缺水工程水冷柴油发电机运行时长计算

马向伟，刘文波，都的箭，肖丽君，吴 晴

(中国人民解放军95899部队,北京 100068)

柴油发电机在建设工程上应用较广泛,除了可作为备用供电设施,市电缺失状况下需要作为主要的供电设施使用。在一些缺水建筑,如因为安装空间、环境和冷却水源的量受到限制,导致柴油发电机的使用时长也会受到一定限制。

那么在其他条件相同的情况下,不同的水冷冷却方式,对柴油发电机的运行时长是否有影响,以下分几种情况进行分析,并针对不同的运行方式分别进行计算。

1 工程用柴油发电机冷却基本情况

柴油机动力设备是由柴油与压缩空气在柴油机燃烧室燃烧产生动力,将热能转化为机械能,热能中的部分有效功率转化为电力输出,其他无效功率需以废热方式排放至周围环境或低温冷媒介(冷却)。冷却的基本原理为冷却液在机体内循环流动,把机体产生的高温交换出来,排放至周围环境或低温冷媒介中。

柴油机冷却分为风冷和水冷两种基本模式。当发电机在工程中安装位置或通风条件不满足风冷需求时,需要采用水冷模式,即在发电机外接水系统,水泵驱动较低温度的水进入发电机冷却管,较低温度的水与机体热交换后排出,带走机体产生的废热,产生高温的热水。

缺水工程在限量水源条件下,水冷冷却方式产生的高温热水有两种处理方式:高温出水回流水池和高温出水直接排放,下面就这两种方式的最大运行时长分别进行计算。

2 计算条件假设和计算参数设定

1)为简化计算模型,方便理解,需要作出几个假设:

a.忽略不计柴油发电机安装环境气温变化的影响;b.忽略不计水池水温混合的时间;c.柴油发电机开机即进入正常运行工况;d.柴油发电机运行期间,用电负荷稳定,机组输出功率恒定;e.忽略不计水池水位变化对循环泵流量的影响;f.柴油发电机高温出水与低温补水的混水,由自动温控调节阀以极高效率和精度完成;g.不考虑柴油发电机房环境冷却的水量。

2)按照柴油发电机进水温度55 ℃,高温出水温度为70 ℃[1]。依据发电机功率得出的废热量和冷却水的进出水温差,依据式(1)可计算循环泵的循环流量:

(1)

其中,W为冷却循环泵流量,m3/h;0.35为冷却水承担燃油燃烧产生热量的比例;Ne为柴油机的功率,kW;b为柴油消耗燃油比率,kg/(kW·h);Qh为柴油燃烧热量值,kJ/kg;C为水的比热,取4.19 kJ/(kg·℃);t2为柴油机高温出水温度,取70 ℃;t1为柴油机低温进水温度,取55 ℃。

假定计算结果为50 m3/h。

假定现有有限量水源的体积为100 m3,其初始水温为25 ℃。

如把0.2 h划分为使用时长基本时间段,冷却水泵为工频运行,则水泵的进水量按照10 m3为一档作为计算基准。

3 计算方法和过程

3.1 回流水池方式

水池初始温度为25 ℃,水泵进水量为10 m3,其中一部分为水池内的低温水,另一部分为油机加热的高温水,两者混合总量为10 m3。根据热量交换原理,按照式(2)可计算高温水的混合量:

(2)

其中,W2为高温水混合量,m3/h;t为低温水的温度,℃,取水池内实时水温。

计算可知,其中高温水量为6.67 m3,则从水池抽取的低温水为3.33 m3,依据流量恒定原理,有3.33 m3的高温水进入了水池。

在10 m3的流量发生完成后,水池内的水容积仍为100 m3,其中96.67 m3的25 ℃,3.33 m3的70 ℃,按照假设,立即混合为26.5 ℃的低温水,作为下一个阶段的起始水温,入池一个阶段重复运行,直至水池内的水温达到了55 ℃,此时油机高温出水不再回到水池,改为直接排放,在把水池内的全部容积排空后,不能再对发电机起到冷却作用,发电机将无法继续工作。

运行时长可分为两个阶段:第一阶段为水池温度上升阶段;第二阶段为水池排空阶段。

利用计算机辅助表格,其计算过程见表1。

表1 回流水池方式各时段计算表

由表1可知,随着柴油发电机的运行,冷却水被加热,部分回流水池,与上一时段的水池水混合后,进一步提升水池水温,导致从油机高温出口返回至油机入口的水量逐步减少,回流到水池的高温水量(数量上与从水池吸取的相对低温的水量相等)在逐步增加。

在水池内的水位达到柴油发电机的最高进水温度55 ℃后,如需要继续运行,柴油机冷却水循环泵的出水不再回到进水口,水泵完全从水池吸水,温度升高后必须完全排放。排放过程能支持柴油发电机继续运行2 h(100 m3容积由50 m3/h的流量排空),其运行最大时长为6 h。

3.2 直接排放方式

水池初始温度为25 ℃,水泵进水量为10 m3,其中一部分为水池内的低温水,另一部分为油机加热的高温水,两者混合总量为10 m3。

按照式(2)计算可知,其中高温混水量为6.67 m3,则从水池抽取的低温水为3.33 m3,依据流量恒定原理,有3.33 m3的高温水排放,在10 m3的流量发生完成(水泵运行0.2 h)后,水池内的水容积减少为96.67 m3,与回流水池方式不同的是,水池内的水全部为25 ℃,如此继续进行,每0.2 h排空3.33 m3,当水池内的全部容积排空后,不能再对发电机起到冷却作用,发电机将无法继续工作。其计算过程见表2。

表2 直接排放方式各时段计算表

通过计算,以上两种方式在发电机最大运行时长上是一致的。

检验该结果是否具有规律性,改变初始温度为15 ℃,20 ℃,30 ℃,35 ℃,采用同样的计算程序和方法,其结果见表3。

可见无论采用两种方式的哪一种,柴油发电机的最大运行时长都是一致的。

表3 多个初始水温时两种方式运行时长对比表

4 两种方式优点的比较

回流水池的优点:节约水源,高温水回流水池后经过与周边环境的热交换,温度逐渐会下降至环境温度,可作为发电机的冷却水再次使用,甚至作为其他水源继续使用,在缺水地区或缺水场所尤为重要。可减少对周围环境的影响,高温水排放后,会增加与周边环境物质的温度差,造成周边水土性状改变,回流水池有利于水土保持。

直接排放:对水池的建造要求不高,水池不需要承受温度大幅变化带来的温度应力;不会因为高温水的回流而产生过多的水分逃逸,进而产生大量的冷凝,对柴油发电机的使用环境造成不利的印象。

5 结语

通过建立计算方法、计算演练和对比分析,利用表格计算可直观显示运行时长过程中的水温、水量的变化。柴油发电机最大运行时长的计算结果显示,回流水池和直接排放方式对水资源的直接储备要求是一样的。该计算结果可以作为机组运行过程的对比参照。工程中可根据实际条件选择合适的运行方式。