基于环保理念下的柴油发电机消烟降温机组设计
摘要：柴油发电机的排放物为高温烟雾，很容易被识别，这会威胁一些隐蔽工程的隐蔽性。为了减轻柴油机排放的高温烟雾极易识别的特点，本文设计了柴油发电机的消烟降温机组，在有限的空间和水资源条件下，本文所设计的机组可以有效消除柴油发电机排出的尾气中高浓度的有害物质，并且有明显的降温效果。
关键字：柴油机排除废气的处理；柴油机的消烟降温机组的设计
中图分类号：X701.7 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0111-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.052
Abstract： Diesel generator emissions are high temperature smoke， it is easy to be identified， which threatens the concealment of some concealed works. In order to reduce the characteristics of high-temperature smoke emitted by diesel engine， this paper designs the smoke-reducing unit of diesel generator. Under the limited space and water resources， the designed unit can effectively eliminate the high exhaust gas discharged from diesel generator Concentration of harmful substances， and there is a significant cooling effect.
Keywords： Diesel engine exhaust gas treatment； Diesel engine smoke cooling unit design
1 柴油发电机组
1.1 柴油发电机组简介
柴油发电机是一种体积较小的电能发生设备。柴油机作为发动机，带动发电机转动，电动機将动能转化为电能，完成发电任务。其中，柴油机是以柴油等为燃料的内燃机，通过往复运动的活塞压缩机身内部的新鲜空气，对空气做功，空气温度随之增加，当空气达到柴油的燃点时，自动喷入柴油燃烧，产生的热能对发动机做功，将柴油的热能转换为动能，带动发电机产生电能。
顾名思义，柴油机燃料是柴油。柴油燃烧除了会产生大量热气之外，还会产生燃烧废气，主要包括二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，没有完全燃烧的柴油还会产生NOX、CO、PM等物质，并且释放出黑度很高的废气。
1.2 柴油发电机发热分析
柴油机属于内燃气，资料表明，其输出的机械能仅为柴油发热量的35%左右，也就是说其余的65%的热量是无法利用的废热，主要由以下三部分组成：
（1）柴油机气缸的冷却热；
（2）对流热、辐射热1：由柴油机表面与柴油机周围空气的温差导致；
（3）对流热、辐射热2：高温烟气带走的废热与周围控制温差导致的和发电机本身及排烟管道与周围空气的温差导致的。
其中，柴油机气缸的冷却热是人为的冷却剂导致的，这部分热量（用Q1表示）约占到柴油机额定功率的百分之八十。
可以通过下文的公式进行计算柴油机的发热量：
1.3 常用的消烟降温方式
市场上对于发电机尾气消烟通常采取的做法是：采用水喷淋方法或者石灰水循环喷淋方法，但是这两种方法不能完全吸收二氧化硫和碳烟，并会对减轻柴油发电机尾气的黑度，也对尾气的刺激性气味无能为力；而且在发电机运行时，采用水喷淋治理工艺会耗水量巨大，其排放的水还会造成二次污染。
在一些具有隐蔽要求的工程中，经常使用柴油机组内部冷却，一般采用闭式风冷和闭式水冷两种方法。
闭式风冷的方法，换热器内采用空气和水作为换热介质，位于柴油机机头出，其中，设置专用的风扇加快换热器中的冷却介质与周围空气的热交换，温度满足要求的冷却介质才可以进行再次利用。空气-水换热器排除的空气温度较高（一般在50℃），机头发热量较大，通过排风管将高温空气直接排至室外。如图1所示。
闭式水冷柴油发电机组中，水冷却器安装在柴油机机头，冷却介质水冷却器实现换热效果将机头余热排出。这种方法应当注意冷却水的来源。如图2所示。
2 消烟降温机组的设计
由于客户要求柴油发电机消烟降温机组必须能够去除柴油发电机排放的肉眼可见的烟尘，在工程建造地点的暴露区域内没有成可见烟雾，且排烟出口处烟气温度小于60℃。
本文所设计的柴油发电机消烟降温机组如图3所示，它能够按照要求去除柴油发电机排放的废气中有害物质的浓度和废气的温度，具有明显的消烟降温效果。该装置主要由两个部份组成：一为“冷却降温器”，二为“复合式静电消烟器”。
2.1 冷却器设计
柴油发电机运行时会产生400℃～500℃的高温尾气，因此必须经过冷却降温器降温，否则就会损坏静电场。采用水冷却管构成冷却器的换热器，选用壳式结构，该结构能将柴油发电机排放的高温尾气的温度降低500℃左右，仅略高于环境温度，温度的降低导致延期体积也明显缩小，体积缩小后的烟气流速随之减缓，为后续静电消烟器做好准备[1]。
2.2 烟气净化设计
烟气净化系统采用复合式静电消烟器，静电消烟的基本原理是在设备中创造高压电场，在电场中让柴油发电机废气中的微粒带电，在静电场力的作用下，极板将主动吸收大量的带电微粒。
采用多极圆孔针状结构静电场和平板式静电场，以避免烟气流经电场时的“死角”导致的消烟不彻底。根据多次实验的数据统计，采用四级圆孔针状静电场及二级平板式静电场能有效去除300kW柴油机组发电所产生的黑气[2]。蜂窝状圆孔针状静电场的结构如图4所示，其中，图（a） 是蜂窝结构的排列，（b）是圆孔针状电场（电力线）分布情况。
静电消烟器的工作过程可以划分为下面五个步骤：（1）气体电离；（2）粉尘荷电；（3）粉尘驱进；（4）粉尘沉积和（5）粉尘移除。
3 机组功能简介
3.1 自保功能
柴油机尾气的温度很高，必须经过冷却降温器降温，否则就会损坏静电场。因此，柴油机组启动前，首先应该启动机组冷却降温器的水源。为了避免操作人员可能出现操作失误，本消烟降温机组设计了带有自动保护的控制系统[3]。自保功能主要包括以下内容：
（1）当手动进水阀未打开，消烟器内的气温>70?C时，自动打开进水电磁阀并报警；（2）当消烟器内的气温>90?C时，即使手动进水阀已打开，进水电磁阀也将打开，以加大进水量，并报警；（3）具有漏电保护功能。
3.2 停止功能
内燃机组停机后，消烟降温机组延时三分钟（可设置）关闭。同时，一分钟（可设置）后排污阀打开，排污阀打开二分钟（可设置）后关闭，并且关闭水泵[4]。
3.3 信号与显示
消烟降温机组可以进行远程监控也可以进行本地监控，本机组采用7英寸的彩色液晶触摸屏，不仅可以监控各项运行数据和操作阀门开关，并可显示电场、供水的工作情况、出口气体温度、出口湿度等运行状态信息，且具有报警功能。报警和设置界面如图5所示。
在图5的报警界面中可显示出各部分的工作状况，由于柴油机尾气與空气接触后的湿度很大，电场易引起高压放电，短促的放电并不影响正常使用，当短路持续时间过长，超过系统设置值，将关闭该路的高压输出，几十秒后再重新恢复，如果短路持续时间仍超过系统设置值，反复数次后，该路电源将被切断，直至维修[5]。
3.4 本机安装的现场条件：
①电源：AC220V/50Hz （使用三芯6平方线）；②计算机信号线接口；③ 1.5in的供水管，水压2.3-3.2kg；④1.5in的排水管；⑤提供符合本机要求的蓄水池容积；⑥本机安装的场地要留给电气箱门及净化柜门打开所需要的足够空间。
4 供水方案
在柴油机组启动前首先需要开启冷却降温器的冷水源，与本装置相连的水管为1.5in管，水压为2.3 ～ 3.2kg。参考相关的供水情况，可选择以下两种种不同的供水方案：
（1）在水源充分的地区，采用直排式供水方案，即把水源直接接入本装置，使用后直接排放。
（2）在水源缺少的地区，可采用循环用水方案，即在靠近本装置的地方挖一个蓄水池（容积55m3、水深1.5m），将本装置的进水与出水口分别与蓄水池相接，选择适当的增压泵将蓄水池内的水送入本装置，使用后直接排入蓄水池。蓄水池的容积根据不同功率的柴油发电机排烟量进行选配：
因柴油尾气成份复杂，整套设备均采用304不锈钢材质，防锈耐腐蚀。
5 结论
在安装本所所设计的消烟降温机组的柴油发电机组的正常工作下，降温效果显著，达到设计要求；本文所设计的消烟降温机组与传统的喷淋消烟降温室相比，具有明显优势，主要表现在以下几个方面：
（1）操作简单便捷；（2）单台消烟降温机组的占用空间小；（3）没有喷淋用水泵等大耗电量设备，更加节能；（4）使用时间长，使用效果显著；（5）在使用中能够有效防止操作人员的误操作。
综上，本文所设计的消烟降温机组具有很好的推广价值。
参考文献
[1]潘芝桂，邵毅明，吴岳伟.柴油机排放控制技术研究现状与发展趋势[J]，内燃机.2010.
[2]黄文伟，孟凡生.柴油发动机尾气后处理技术的发展[J].内燃机.2010.
[3]郭鹏，耿世彬，韩旭等.两种烟度计在柴油机排气净化装置检测中的应用研究[J]，内燃机.2008.
[4]蔡进民，贺正岷，戚毅男.柴油电站设计手册[M].北京：中国电力出版社，1997.
[5]GB50038- 2005 人民防空地下室设计规范[S]，2005.
作者简介：陈建伟（1987 -），男，上海总工助理，本科，研究方向为环保设备。
关键字：柴油机排除废气的处理；柴油机的消烟降温机组的设计
中图分类号：X701.7 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0111-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.052
Abstract： Diesel generator emissions are high temperature smoke， it is easy to be identified， which threatens the concealment of some concealed works. In order to reduce the characteristics of high-temperature smoke emitted by diesel engine， this paper designs the smoke-reducing unit of diesel generator. Under the limited space and water resources， the designed unit can effectively eliminate the high exhaust gas discharged from diesel generator Concentration of harmful substances， and there is a significant cooling effect.
Keywords： Diesel engine exhaust gas treatment； Diesel engine smoke cooling unit design
1 柴油发电机组
1.1 柴油发电机组简介
柴油发电机是一种体积较小的电能发生设备。柴油机作为发动机，带动发电机转动，电动機将动能转化为电能，完成发电任务。其中，柴油机是以柴油等为燃料的内燃机，通过往复运动的活塞压缩机身内部的新鲜空气，对空气做功，空气温度随之增加，当空气达到柴油的燃点时，自动喷入柴油燃烧，产生的热能对发动机做功，将柴油的热能转换为动能，带动发电机产生电能。
顾名思义，柴油机燃料是柴油。柴油燃烧除了会产生大量热气之外，还会产生燃烧废气，主要包括二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，没有完全燃烧的柴油还会产生NOX、CO、PM等物质，并且释放出黑度很高的废气。
1.2 柴油发电机发热分析
柴油机属于内燃气，资料表明，其输出的机械能仅为柴油发热量的35%左右，也就是说其余的65%的热量是无法利用的废热，主要由以下三部分组成：
（1）柴油机气缸的冷却热；
（2）对流热、辐射热1：由柴油机表面与柴油机周围空气的温差导致；
（3）对流热、辐射热2：高温烟气带走的废热与周围控制温差导致的和发电机本身及排烟管道与周围空气的温差导致的。
其中，柴油机气缸的冷却热是人为的冷却剂导致的，这部分热量（用Q1表示）约占到柴油机额定功率的百分之八十。
可以通过下文的公式进行计算柴油机的发热量：
1.3 常用的消烟降温方式
市场上对于发电机尾气消烟通常采取的做法是：采用水喷淋方法或者石灰水循环喷淋方法，但是这两种方法不能完全吸收二氧化硫和碳烟，并会对减轻柴油发电机尾气的黑度，也对尾气的刺激性气味无能为力；而且在发电机运行时，采用水喷淋治理工艺会耗水量巨大，其排放的水还会造成二次污染。
在一些具有隐蔽要求的工程中，经常使用柴油机组内部冷却，一般采用闭式风冷和闭式水冷两种方法。
闭式风冷的方法，换热器内采用空气和水作为换热介质，位于柴油机机头出，其中，设置专用的风扇加快换热器中的冷却介质与周围空气的热交换，温度满足要求的冷却介质才可以进行再次利用。空气-水换热器排除的空气温度较高（一般在50℃），机头发热量较大，通过排风管将高温空气直接排至室外。如图1所示。
闭式水冷柴油发电机组中，水冷却器安装在柴油机机头，冷却介质水冷却器实现换热效果将机头余热排出。这种方法应当注意冷却水的来源。如图2所示。
2 消烟降温机组的设计
由于客户要求柴油发电机消烟降温机组必须能够去除柴油发电机排放的肉眼可见的烟尘，在工程建造地点的暴露区域内没有成可见烟雾，且排烟出口处烟气温度小于60℃。
本文所设计的柴油发电机消烟降温机组如图3所示，它能够按照要求去除柴油发电机排放的废气中有害物质的浓度和废气的温度，具有明显的消烟降温效果。该装置主要由两个部份组成：一为“冷却降温器”，二为“复合式静电消烟器”。
2.1 冷却器设计
柴油发电机运行时会产生400℃～500℃的高温尾气，因此必须经过冷却降温器降温，否则就会损坏静电场。采用水冷却管构成冷却器的换热器，选用壳式结构，该结构能将柴油发电机排放的高温尾气的温度降低500℃左右，仅略高于环境温度，温度的降低导致延期体积也明显缩小，体积缩小后的烟气流速随之减缓，为后续静电消烟器做好准备[1]。
2.2 烟气净化设计
烟气净化系统采用复合式静电消烟器，静电消烟的基本原理是在设备中创造高压电场，在电场中让柴油发电机废气中的微粒带电，在静电场力的作用下，极板将主动吸收大量的带电微粒。
采用多极圆孔针状结构静电场和平板式静电场，以避免烟气流经电场时的“死角”导致的消烟不彻底。根据多次实验的数据统计，采用四级圆孔针状静电场及二级平板式静电场能有效去除300kW柴油机组发电所产生的黑气[2]。蜂窝状圆孔针状静电场的结构如图4所示，其中，图（a） 是蜂窝结构的排列，（b）是圆孔针状电场（电力线）分布情况。
静电消烟器的工作过程可以划分为下面五个步骤：（1）气体电离；（2）粉尘荷电；（3）粉尘驱进；（4）粉尘沉积和（5）粉尘移除。
3 机组功能简介
3.1 自保功能
柴油机尾气的温度很高，必须经过冷却降温器降温，否则就会损坏静电场。因此，柴油机组启动前，首先应该启动机组冷却降温器的水源。为了避免操作人员可能出现操作失误，本消烟降温机组设计了带有自动保护的控制系统[3]。自保功能主要包括以下内容：
（1）当手动进水阀未打开，消烟器内的气温>70?C时，自动打开进水电磁阀并报警；（2）当消烟器内的气温>90?C时，即使手动进水阀已打开，进水电磁阀也将打开，以加大进水量，并报警；（3）具有漏电保护功能。
3.2 停止功能
内燃机组停机后，消烟降温机组延时三分钟（可设置）关闭。同时，一分钟（可设置）后排污阀打开，排污阀打开二分钟（可设置）后关闭，并且关闭水泵[4]。
3.3 信号与显示
消烟降温机组可以进行远程监控也可以进行本地监控，本机组采用7英寸的彩色液晶触摸屏，不仅可以监控各项运行数据和操作阀门开关，并可显示电场、供水的工作情况、出口气体温度、出口湿度等运行状态信息，且具有报警功能。报警和设置界面如图5所示。
在图5的报警界面中可显示出各部分的工作状况，由于柴油机尾气與空气接触后的湿度很大，电场易引起高压放电，短促的放电并不影响正常使用，当短路持续时间过长，超过系统设置值，将关闭该路的高压输出，几十秒后再重新恢复，如果短路持续时间仍超过系统设置值，反复数次后，该路电源将被切断，直至维修[5]。
3.4 本机安装的现场条件：
①电源：AC220V/50Hz （使用三芯6平方线）；②计算机信号线接口；③ 1.5in的供水管，水压2.3-3.2kg；④1.5in的排水管；⑤提供符合本机要求的蓄水池容积；⑥本机安装的场地要留给电气箱门及净化柜门打开所需要的足够空间。
4 供水方案
在柴油机组启动前首先需要开启冷却降温器的冷水源，与本装置相连的水管为1.5in管，水压为2.3 ～ 3.2kg。参考相关的供水情况，可选择以下两种种不同的供水方案：
（1）在水源充分的地区，采用直排式供水方案，即把水源直接接入本装置，使用后直接排放。
（2）在水源缺少的地区，可采用循环用水方案，即在靠近本装置的地方挖一个蓄水池（容积55m3、水深1.5m），将本装置的进水与出水口分别与蓄水池相接，选择适当的增压泵将蓄水池内的水送入本装置，使用后直接排入蓄水池。蓄水池的容积根据不同功率的柴油发电机排烟量进行选配：
因柴油尾气成份复杂，整套设备均采用304不锈钢材质，防锈耐腐蚀。
5 结论
在安装本所所设计的消烟降温机组的柴油发电机组的正常工作下，降温效果显著，达到设计要求；本文所设计的消烟降温机组与传统的喷淋消烟降温室相比，具有明显优势，主要表现在以下几个方面：
（1）操作简单便捷；（2）单台消烟降温机组的占用空间小；（3）没有喷淋用水泵等大耗电量设备，更加节能；（4）使用时间长，使用效果显著；（5）在使用中能够有效防止操作人员的误操作。
综上，本文所设计的消烟降温机组具有很好的推广价值。
参考文献
[1]潘芝桂，邵毅明，吴岳伟.柴油机排放控制技术研究现状与发展趋势[J]，内燃机.2010.
[2]黄文伟，孟凡生.柴油发动机尾气后处理技术的发展[J].内燃机.2010.
[3]郭鹏，耿世彬，韩旭等.两种烟度计在柴油机排气净化装置检测中的应用研究[J]，内燃机.2008.
[4]蔡进民，贺正岷，戚毅男.柴油电站设计手册[M].北京：中国电力出版社，1997.
[5]GB50038- 2005 人民防空地下室设计规范[S]，2005.
作者简介：陈建伟（1987 -），男，上海总工助理，本科，研究方向为环保设备。
