Монтаж выхлопной системы генераторной установки: полное руководство по проектированию, расчету размеров и соблюдению нормативных требований.

Для установки выхлопной системы генераторной установки необходимы трубы соответствующего размера, ограниченное противодавление, гибкие соединения на двигателе и соответствующие нормам соединения, чтобы предотвратить повреждение двигателя и обеспечить безопасную эксплуатацию. Стандарт NFPA 110 предписывает использование гибких соединителей, независимых опор для труб, конденсатоотводчиков и соблюдение противодавления в пределах, установленных производителем.

Что если установленная вами на прошлой неделе выхлопная система незаметно разрушает двигатель, который она должна была защищать? Такое случается чаще, чем признают большинство подрядчиков. Выхлопная система генератора, которая выглядит исправной снаружи, может создавать внутри противодавление, вдвое превышающее допустимый производителем предел. Результатом является повреждение турбокомпрессора, потеря мощности, образование конденсата, а в худших случаях — полный отказ двигателя во время критического отключения.

Вы уже понимаете, что правильная прокладка выхлопных труб удаляет опасные газы и снижает уровень шума. Однако именно инженерные аспекты выбора размеров труб, пределов противодавления и соответствия нормам являются причиной многих проблем при монтаже. В этом руководстве рассматриваются нормы NFPA, методы расчетов, выбор глушителей и распространенные ошибки, которые отличают надежные выхлопные системы от проблемных. Независимо от того, прокладываете ли вы выхлопную систему для коммерческого резервного энергоблока мощностью 200 кВт или для промышленного предприятия мощностью 2,000 кВт, вы найдете здесь практические рекомендации, основанные на опыте производителей.

Основные выводы

• Размеры выхлопной трубы должны соответствовать фактическому потоку горячих газов (в 2.5-3 раза больше объема окружающей среды), при этом скорость потока должна быть ниже 12 000 футов в минуту.
• Общее противодавление в системе должно оставаться ниже 90% от предела, установленного производителем двигателя, обычно это 27-35 дюймов водяного столба.
• Стандарт NFPA 110 требует использования гибких вытяжных соединителей, независимых опор, дренажных каналов для конденсата и утвержденных соединительных элементов в местах прохода горючих материалов.
• Выход из дымохода должен располагаться как минимум на 10 футов выше самой высокой точки крыши и снабжаться откидным дождевым колпаком.
• Самая дорогостоящая ошибка — это жесткая труба, установленная непосредственно на двигателе, что может привести к растрескиванию турбокомпрессоров и аннулированию гарантии.

Почему важна правильная установка выхлопной системы генераторной установки

Повреждение двигателя из-за противодавления

Для каждого дизельного двигателя существует максимально допустимое сопротивление выхлопным газам. Для большинства промышленных генераторов этот предел находится в диапазоне от 7 до 10 кПа, или примерно от 27 до 35 дюймов водяного столба. Когда общее противодавление от трубопроводов, патрубков и глушителей превышает этот предел, двигатель не может эффективно отводить выхлопные газы.

Последствия немедленны. Турбокомпрессор работает с повышенным сопротивлением, ускоряя износ подшипников и увеличивая риск выхода из строя сальников. Двигатель не может достичь номинальной мощности, поскольку запертые горячие газы уменьшают массу свежего воздуха, поступающего в цилиндры. Неполное сгорание приводит к образованию нагара в выпускных каналах и турбокомпрессоре, это явление называется «влажным накоплением». Длительное высокое противодавление может привести к растрескиванию выпускных коллекторов, повреждению прокладок головки блока цилиндров и проблемам с клапанным механизмом. Все это аннулирует гарантию на двигатель.

Цена неправильного решения

Модификации выхлопной системы после установки являются одними из самых дорогостоящих работ при вводе генератора в эксплуатацию. В отличие от проблем с электрикой или вентиляцией, проблемы с выхлопной системой часто требуют вскрытия стен, полов или крыш для замены труб недостаточного диаметра. Стоимость многократно возрастает, если генератор находится в жилом здании, где необходимо свести к минимуму неудобства.

В 2022 году подрядчик, занимавшийся строительством больницы в Дубае, установил жесткую 8-дюймовую трубу напрямую от турбокомпрессора генератора мощностью 750 кВт к расположенному на крыше глушителю, находящемуся в 40 футах от него. Вес трубы и тепловое расширение привели к растрескиванию корпуса турбокомпрессора во время первого четырехчасового испытания под нагрузкой. Ремонт обошелся в 18 000 долларов плюс трехнедельная задержка доставки запчастей из Европы. Решение оказалось простым: гибкий соединитель из нержавеющей стали в пределах 3 футов от двигателя и отдельные опоры для труб каждые 8 ​​футов. Урок обошелся гораздо дороже, чем ремонт.

Требования к выхлопной системе согласно стандарту NFPA 110

Установка генераторов внутри помещений должна соответствовать главе 7 стандарта NFPA 110, которая содержит конкретные требования к установке вытяжной системы аварийного электроснабжения.

Гибкие возможности подключения и независимая поддержка.

В соответствии с разделом 7.10.3 стандарта NFPA 110, выхлопные трубы должны соединяться с двигателем с помощью гибкого соединителя. Раздел 7.10.3 также предписывает, что все трубы после гибкого участка должны иметь независимую опору. Не допускается воздействие повреждающей нагрузки или напряжения на выпускной коллектор или турбокомпрессор.

Это не рекомендация, а требование строительных норм. Гибкий соединитель изолирует вибрацию двигателя от конструкции здания. Независимые опоры несут вес трубы, глушителя и изоляции. Вместе они защищают самый дорогой и самый хрупкий компонент выхлопной системы двигателя: турбокомпрессор.

Управление конденсатом

В соответствии с разделом 7.10.3.1 требуется установка конденсатоотводчика и сливного клапана в нижних точках трубопровода, если только он не является самодренажным. Выхлопные газы дизельных двигателей содержат водяной пар, который конденсируется при охлаждении. Этот конденсат имеет кислую реакцию и, если его не остановить, вызовет коррозию труб из углеродистой стали изнутри.

Размещение глушителя

В разделе 7.10.3.3 указано, что глушители должны располагаться как можно ближе к двигателю, по возможности в горизонтальном положении. Чем ближе глушитель к двигателю, тем короче участок выхлопной трубы без глушителя и тем лучше шумоподавление.

Проходы через стены и крышу

Раздел 7.10.3.4 требует использования утвержденного переходника в местах прохождения вытяжных труб через горючие стены или перегородки. Раздел 7.10.3.7 требует, чтобы при проектировании учитывалась необходимость изоляции вытяжной системы внутри зданий после гибкого участка. Неизолированная вытяжная труба, проходящая через жилые помещения, создает как опасность ожогов, так и чрезмерную тепловую нагрузку.

Устранение противодавления

Разделы 7.10.4 и 7.10.5 имеют решающее значение: выхлопная система должна быть спроектирована таким образом, чтобы исключить чрезмерное противодавление на двигатель за счет правильного выбора, прокладки и установки труб нужного диаметра, соединений и глушителя. В разделе 7.10.5.1 добавлено, что выхлопные системы должны быть установлены таким образом, чтобы обеспечить удовлетворительную работу и соответствовать требованиям производителя.

Требования прекращения

В разделе 7.10.3.5 требуется, чтобы трубопровод заканчивался дождезащитным колпаком, тройником, отводом, направленным по ветру, или вертикальной трубой с приспособлениями для отвода дождевой и снеговой воды. Завершение трубопровода должно предотвращать попадание воды, обеспечивая при этом отвод выхлопных газов вверх.

При планировании всей установки помните, что конструкция выхлопной системы неразрывно связана с... требования к вентиляции генераторной установкиВытяжная и вентиляционная системы должны быть согласованы, чтобы предотвратить рециркуляцию отработанных газов во всасываемый воздух.

Размеры и скорость потока выхлопных газов

Целевые значения скорости

Правильный диаметр выхлопной трубы позволяет сбалансировать противодавление с затратами на установку и ограничениями по пространству. В следующей таблице приведены рекомендуемые скорости в зависимости от типа применения.

Температурная коррекция

Выхлопные газы дизельного двигателя выходят при температуре от 800 до 1,200 градусов по Фаренгейту. При таких температурах объем выхлопных газов в 2.5–3 раза больше, чем при температуре окружающей среды. Размер трубы необходимо определять, исходя из фактического расхода выхлопных газов при рабочей температуре, а не при стандартных условиях. Труба, достаточная для окружающего воздушного потока, будет значительно меньше по размеру для горячих выхлопных газов.

Расчет размеров трубопроводов в зависимости от мощности генератора в кВт

В приведенной ниже таблице представлен краткий справочник по выбору диаметра выхлопной трубы в зависимости от класса генератора. Эти значения рассчитаны с учетом типичных температур выхлопных газов дизельных двигателей и стандартного расположения глушителя.

Для генераторной установки мощностью 500 кВт, производящей примерно 8,000 кубических футов в минуту горячих выхлопных газов, труба диаметром 12 дюймов обеспечивает скорость потока около 10 000 футов в минуту. Увеличение диаметра трубы до 14 дюймов снижает скорость потока примерно до 7,500 футов в минуту и ​​уменьшает падение давления примерно на 40%. Небольшое увеличение стоимости материала почти всегда оправдывает снижение противодавления и шума.

Расчет противодавления выхлопных газов: полный метод.

Инженерная формула

Единственный надежный способ убедиться в адекватности вашей выхлопной системы — рассчитать общее противодавление в системе. Формула для расчета потерь на трение в трубопроводе выглядит следующим образом:

P = (22 x L x Q^2) / (D^5 x (460 + T))

Где:

• P Падение давления измеряется в дюймах водяного столба.
• L общая эквивалентная длина прямой трубы в футах
• Q Расход отработавших газов в CFM
• D внутренний диаметр трубы в дюймах
• T Температура выхлопных газов в градусах Фаренгейта

Вот примерный расчет для типичной установки:

Дизель-генератор мощностью 500 кВт производит 8,000 кубических футов в минуту выхлопных газов при температуре 950°F. Выхлопная система включает в себя 50 футов прямой трубы диаметром 12 дюймов, два 90-градусных отвода с большим радиусом, один 45-градусный отвод и глушитель критического класса. Производитель двигателя указывает максимальное противодавление 30 дюймов H2O.

Шаг 1: Рассчитайте эквивалентную длину трубы.

Шаг 2: Рассчитайте противодавление в трубопроводе.

P = (22 x 54.6 x 8,000²) / (12⁵ x (460 + 950))
P = (22 x 54.6 x 64 000 000) / (248 832 x 1 410)
Р = 76,838,400,000 / 350,853,120
P = 21.9 в H2O

Шаг 3: Создайте противодавление в глушителе.

Глушитель критического класса, рассчитанный на 8,000 CFM, обычно добавляет от 8 до 12 дюймов водяного столба. Используя 10 дюймов водяного столба в качестве консервативной оценки:

Общее противодавление = 21.9 + 10.0 = 31.9 дюйма Н2О

Шаг 4: Сравните с пределом возможностей двигателя.

Допустимое отклонение давления в двигателе составляет 30 дюймов водяного столба. Расчетное значение в 31.9 дюймов водяного столба превышает этот предел. Решение заключается в увеличении диаметра трубы до 14 дюймов или выборе глушителя с меньшим противодавлением. При использовании 14-дюймовой трубы противодавление в трубопроводе снижается примерно до 9.8 дюймов водяного столба, что дает общее значение 19.8 дюймов водяного столба, что находится в пределах целевого показателя запаса прочности в 27 дюймов водяного столба (90%).

Пределы противодавления двигателя

Большинство производителей дизельных двигателей указывают максимальное противодавление в диапазоне от 27 до 35 дюймов водяного столба. При проектировании всегда учитывайте значение менее 90% от установленного производителем предела, чтобы компенсировать загрязнение, накопление сажи и производственные допуски. Технический паспорт двигателя является единственным авторитетным источником информации об этом значении.

Выбор и установка глушителя

Типы глушителей и степень затухания

Глушители снижают шум выхлопных газов, но создают противодавление. При выборе необходимо найти баланс между снижением шума и имеющимся запасом давления.

Размеры глушителей должны соответствовать фактическому потоку и температуре выхлопных газов, а не только диаметру трубы. Никогда не превышайте расчетную скорость потока глушителя: 9,000 футов в минуту для ответственных марок, максимум 12,000 футов в минуту для стандартных марок.

Правила размещения

Установите глушитель первой ступени как можно ближе к двигателю, в идеале на расстоянии от 10 до 20 метров. Для предотвращения передачи вибрации закрепите глушитель к конструкции здания, а не к выхлопной трубе. Если трубопровод жесткий, предусмотрите гибкий участок на входе и выходе глушителя.

Если вы устанавливаете оборудование в условиях, чувствительных к шуму, например, в больнице или жилом районе, то установка генераторной установки внутри или снаружи помещения Принятие решения становится еще более важным. Наружные установки с правильно подобранными глушителями часто обеспечивают более низкий уровень шума, чем внутренние установки с разветвленной системой воздуховодов.

Рекомендации по установке

Тепловое расширение

Стальная выхлопная труба расширяется примерно на 0.64 дюйма на каждые 10 футов длины при температуре 900 градусов по Фаренгейту. Вертикальная труба длиной 30 футов увеличивается почти на 2 дюйма, когда генератор достигает рабочей температуры. Без компенсации этого расширения труба будет создавать нагрузку на турбокомпрессор, вызывать трещины в сварных швах или повреждать проходы через здания.

Установите гибкие соединители из нержавеющей стали или сильфоны рядом с выходным отверстием двигателя и в местах соединения с глушителем. Используйте пружинные подвесы или скользящие опоры, обеспечивающие осевое перемещение. Никогда не закрепляйте жесткие трубы с обоих концов.

Прокладка трубопроводов и дренаж

Сведите к минимуму изгибы. Используйте колена с большим радиусом, равным не менее 1.5 диаметра трубы, вместо резких поворотов на 90 градусов. Поддерживайте минимальный уклон в 3 градуса вниз от двигателя для отвода конденсата. Установите сливные краны во всех нижних точках и на вертикальных поворотах.

Зазор и изоляция

Обеспечьте зазор не менее 1.5 диаметра трубы от горючих материалов. Используйте двухслойные изолированные сквозные отверстия для проходов через крышу и стены. Обмотайте внутренние трубы 50-миллиметровой теплоизоляцией высокой плотности и алюминиевой внешней оболочкой, чтобы уменьшить тепловое излучение и защитить персонал от ожогов.

Выбор материала трубы

Для большинства промышленных применений достаточно углеродистой стали с надлежащим отводом конденсата. Для прибрежных или морских установок стоит переплатить за нержавеющую сталь марок 304 или 316, чтобы предотвратить внутреннюю коррозию.

Завершение и высота стека

Минимальная высота штабелирования

Согласно общепринятой инженерной практике, вытяжная труба должна располагаться на высоте не менее 10 футов над самой высокой точкой крыши. Это предотвращает застревание выхлопных газов в зоне залегания здания или в воздушной полости, что может привести к попаданию загрязняющих веществ обратно в воздухозаборники. Для сложных зданий или участков с несколькими сооружениями следует использовать формулу высоты вытяжной трубы, разработанную в соответствии с передовой инженерной практикой (GEP): H + 1.5L, где H — высота здания, а L — меньшее из двух значений: высота или ширина здания.

Требования к скорости выхода

Стандарт ANSI/AIHA Z9.5-2011 устанавливает минимальную скорость выхлопных газов на выходе 3,000 футов в минуту. ASHRAE рекомендует от 2,000 до 3,000 футов в минуту для обычных выхлопных газов. Для дизельных генераторов рекомендуется более высокая минимальная скорость 35 м/с (приблизительно 6,900 футов в минуту) для предотвращения выпадения сажи и обратного потока воздуха. Скорость выхлопных газов должна быть как минимум в 1.5 раза выше местной расчетной скорости ветра на высоте дымовой трубы, чтобы избежать нисходящего потока воздуха на вершину трубы.

Выбор дождевиков

Не все дождевые колпаки одинаковы. Неправильный колпак может создавать обратное давление, вызывать нисходящий поток воздуха и направлять выхлопные газы горизонтально в воздухозаборники.

Если местные нормы или стандарты требуют установки дождевого колпака, следует выбрать колпак с откидной крышкой, открывающийся как минимум на 45 градусов во время работы. Использование колпаков с неподвижной крышкой, особенно в виде перевернутых конусов, не рекомендуется или запрещено многими промышленными стандартами, поскольку они препятствуют рассеиванию влаги и увеличивают противодавление.

Прекращение приема вне приемных отделений

Расположите выходное отверстие выхлопной системы подальше от воздухозаборников здания, открывающихся окон и пешеходных зон. Обычно рекомендуется минимальное горизонтальное расстояние в 10 футов от любого воздухозаборника. Следует учитывать преобладающее направление ветра: выхлопной шлейф должен быть направлен в сторону от воздухозаборных отверстий, а не к ним.

Многие из этих ошибок, связанных с зазорами и размещением, фигурируют в нашем списке. Распространенные ошибки при установке генераторных установокСовместное изучение обоих руководств поможет избежать превращения мелких ошибок в серьезные проблемы.

Распространенные ошибки при установке выхлопной системы генератора

Даже опытные подрядчики допускают ошибки. Вот самые дорогостоящие ошибки, которые мы наблюдаем на практике:

1. Жесткая труба, установленная непосредственно на двигателе. Подключение жестких трубопроводов к турбокомпрессору без гибкого соединителя создает дополнительную нагрузку и напряжение на коллектор. Это основная причина трещин в турбокомпрессорах и гарантийных споров.
2. Трубы имеют недостаточный диаметр для данной протяженности. Использование труб, рассчитанных на окружающий поток воздуха, а не на объем горячих выхлопных газов, создает противодавление, вдвое или втрое превышающее предельный уровень для двигателя. Двигатель не может достичь номинальной мощности и немедленно начинает накапливать топливо.
3. Отсутствие конденсатоотводчиков в низинах. Без дренажных систем внутри трубы скапливается кислый конденсат, который вызывает коррозию углеродистой стали изнутри. Первым признаком часто является микроскопическая утечка, из-за которой во время плановой проверки помещение заполняется выхлопными газами.
4. Устранена проблема с перевернутым конусообразным дождевым колпаком, вызывающим смыв дождевой воды вниз. Эти колпачки отклоняют выхлопные газы в горизонтальное положение, уменьшают подъем дымового шлейфа и могут направлять выхлопные газы непосредственно во впускные отверстия систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха при определенных ветровых условиях.
5. Выпускной патрубок расположен слишком близко к воздухозаборникам системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Даже правильно подобранная вытяжная система становится опасной, если точка её выхода допускает рециркуляцию воздуха в систему вентиляции здания.
6. Недостаточная поддержка труб приводит к провисанию и напряжению. Неподдерживаемые длинные пролеты приводят к провисанию, в результате чего скапливается конденсат и возникает изгибающее напряжение в месте соединения с двигателем.
7. Неподходящий для окружающей среды материал. Углеродистая сталь в прибрежной или морской среде быстро подвергается коррозии из-за конденсата, насыщенного солью. Труба может выглядеть исправной снаружи, но при этом разрушаться изнутри.

В 2021 году в центре обработки данных на Филиппинах установили 10-дюймовую трубу для генератора мощностью 1,000 кВт с 60-футовым участком и тремя отводами. Подрядчик использовал значения расхода окружающего воздуха в кубических футах в минуту (CFM) вместо объема горячих выхлопных газов. Во время первого испытания на полную нагрузку измеренное противодавление составило 42 дюйма водяного столба при предельном значении 30 дюймов водяного столба. Двигатель не смог достичь полной нагрузки и показал видимое образование конденсата. Замена трубы на трубу диаметром 14 дюймов и установка более низкого глушителя противодавления снизили противодавление до 22 дюймов водяного столба. Стоимость ремонта составила 12 000 долларов США за материалы и работу, плюс двухнедельная задержка ввода в эксплуатацию.

Выхлопные системы для специальных конфигураций

Параллельное подключение нескольких устройств

При параллельной работе нескольких генераторов каждому агрегату требуется собственная выхлопная система. Подключение нескольких двигателей к общему выпускному коллектору практически никогда не рекомендуется. Выхлопные импульсы от одного двигателя могут создавать импульсы противодавления в другом, вызывая неравномерную нагрузку и потенциальное повреждение турбокомпрессора. Индивидуальные выхлопные трубы с достаточным расстоянием между ними предотвращают попадание выхлопных газов одного агрегата во впускной коллектор другого.

Контейнерные генераторные установки

Контейнерные генераторные установки имеют встроенную систему отвода выхлопных газов, что ограничивает возможности модификации. Стенки контейнера ограничивают диаметр труб и радиус изгиба колена. Часто требуются внешние удлинители дымовой трубы для достижения достаточной высоты вывода выхлопных газов. Компактное пространство также ограничивает размер глушителя, что может потребовать использования более качественного глушителя для достижения целевых показателей шума в меньшем корпусе.

Морские установки

Судовые выхлопные системы принципиально отличаются от наземных установок. В системах с мокрым выхлопом в поток выхлопных газов после глушителя впрыскивается неочищенная вода, охлаждающая газы и позволяющая использовать трубы меньшего диаметра. Системы с сухим выхлопом требуют тех же параметров расчета и регулирования противодавления, что и наземные установки, но должны учитывать качку судна, проемы в корпусе и особенности ватерлинии.

При планировании любой специальной конфигурации необходимо согласовать конструкцию выхлопной системы с... Электрическое соединение генераторной установки компоновка. Кабельные лотки и трубопроводы вблизи горячих выхлопных труб требуют достаточного зазора и теплозащиты.

Заключение

Монтаж выхлопной системы генераторной установки — это то, на чём нельзя экономить. Пять важнейших элементов: точный подбор диаметра труб для потока горячих выхлопных газов, расчет общего противодавления с запасом прочности, гибкие соединители и независимые опоры в соответствии со стандартом NFPA 110, правильная высота окончания дымовой трубы и выбор защитного колпака от дождя, а также отвод конденсата с помощью дренажных отверстий во всех нижних точках.

С точки зрения производителя, вопросы выхлопной системы начинаются на заводе. Генераторные установки Shandong Huali могут быть оснащены заводскими выхлопными патрубками, конфигурациями турбокомпрессоров, оптимизированными для длины вашей линии электропередачи, а также готовыми к установке выхлопной системы комплектами на салазках, что упрощает монтаж на месте.

После установки проверьте фактическое противодавление с помощью манометра при полной нагрузке, прежде чем принимать систему. Если вам нужна помощь в выборе генератора с правильной конфигурацией выхлопной системы для вашего проекта, свяжитесь с нашей инженерной командой.