【正文】 流量可節(jié)約泵功，降低運行費用；其次，當主機工作在額定負荷的50%以下，且船舶航行于低溫水域時，可以停止增壓空氣的冷卻，適當提高主機進氣溫度，有利于改善燃燒。所以變流量冷卻對于無限航區(qū)的船舶有著特殊的意義。增壓空氣的冷卻要滿足兩方面的要求:即在高負荷工況下對增壓空氣進行充分的冷卻，保證氣缸進氣量，以改善柴油機的動力性和經濟性:在部分負荷工況下，要適當提高進入柴油機的空氣的溫度，以改善部分負荷下缸內的燃燒和柴油機的熱狀態(tài)。為了使空冷器冷卻能力得到充分發(fā)揮，減少初投資和降低運行費用，在設計計算空冷器熱負荷時要選擇恰當的環(huán)境溫度，在系統(tǒng)配置時要選用合適排量的泵。 對于無限航區(qū)的船舶，設計計算空冷器的額定熱負荷時，常在主機額定功率下，把環(huán)境條件選為熱帶條件，即:海水溫度為32℃，壓氣機入口溫度45℃。這種環(huán)境溫度的選擇看似很合理，因為它能保證船舶在所有的航區(qū)，使掃氣得到充分冷卻。但是實際上存在較多缺陷:℃，據全球航行時間的統(tǒng)計，如圖51所示，全年海水溫度30℃32℃的時間只占5%?？梢姡昂叫性跓釒虻臅r間很短。因此海水冷卻能力要比設計時料想的更大。 圖51船舶年航行區(qū)域圖，船舶一般都保持在主機額定負荷的80%左右下運行。在海水溫度32℃，大氣溫度45℃的條件下，根據計算可以看出船舶航行在熱帶水域主機功率為額定負荷的80%時，空冷器也只用到了全部冷卻能力的80%左右，余下的20%基本上就用不上，這無疑造成了能源和初投資的浪費。如圖52【56】所示。，單純從控制的角度考慮，這種設計也有一定缺陷，對于一臺長期工作于80%額定負荷的主機，%～%，只占全部控制范圍的20%左右【18】【63】，這樣控制起來比較困難，整個系統(tǒng)不易穩(wěn)定。 圖52所需的海水流量隨溫度的變化曲線 所以設計計算空冷器的熱負荷時，可把環(huán)境溫度選低一些，一般可取海水溫度32℃，壓氣機入口溫度27℃[19]，這樣雖然使系統(tǒng)的冷卻能力降低很多，但仍然能夠保證掃氣得到充分的冷卻。對于MAN Bamp。W MC系列的機型，經過計算得出不同功率和環(huán)境溫度下的空冷器的相對換熱量，結果見表51。表5l不同功率下空冷器熱負荷隨大氣溫度的變化 因為在表51中，在主機負荷為80%PMCR，大氣溫度為45℃的條件下，空冷器的熱負荷也只占主機負荷為PMCR，大氣溫度為27℃的條件下的空冷器的熱負荷的70%，還有30%的冷卻裕量可以用于應付各種意外情況或突發(fā)事故。此種環(huán)境溫度的選擇將更能充分發(fā)揮空冷器的冷卻能力，節(jié)約初投資和運行費用，并且使變流量冷卻更容易控制。5. 2變流量冷卻的實現 變流量冷卻的基本理論是以熱力學第一定律為基礎的，當系統(tǒng)的負荷發(fā)生變化時，按熱力學第一定律可以通過改變冷卻水流量、改變供回水溫差△t或者同時改變流量和供回水溫差來適應系統(tǒng)負荷的變化。 Q=Wc△t (5l)式中:Q——系統(tǒng)熱負荷，Kw: W——水泵流量，m3/h C——冷卻液的比熱，kJ/K℃。 △t——供回水溫差，℃。離心泵運行的工況點是建立在泵提供的能量和管網系統(tǒng)阻力相平衡之上，改變管網系統(tǒng)的阻力特性曲線或改變離心泵的特性曲線都會使其工況點發(fā)生變化。管網的共同特點是需要調節(jié)流量。計算出管路特性和所需的冷卻水(額定負荷)的流量和壓頭后，余下的工作就是怎樣選擇合適的泵，使其既能實現預定的功能，又不造成過大浪費。變流量冷卻的實現方法主要有以下幾種: 這是最簡單、最常用的流量調節(jié)方法。但這實質上是人為地增大管路阻力來適應離心泵特性以減小流量，其結果是比實際需要多耗動力，并可能使泵在低效率區(qū)工作。 恒定轉速下典型離心泵特性曲線，其軸功率和流量的關系近似為一條不通過坐標原點的直線，即隨著流量降低，所耗軸功率并不明顯下降。流量為零時，軸功率也不為零。由于軸功率與流量不成正比，當流量減小某百分數時，軸功率減小不到該百分數。關小閥門，流量下降，能耗下降卻不多，從而浪費了能源。 由于空冷器冷卻水泵大多采用離心泵，泵的排量與泵本身的特性和管路的特性有關，只有在泵的排出壓力與管路在當前流量下的總壓降相等時，泵才能穩(wěn)定工作在這個流量下。因此，可以用改變管路特性的方法來改變海水泵的排量，從而改變冷卻水量。為實現變流量冷卻，選擇一臺無級變速泵當然是最好的，但是無級變速泵需用變速原動機帶動，初投資很大，也增加了系統(tǒng)的復雜性和維護費用。一般可選用三臺(其中一臺為備用)各為50%額定功率的泵，再輔以節(jié)流調節(jié)裝置，就可以實現變流量冷卻。泵的特性曲線應該相同，以保證并聯運行，泵與管路配合的工作曲線見圖54當兩臺泵同時啟動時，并聯后的特性曲線為lil，與管路的特性曲線R交于點A，A點的流量QA剛好就是設計所需的最大冷卻水量。當只有一臺泵運行時，工作點是B點，由于管路的特性曲線是向上彎曲的，所以這時的冷卻水流量QB，不是QA的50%，而是70%左右(具體大小因管路和泵的特性而異)。這樣，單泵的工作流量已可以滿足大部分工況下的冷卻掃氣的要求，而其耗功卻大大減少。當然，泵的選擇方式不僅這一種，還可以把其中一臺泵選為二級泵，那樣會進一步降低運行費用，在此不再贅述。 圖54泵與管路的工作曲線 如圖55所示，在三通閥調節(jié)的過程中，總管路的流量會發(fā)生變化。如果兩個并聯的支路(冷卻器支路和帶有節(jié)流孔板的支路)的阻力系數相差較大，那么總管路的流量將發(fā)生較大的變化。因此，采用合適的泵和節(jié)流裝置，就可以實現空冷器的變流量冷卻。 :阻力系數可類比為電路中的電阻，流量可類比為電路中的電流，管路壓力降類比電路中的電壓降。在三通閥調節(jié)的過程中，三通閥在兩個支路中的“電阻”不斷變化，總的“電阻”會發(fā)生變化。如果空冷器和節(jié)流孔板的“電阻”相差較大，那么兩個支路的并聯“電阻”就會發(fā)生較大的變化，因此總管路中的“電流”也會發(fā)生較大的變化，即主管路的流量將會發(fā)生較大的變化。這就是該方法實現“變流量”冷卻的原理。圖55變流量冷卻示意圖有了合適的泵和節(jié)流調節(jié)裝置，變流量冷卻的實現就不難了:QA～QB之間的流量在兩臺泵并聯的條件下通過調節(jié)節(jié)流裝置來獲得。小于QB的流量則靠節(jié)流調節(jié)單臺泵的流量來獲得。當主機工作在低負荷且航行于低溫水域時，此時則可以停止冷卻掃氣。這樣空冷器冷卻能力的確定與主機的常用負荷和工作環(huán)境結合得更加緊密，在保證對掃氣進行充分冷卻的前提下，最大限度地發(fā)揮設備的工作能力，減小了空冷器的尺寸，節(jié)約了初投資。另外，采用變流量冷卻，根據工況的改變調整冷卻水量，減少了運行費用，在低溫低負荷的情況下停止冷卻掃氣，提高掃氣溫度，可以改善燃燒，提高系統(tǒng)的綜合經濟性。改變轉速調節(jié)流量，實際是改變泵的特性曲線，而管路特性曲線不變，即A、B為常數。轉速改變，泵的流量、壓頭、軸功率發(fā)生變化。通過調節(jié)轉速來控制其流量，可大幅度降低離心泵的軸功率。調速節(jié)流與調節(jié)閥門節(jié)流相比，可以節(jié)約兩部分的能量，一部分為閥門功率損失，一部分為水泵功率損失。因此，采用變頻調速技術對離心泵的轉速進行調節(jié)，使泵的流量與揚程適應管網用水量的變化，可實現流量自動控制，達到節(jié)能的目的。(l)變頻系統(tǒng)的基本原理 在傳統(tǒng)的空冷器冷卻水系統(tǒng)中，船舶航行期間，冷卻水泵一般是恒速的。而變頻調速系統(tǒng)采用閉環(huán)調節(jié)，其閉環(huán)調節(jié)的結構如圖56所示。 圖56變頻調速原理圖由流體力學可知，泵流量與電機的轉速成正比關系，壓力與轉速的平方成正比，電機的軸功率與轉速的立方成正比，由于泵的設計是按最大負荷流量設計的，因此存在一定的裕量，因此在保持一定流量和壓力的前提下，可將泵的轉速下調。管網供水壓力經壓力傳感器輸出壓力信號，轉換成直流信號后直接輸入變頻器，經與設定壓力值比較，通過內部PID算法自動進行調節(jié)，控制離心泵轉速，達到流量控制和恒壓供水的目的。 (2)變頻調速的優(yōu)點 由于電機的轉速是緩慢均勻變化的，從而克服了原機泵扭矩急劇變化對泵軸、軸承、葉輪及填料等的有害沖擊，延長其使用壽命。應用變頻調速技術調整水泵的轉速，可滿足不同時刻的流量要求，從而避免大泵與小泵的頻繁切換。只用加裝變頻調速裝置的最大容量水泵變換轉速，則其工況點既可滿足在不同時間用水量的需求，又可實現設備和管網的平穩(wěn)運行。 使用變頻調速裝置后，水泵運行對供水管網沖擊大幅度減小。供水管網所受壓力沖擊的大小取決于管網水流流速變化量的大小，管網水流流速變化量決定了管網壓力變化量大小。在一定時間內管網流速變化量(V0V）越大，△p值越大，對管網危害性也越大，發(fā)生爆管的可能性也越大。相反，管內流速變化量越小，其危害性也相應減小，發(fā)生爆管可能性也減小。使用變頻調速裝置可以緩慢均勻地調整水泵的出水量，有效地降低管網流速的變化量，從而使管網的壓力變化均勻緩慢，有效地避免水錘的危害，保證供水管網的安全運行。 但因系統(tǒng)生產運行條件的局限，目前該裝置還未完全實現以壓力為參數的閉環(huán)自動控制運行。其安全有效性有待于進一步研究。5. 3小結 ，變流量冷卻是一種較好的選擇。它能使其冷卻能力得到充分發(fā)揮，節(jié)約泵功，降低運行費，同樣也適應于不同負荷而引起的空冷器熱負荷的變化。 ，通過選擇合適流量的泵和合適的節(jié)流元件實現空冷器的變流量冷卻。 ，使泵的流量與揚程適應管網用水量的變化，在保證水量和供水壓力的前提下，節(jié)能幅度較大，實現流量自動控制，達到節(jié)能的目的。第6章結論與展望 隨著平均有效壓力的提高，船用增壓中冷柴油機工作過程對環(huán)境溫度越來越敏感。了解環(huán)境溫度對增壓器工作的影響，如何評價增壓柴油機在不同的環(huán)境溫度下功率性、經濟性、以及怎樣合理使用柴油機顯得十分重要。 本文所做的主要工作和得出的結論如下: 。以“遠大湖”所用主機型號撇N Bamp。w SSOMC為例，估算了壓氣機性能參數隨環(huán)境溫度變化情況，并用初atlab作出相應曲線。最后得出環(huán)境溫度每升高10℃，壓氣機空氣質量流量約減少4%，出口空氣溫度約升高15℃。 ℃，增壓比約減小l一2%，經過計算如果忽略增壓比的影響，%~%(假設空冷器出口空氣溫度即掃氣為50℃保持不變，如果掃氣溫度越低，帶來的誤差將越小)。環(huán)境溫度對壓氣機效率基本上沒有什么影響。因此在分析環(huán)境溫度對空冷器熱負荷的影響時，可以忽略不計。，計算了空冷器的熱負荷隨環(huán)境溫度變化情況，作出相應曲線，并借助Visual Basic編程語言實現了程序化計算。計算出主機負荷在75%左右，環(huán)境溫度每升高10℃，%。 ，發(fā)現其變化趨勢完全吻合。 ，采用傳統(tǒng)的定流量冷卻不合理，本文針對此提出了變流量冷卻的冷卻方式，能使空冷器冷卻能力得到充分地發(fā)揮，節(jié)約了泵功和初投資。由于時間、精力、知識所限，本課題部分內容的研究還很初步，所提出的分析方法和結論有待于日后進一步的完善和發(fā)展，許多內容還需要進一步的研究，主要包括:，從而可以按照“渦輪一壓氣機一柴油機一渦輪”系統(tǒng)地分析環(huán)境溫度給柴油機運行帶來的問題。，對于船舶柴油機在變負荷下的影響，有待于進一步研究。、最有發(fā)展前途的調速方式，但其安全有效性值得商榷。參考文獻1. 陸家樣 《柴油機渦輪增壓技術》，機械工業(yè)出版社，1999年1月p402. 李幼鵬 《柴油機原理》，大連理工出版社，1994年3月3. 曹孝瑾 《渦輪增壓器與柴油機的匹配》，國防工業(yè)出版社，1984年l月P26324. 朱訪君 吳堅 《內燃機工作過程數值計算及其優(yōu)化》，國防工業(yè)出版社，1997年p1461515. 朱梅林 《渦輪增壓器原理》，國防工業(yè)出版社，1982年6. 唐開元 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