y c o n v e e r ； P L C； c o n s t a n t p r e s s u r e 0 引言 目前 ， 多数柴油机企业 的试验室 由于柴油机功 率相对较小 ， 排烟方式采用管道直排 ， 由高出试验室 的排烟管道利用虹吸效应将柴油机排烟抽出试验室 外 。我所柴油机功率较大 ， 排烟量较多 ， 试验室通常 配备专用的排烟系统 ， 用于将试 验过程 中产生 的排 烟废气抽出室外。排烟系统 中的排烟风机按照试验 室最大排烟量选取。在试验过程 中， 当柴油机处于 收稿 日期2 0 1 41 2 2 2 修订稿 日期2 0 1 50 31 2 作者简 介 贾 桢 1 9 7 6一， 男 ， 副研究 员 ， 研 究方 向为 柴油机试 验 室设 计研究 和试验技 术研究 。 小负荷运转时 ， 排烟风机 的抽风能力远远超过柴油 机排烟能力 ， 只有通过调整风 门挡板的位置 ， 改变风 机 的流量特性 ， 使排 风背压处 于合适 的范 围， 但 却造成 了能源的浪费。柴油机研究性企业在柴油机 研制过程中 ， 除试验外 ， 还有大量的设计 、 改进工作 ， 这时试验室没有试验任务 ， 排烟风机处于闲置状态 ， 这又增加了设备的闲置率 。为了改变这一状况 ， 我 所从节能和提高设备使用率的角度 出发 ， 引人风机 变频控制技术 _ 2 和集 中排烟方式 _ 3 J ， 取得 了显著的 节能效果 ， 并使设备得到了有效利用。 1 工程概况 我所柴油机整机试验楼内 目前共有 6个整机试 2 9 验室。试验楼为三层结构 ， 地上二层 ， 地下一层。一 层主要为柴油机试验室 ， 二层为大型试验设备间 ， 地 下室有排烟风机、 风道 、 管道及隔振基础等设施 。 试验室内柴油机在试验过程中产生的排烟通过 试验室排烟 口进入地下室排烟管道并经过环保设施 后 ， 由排烟风机抽出至室外。 2 实施方案 2 ． 1 原有试验室排烟系统 试验楼内每个试验室配备一套排烟系统 ， 包括 排气背压阀、 环保设施 、 排烟风机等， 排烟系统在地 下室的布置形式如图 1所示 。排烟风机的排风量与 试验室被试柴油机的最大排烟量相匹配。由于风机 不能调速 ， 只能依靠调整风门挡板 的开度以适应试 验室排烟量的变化。 1 号实验室 2 号实验室 排 烟 13 ， _ 、 I _ _--．- -．_上 环保设施 3 号实 验室 排烟 13， _ 、 环保设施 排气 背压 阀 排烟 风机 图 1 普通排 烟系统方 案布置图 2 ． 2 排烟系统改进方案 如图 2所示 ， 改进方案采用将多个柴油机试验 室的地下室排烟管道连接到一个排烟总管 ， 在排烟 总管上安装有压力传感器和环保设施， 排烟总管的 末端安装有排烟风机。排烟风机的转速可由变频器 控制 。变频器的输 出频率可 由 P L C控制柜调节 ， 压 力传感器所采集 的管道压力实时传输至 P L C控制 柜中。排烟风机 、 压力传感器、 P L C控制器以及变频 器等组成一个压 力的闭环系统 J 。远程控 制柜放 置在试验 室操作 间 中， 可对 P L C控 制柜发 布工作 指令。 柴油机在试验的过程中所产生的排烟要想通过 排烟管道排出， 排烟管道内就必须具备一定的负压。 根据这一特点， 利用变频器控制排烟风机的转速 ， 再 ． 3 0 ． 通过压力传感器测量 主烟道 内的排烟压力 ， 使排烟 总管内的负压稳定在一个设定值上。当试验室同时 运行的数量变化时 ， 排 出的废气总量会随之变化 ， 导 致排烟总管 内的负压发生变化 ， 此时 P L C控制柜会 根据压力传感器所采集压力 的变化向变频器发出指 令 ， 调整排烟风机的电机转速 ， 使排烟总管内的压力 又稳定 回原来的设定值 。另外 ， 在每个试验室的 排烟出 口上都安装有排气背压 阀， 即使排烟总管的 负压是恒定的， 同时每个试验室又对排烟背压有不 同的要求 ， 也可以通过调整各 自试验室内排气背压 阀的开度， 使排气背压达到试验要求的数值， 并且各 个试验室之间互不干扰。 图2 排烟系统改进方案布置图 3 实施效果 3 ． 1 试验室运行情况统计 我所试验楼中的 6个整机试验室主要用于各型 号柴油机 的研发试验。在研发过程 中， 每个试验室 的柴油机试验都会受到方案改进 、 零部件更换 、 排除 故障等因素停止运转。经过统计 ， 试验楼 内整机试 验室同时运行情况如 图 3所示 ， 另外 由于 5个以上 试验室同时运行的情况基本没有出现过 ， 所 以不予 统计。 5 0 墓4 o IⅢ3 O 厦 莒2 0 1 卜 ’ l O 上 Ⅱ0 斗O 3 9 豳 12 。 豳 。 l 2 3 4 同时运行的实验室数量 个 图3 不同数量试验室同时运行所占时间百分比 3 ． 2 排烟 系统 中排烟风机的选择 1 排烟风机的选择 试验楼 内现有的柴油机试验室 ， 每个试验室均 配备排烟风机 ， 并且排烟风机 的抽风能力还要 留有 一 定的余量， 以适应被试柴油机排烟量和排烟中混 入新风的流量 J ， 根据我所 柴油机 的排量需选择额 定功率 3 7 k W 的排烟风机 。采用改进 型排 烟系统 方案时 ， 考虑到最多只有 四个试验室 同时工作 ， 而且 几乎不可能同时在最高工况运行 ， 同时还要考虑投 资和节能方面的因素 ， 选择额定功率 1 1 0 k W 的排 烟风机 1台即可。 2 排烟风机工作特性 Q Q 流t／ m3 h - l 图 4普通 风机 的特性曲线 如图 4所示 ， 普通风机通过调整出口挡板开度 ， 实际工况沿着风机的性能曲线 HQ曲线 ， 从 c 点移至 C 点， 管网特性曲线 由 1 变为 2 ， 风机的 流量和风压分 别从 Q 。 、 H。 变 为 Q 、 ， 从 而达到调 节气流流量和风压 的目的 J 。 图 5 变频风机 的特性 曲线 风机采用变频调速后 ， 随着转速 的下降 从 工 频 Ⅳ 1 减为适 当转速 Ⅳ2 ， 风机的性能 曲线也 随之变 化。在本文介绍 的排烟系统节能方案 中， 要求排烟 总管内的负压维持恒定 ， 流量根据试验室排烟量的 变化而变化。如图 5 所示， 在相同风压 的情况 下， 风机的流量从 Q 减为 Q ， 采用和不采用变频调 速的风 机的轴功率之差 即为矩形 C 。 C Q Q 的面 积 。 由风机特性可知 ， 风机的负载转矩与转速的平 方成正 比， 轴功率 与转速 的立 方成正 比， 从 图 5可 知 ， 排烟风机采用变频调速技术 ， 能够取得非常明显 的节能效果 。 3 ． 3能源消 耗对 比 下表为我所采用节能方案前后 ， 试验室风机 的 配置情况 ， 方案 1表示原有排烟系统方案 ， 方案 2表 示排烟系统改进方案。 表 1 排烟方案 中的风机参数 以试验室每年运行 2 0 0 0 h ， 对两种排烟系统的 能源消耗进行 比较。 1 原有排烟系统方案 每个试验室有单独的排烟系统 ， 试验室有试验 任务时， 该试验室排烟风机 开启 。排烟 系统年耗电 量如表 2所示。 表 2 原有排烟 系统 年耗 电量 注 1一占总试 验时I司百分 比如 图 3所不。 原排烟方案全年耗 电总量为 1 2 7 2 8 0 k W h 。 2 排烟系统改进方案 任一试验室有试验任务时， 排烟风机均需开启 ， 但有变频调速 ， 保持排烟主管恒定负压 ， 并按实际排 烟流量调整风机转速 ， 风机 的工作频率可从频率表 中读出。改进方案年耗电量如表 3所示。 排烟系统改进方案年耗电量为 5 5 2 3 0 k W h 。 3 两种方案能源消耗对比 对 比两种方案的年耗 电量可知 ， 排烟系统改进 方案 比原方案节省用电 7 2 0 5 0 k W h ， 节能效率达 3】 ． 日 d ， 出 区 ∞ d ， 幽匮 到 4 3 ． 4 ％。以工业用电电价 1 k W h计 ， 每年节 省电费 7 ． 2万余元。 表 3 排烟系统改进方案年耗 电量 注 l一占总试验时间百分 比如图 3所示 ； 2一转速与工作频率成 正 比， 轴 功率 与转 速 的立方成 正 比 ， 风 机工 频 为 5 O Hz ， 轴功 率为 1 l O k W。 因此 由工作频率和轴 功率可计算出实际耗电功率 。 4 结论 1 柴油机试验 室排烟 系统采用改进方案后 ， 排烟风机可以根据实际排烟流量进行变频调节 ， 节 能效果比较显著， 节能效率达到 4 3 ． 4 ％。试验室运 行一年， 仅排烟风机一项就可节约电费7 ． 2 万余元。 2 排烟系统经过改进后， 任何试验室开启都 需要同一台排烟风机的工作配合， 使得风机设备使 用率大大提高。 3 在大多数试验室运行时间里 ， 同时工作 的 试验室数量并不多 ， 排烟风机可 以在较低转速下工 作 ， 此时风机内部机械摩擦较少 ， 使得风机在较温和 的工作状态下运行 ， 从而延长了风机的使用寿命。 参考文献 [ 1 ] 王宇清． 流体力学 泵与风机 [ M] ． 北京 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 1 1 7 5～1 7 6 ． [ 2 ] 何幼富． 锅炉引风机采用高压变频技术的节能效果 [ J ] ． 节能技术， 2 0 1 1 ， 2 9 4 3 7 9 3 8 1 ． [ 3 ] 张铭鑫， 张振宇． 高速公路隧道竖井纵 向式通风研 讨[ J ] ． 中国科技信息， 2 0 0 7 1 9 6 7 6 8 ． [ 4 ] 张宸， 贾传圣． 基于 P L C控制的恒压供风系统的设 计[ J ] ． 工业控制计算机 ， 2 0 1 3 ， 2 6 9 1 3 71 3 9 ． [ 5 ] 曹吉花． 基于 P L C的矿井主通风机变频调速研究 [ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 1 2 ， 2 5 2 1 0 1 1 0 2 ． [ 6 ] 徐蓉． 内燃机试验室空调通风系统设计 [ J ] ． 小型内 燃机与摩托车， 2 0 0 7， 3 6 6 6 3 6 6 ． [ 7 ] 王峰， 变频技术在锅炉风机改造中的应用[ J ] ． 装备 制造技术， 2 0 1 1 8 1 6 91 7 1 ． [ 8 ] 赵贤兵， 李芳芹． 变频技术在泵与风机系统中应用 的节能分析[ J ] ． 能源工程 ， 2 0 0 4 5 - 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