关键词: 机油
冷却系统试验平台(精选四篇)
冷却系统试验平台 篇1
发动机机械驱动式冷却系统的水泵和风扇由发动机轴带驱动,无法根据发动机的热负荷状态主动提供所需的冷却强度,是一种被动的、结构简单的冷却系统。随着电子控制技术在发动机上的应用,电控冷却系统成为发动机冷却系统的发展方向[1,2]。目前大部分汽车发动机冷却系统配备电控硅油离合器风扇,冷却液温度高,风扇转速也高,反之亦然;但当发动机在较大热负荷状态下停机时,由于此时冷却液温度仍较高,风扇在直流电机驱动下继续运转,而水泵已经停止运转,只能利用发动机冷却液的对流传热方式进行冷却,冷却效果并不理想。因此,设计合理的电控冷却系统型式和与之相配套的控制策略有助于提高冷却系统的性能。
1 电控冷却系统设计及建模
1.1 电控冷却系统型式设计
目前常见的电控冷却系统型式有电控水泵、电控风扇、电控节温器或这几个电控元件的组合[3,4,5]。从控制的角度而言,可以通过调节流入散热器的热量或调节散热器空气带走的热量2种途径来控制发动机冷却液温度。前者通过电控水泵或电控节温器均可实现,后者可通过电控风扇来实现。电控节温器大多采用电控阀门来代替,节流损失较大;如果取消节温器和小循环,发动机冷却系统只存在大循环通路,引入电控水泵后,通过调节电控水泵转速即可调节进入散热器的水量,节温器的作用几乎都可以通过电控水泵来完成。风扇是冷却系统最主要的能耗部件,在高速运行时约占发动机输出功率的10%;运用电子控制技术按冷却量来调节风扇转速有利于降低冷却系统的能耗。
本文提出取消节温器和小循环,水泵、风扇分别电控化的新型电控冷却系统型式。由于整车的中冷器与散热器存在风量耦合关系,除非将两者解耦单独控制,否则无法达到同时控制的目的,所以本文讨论的电控冷却系统不涉及中冷器控制,也不考虑中冷器的冷却效果。
1.2 电控冷却系统数学模型的建立
根据电控冷却系统的结构,采用集总参数法将发动机、散热器抽象为质点,不考虑发动机和散热器内部的热流传递细节[6]。用Te表示发动机质点温度,Tr表示散热器质点温度,建立冷却系统的数学模型如式(1)所示[7]。
undefined
式中,Ce、Cr分别为发动机和散热器的热容;Qin为燃料燃烧传递给冷却液的热流量;Gp为冷却液的质量流量;cpc为冷却液的比热容;ε为散热器的效能;cpa为空气的比热容;Gf为空气的质量流量;T∞为散热器冷侧进口温度。
1.3 电控冷却系统试验装置设计
1.3.1 总体介绍
将冷却水泵、冷却风扇与发动机的传动连接脱开,风扇、水泵直接由电机驱动,电机的转速由2台变频器控制,拆除节温器,取消小循环,根据发动机冷却系统各测点温度,按相应的控制策略计算控制量,通过变频器控制电机转速从而使冷却系统可控。试验对象为某天然气发动机,主要技术参数如表1所示。
1.3.2 风扇、水泵电控化改造
发动机原内置水泵安装处无法直接改装成由电机驱动,只能将原水泵叶轮拆下,以减小水路阻力,壳体保留作为水管通道;选用与发动机原内置水泵性能参数相近的水泵;用软管从大循环水路中接入。风扇直接由电机驱动,电机选变频电机。
1.3.3 传感器及安装方式
温度测量采用WZP-025M型热电阻。发动机冷却液进、出口温度传感器分别安装在发动机与散热器之间的大循环管路上。由于中冷器和散热器均属于叉流换热器,冷侧流体(空气)经过中冷器和散热器后形成温度场。电控冷却系统建模时将散热器抽象为质点,因此需要确定散热器质点冷侧流体入口和出口温度。根据中冷器和散热器的结构,取中冷器后均分左右两侧中线处3个测温点的平均温度作为冷侧流体中冷器出口温度,即散热器冷侧入口温度;取散热器后均分上下两侧中线处3个测温点的平均温度作为冷侧流体散热器出口温度。
1.3.4 冷却系统配置
除冷却水泵和电机设备外,冷却系统元件为该车型原配,其中散热器的主要技术参数如表2所示。
2 非线性控制器设计及试验
2.1 非线性控制器设计及仿真
根据发动机的冷却过程,在发动机正常工作时,为保证发动机的正常散热,总有Te>Tr>T∞。按反馈线性化理论,控制规律按式(2)设计。
undefined
式中,Ted为发动机节点控制目标;Trd为散热器节点控制目标;K1、K2为调节系数。
仿真时长设定为800 s,发动机传热量开始时设定为50 kW,分别在200、400、600 s跳变为80、60、75 kW,以模拟发动机变工况运行情况。设散热器冷侧空气进口温度为30℃,发动机和散热器的初始温度分别设定为75℃和65℃。Ted=80+2sin (0.01t),Trd=70+3cos (0.03t),K1、K2均取0.8,仿真步长设定为0.1。
非线性控制的仿真结果如图1所示。在开始的一小段时间里,由于发动机节点与散热器节点的初始温度比目标温度低得多,此时冷却系统的水量和风量均为零。对于发动机节点,靠发动机燃烧的热量加热使节点温度趋向目标值;对于散热器节点,当发动机温度逼近目标温度时,水泵开始工作,将热量带到散热器节点,加热散热器使其温度趋向目标温度。在温度上升的这段时间里,冷却系统停止冷却,此时系统的跟随性能完全取决于发动机传热量的大小。随后,控制系统体现出良好的跟随性能,为跟随系统随时间变化的控制目标,Gp和Gf也及时作出调整,正常控制跟踪后系统的输出偏差小于0.5。在传热量出现跳变的200、400、600 s时刻,控制器输出的冷却液质量流量与空气质量流量也出现跳变以满足控制目标。
2.2 试验结果
试验时将冷却液质量流量下限设定为1.2 kg/s。稳定发动机在1 000 r/min、60%负荷工况,试验时环境温度为15℃。控制过程目标温度和实际温度变化过程如图2所示。相应的控制器输出空气、冷却液质量流量曲线如图3所示。
设定目标温度Ted为90℃、Trd为75℃时,发动机冷却液进口和出口温度均能稳定在目标值附近,但有小幅振荡,与控制目标的偏差均小于3℃。由于Te与Tr温差较大,而传热量相对较低,冷却液质量流量基本处于流量下限,空气质量流量出现与发动机冷却液进出口温度相同形式的振荡。当控制目标变化到Ted为85℃、Trd为70℃时,控制器检测到当前温度比目标温度高,为达到冷却降温的作用,控制器输出的冷却液与空气质量流量迅速增大。随着Te、Tr逐渐趋向目标值,冷却液与空气质量流量慢慢稳定。从降温过程曲线来看,两节点的非线性控制策略对冷却液发动机出口温度的控制比较有效;对冷却液发动机进口温度的控制并不理想,降温响应时间太长,控制精度不高,稳态偏差较大。
3 模糊控制器设计及试验
3.1 基本模糊控制器设计
对于发动机而言,主要目标是按最佳冷却液温度MAP控制发动机冷却液出口温度,以提高发动机的综合性能[8]。模糊控制器的输入语言变量选择实际温度与给定温度的偏差E(E=Ted-Te)及其变化率EC,在固定冷却液流量(空气流量)时,输出语言变量选择为空气流量(冷却液流量)。
设定温度偏差E、温度偏差变化率EC和输出U的论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。为语言变量选取7个语言值:PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB,均采用等距划分、三角波型隶属函数。根据估算和初步试验,确定控制规则如表3所示,采用重心法进行解模糊。
3.2 变论域模糊控制器设计
变论域模糊控制思想是在论域上模糊划分不变的前提下,论域随着偏差的变小而压缩,也随偏差的变大而膨胀,将专家经验知识的初始规则衍生为新的规则,相当于增加了规则数,从而提高控制精度[9]。可变论域通过伸缩因子来实现,二维控制器伸缩因子一般定义为
undefined
式中,t1=t2=0.7,初始论域划分及模糊控制规则与基本模糊控制器相同。
3.3 试验结果
3.3.1 基本模糊控制试验
稳定发动机在1 100 r/min、60%负荷工况,设定冷却液质量流量为3 kg/s,通过模糊控制器调节空气流量使冷却液发动机出口温度趋向目标值。控制过程温度变化曲线及控制器输出空气和冷却液流量曲线如图4和图5所示。
当设定目标温度增大时,目标温度比实际温度高,控制器降低控制风扇转速的变频器输出频率,空气流量开始减小,使冷却液发动机出口温度Te逐渐升高到目标值Ted;反之亦然。空气流量的变化首先引起散热器换热量的变化,冷却液散热器出口温度Tr开始变化,因为变频器和电动机等执行机构的延时及系统热容的影响,Tr的变化要稍滞后于Ted,在冷却液的循环作用下,Te才开始发生变化;随后,由于Te趋向于Ted变化,偏差与偏差的变化率发生变化,模糊控制器调节空气流量,使Te逼近Ted;最后,Te在Ted附近稳定或形成小幅振荡,此时,Tr和空气流量也在某个值附近振荡或慢慢稳定下来。控制过渡过程结束后系统输出偏差小于2℃。
另外,固定空气流量、调节冷却液流量控制试验过程发现,不宜通过冷却液流量来进行较大的温度调节。从水泵的角度而言,冷却液的调节范围有限,而且容易受最低水套压力的限制;从散热器的角度而言,冷却液的流量主要改变热侧的表面对流换热系数,其调节能力有限。
3.3.2 变论域模糊控制试验
设定冷却液质量流量为2 kg/s,通过变论域模糊控制器调节空气流量使发动机冷却液出口温度趋向目标值。控制过程温度变化曲线及控制器输出空气和冷却液曲线分别如图6和图7所示。控制过程温度变化趋势与固定冷却液流量的基本模糊控制类似,都是首先Ted变化,然后Tr开始变化,最后到Te变化,之后慢慢趋向于目标值,整个控制过程几乎没有超调,过渡得非常平滑。从控制器输出空气和冷却液流量曲线可以看出,控制动作非常细腻。与基本模糊控制相比,变论域模糊控制效果更好,稳态偏差小于1.1。
模糊控制技术在试验中体现了较好的控制效果,能较好地控制冷却液发动机出口温度,满足控制目标。从模糊控制试验中可知,在一定的传热量条件下,冷却液发动机进出口温差在系统稳定时几乎保持不变,如果事先获得该工况精确的传热量,由此通过设定适合的冷却液质量流量,可间接地控制冷却液发动机进口温度。
根据试验结果,3种控制策略的控制性能综合比较如表4所示。由表4可见:变论域模糊控制综合性能最好。
4 结论
(1) 提出了取消节温器,水泵、风扇分别电控化的新型电控冷却系统型式,搭建电控冷却系统试验装置进行试验。试验结果表明该型电控冷却系统能够用于控制发动机冷却液温度。
(2) 由于冷却系统数学模型的非线性,运用反馈线性化方法设计非线性控制器,仿真结果体现非线性控制器具有良好的跟随性能。但由于受模型简 化处理的影响及控制策略要求精确的传热量和较小的系统执行机构延时,导致控制效果不够理想。但这种控制思想可为其他领域的应用提供参考。
(3) 模糊控制试验结果表明:基本模糊控制和变论域模糊控制策略均能有效地控制冷却液出口温度。综合比较非线性控制、基本模糊控制和变论域模糊控制的控制效果得知,变论域模糊控制最适合用于发动机冷却液温度控制。
参考文献
[1]Chanfreau M,Gessier B.The need for an electrical water valvein a thermal manage-ment intelligent system(THEMISTM)[C]//SAE 2003-01-0274,2003.
[2]Chalgren R,Allen D.Light duty diesel advanced thermal manage-ment[C]//SAE 2005-01-2020,2005.
[3]Wagner J R,Srinivasan V,Dawson D.Smart thermostat andcoolant pump control for engine thermal management systems[C]//SAE 2003-01-0272,2003.
[4]Setlur P,Wagner J R,Dawson D M,et al.An advanced enginethermal management system:nonlinear control and test[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2005,10(2):210-220.
[5]Salah M H,Mitchell T H,Wagner J R,et al.Nonlinear-controlstrategy for advanced vehicle thermal management systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2008,57(1):127-137.
[6]刘毅,周大森,张红光.车用内燃机冷却系统动态传热模型[J].内燃机工程,2007,28(6):49-51.Liu Y,Zhou D S,Zhang H G.A dynamic simulation model forcooling system of vehicle internal combustion engine[J].Chi-nese Internal Combustion Engine Engineering,2007,28(6):49-51.
[7]邓义斌,黄荣华,王兆文,等.发动机电控冷却系统建模设计与优化[J].农业机械学报,2011,42(1):31-34,38.Deng Y B,Huang R H,Wang Z W,et al.Modeling for elec-tronic-control cooling system in engine and its optimization[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(1):31-34,38.
[8]邓义斌,黄荣华,王兆文,等.冷却液温度对天然气发动机性能影响试验[J].农业机械学报,2011,42(3):11-14,25.Deng Y B,Huang R H,Wang Z W,et al.Coolant temperatureeffect on LNG engine[J].Transactions of the Chinese Societyfor Agricultural Machinery,2011,42(3):11-14,25.
内燃机台架试验冷却系统的设计 篇2
现代内燃机朝着高功率密度的方向发展, 功率和转速不断增加, 发热量也不断增大, 冷却系统需要带走的热量也不断增加, 这对内燃机冷却和润滑系统可靠性的要求也越来越高, 影响内燃机可靠性的主要因素之一就是机油温度。机油温度过低, 则机油的粘度太大, 不但启动困难, 而且使摩擦功增大, 降低内燃机效率, 同时滤清阻力增大, 滤清效果变坏, 增大机油泵功率消耗。机油温度过高, 将使机油粘度下降太多, 以致不能保证轴承等摩擦副所需的正常油膜厚度, 破坏正常的润滑和承载能力, 加速机油氧化变质, 压力降低, 易造成拉缸、烧轴瓦等故障[1]。实验室台架试验的内燃机功率一般超过200 k W。其在进行台架试验时, 在启动时, 机油温度过低, 暖机时间较长, 尤其是在北方的冬季, 周围环境温度较低的情况下。经过长时间大负荷试验, 内燃机易出现过热的现象, 尤其是在夏季周围环境温度较高的情况下。这将造成内燃机使用寿命降低和测量数据不精确的问题。通过研究发现, 内燃机在启动时, 机油温度和冷却液温度较低, 在冬季环境温度较低的情况下, 内燃机的热量流失严重, 致使暖机时间长。在进行性能试验时, 内燃机的冷却风扇被拆除, 加上冷却管路老化等因素, 使内燃机冷却效果不好。
内燃机台架冷却系统的主要任务是保证内燃机在最适宜的温度状态下工作。但是由于长时间多工况试验, 内燃机的机油温度和水温升高较快。当温度超过最佳温度范围时, 就会影响内燃机使用寿命和各参数的测量精度。现有台架冷却系统并不能满足内燃机冷却需求, 为了保证内燃机正常工作, 控制机油和冷却水温度, 对台架冷却系统进行重新设计, 其主要包括机油恒温系统和冷却水温恒温系统。这两个系统各自独立, 通过各自的阀门、传感器和控制仪进行控制, 完成机油和冷却水温度的控制。
1 机油恒温系统
在内燃机进行台架试验时, 为了保证活塞环-缸套等摩擦副的正常工作, 必须控制机油的温度, 使其在80~90℃ 范围内。
在传统实验室中, 内燃机在启动时, 机油温度都是处于室温, 而北方的冬季周围环境一般温度较低, 机油温度也较低, 机油粘度较大, 启动困难, 且暖机时间长, 导致零件磨损加剧, 排放恶化等。所以, 我们在内燃机的油底壳加装一个加热器, 在内燃机启动之前, 先对机油进行加热的方式来解决。
内燃机长时间运行后, 当机油温度升高到一定值时, 传统的冷却方式是在内燃机油底壳上进行喷淋式冷却[2]。但是, 现代内燃机的功率不断增大, 内燃机产生的废热密度也不断增加, 紧靠对油底壳喷淋式冷却和零部件的自然散热, 已经满足不了试验的冷却需求。因此, 我们将机油外接, 进行强制冷却。为了将机油温度控制在最佳温度范围内, 我们设计了一套机油恒温系统, 其工作原理见图1。
其工作原理如下:内燃机在进行台架试验时, 将机油恒温系统串接入内燃机机油管路中, 在管路和热交换器内充满机油。在内燃机启动之前, 打开加热器对机油进行加热, 待机油温度达到90℃ 时将其关闭, 然后再启动内燃机。机油通过热交换器循环, 当机油温度传感器8的温度达到温控仪的设定值时, 电动调节阀 (这里采用的是由上海巨良电磁阀制造有限公司生产的ZDLP-16C DN25型电子式电动单座调节阀) 内的伺服器根据温控仪的指令开启电动调节阀, 外部冷却水经冷却水进水管对热交换器进行强制冷却, 并根据温度的变化控制电动调节阀的开度。这样, 恒温系统通过控制进入热交换器的水量实现对机油的恒温控制。为了保证在电动调节阀失灵的情况下也能正常工作, 在管路上并联了一个手动阀11, 调节手动阀11的开度来实现对机油的恒温控制。
2 水恒温系统
内燃机在运行时, 冷却水温直接影响其主要性能参数:水温过低, 则会降低内燃机的经济性, 同时还会恶化混合气的燃烧, 增加机油粘度和摩擦损失, 加大零件的磨损。水温过高, 则内燃机冷却不好, 零部件温度升高, 机械强度降低, 同时出现热变形, 破坏零件间正常配合间隙, 引起零件强烈磨损, 甚至咬住, 以致发生零件断裂事故[3]。所以, 在进行性能试验时, 内燃机必须处于热机状态, 要求冷却水温度在80~85℃范围内。而现有的台架冷却系统满足不了冷却需求, 为了保证水温正常的温度范围, 将冷却水外接进行强制冷却, 为此设计了一套水温恒温系统, 其工作原理见图2。
其工作原理如下:内燃机在进行台架试验时, 将水恒温系统串接入内燃机冷却水管路中。内燃机启动之前, 将电磁阀7打开向膨胀水箱内注水至上液位时关闭, 然后加热器开始对冷却水加热。待温度达到85℃ 时停止加热, 此时电磁阀10打开, 开始向内燃机和热交换器内注水, 注水完成后, 启动内燃机。在实验过程中, 当温度传感器的温度达到温控仪的设定值时, 电动调节阀内的伺服器根据温控仪的指令开启电动调节阀, 外部冷却水经冷却水进水管对热交换器进行强制冷却, 并根据温度的变化控制电动调节阀的开度。由于冷却水在高温下会汽化, 所以我们在膨胀水箱上设置了一个快速放气阀。冷却水随着汽化排出, 容积减小, 因此要及时补水。为了防止膨胀水箱水位过低, 在水箱上安装液位传感器4, 当水位低于下限时, 电磁阀7和水泵就会打开, 向膨胀水箱补水至上限。为了保证在电动调节阀失灵的情况下也能正常工作, 在管路上并联了一个手动阀13, 调节手动阀13的开度来实现对冷却水的恒温控制。
3 总结
经过对内燃机台架冷却系统的重新设计, 采用油温水温恒温系统, 并在油底壳和膨胀水箱内加装加热器, 成功地解决了油温水温过高和暖机时间长的问题。但是在水温恒温系统中, 膨胀水箱上下液位传感器间的储水量要略大于内燃机和热交换器以及其管路内所需的冷却水量。这样才能保证暖机的冷却水都在85 ℃。
摘要:内燃机在进行性能试验时, 出现两种现象。一是内燃机在启动的时候, 暖机时间较长, 其原因是机油温度和冷却液的温度较低。二是内燃机经过长时间大负荷运行后, 出现内燃机过热的现象, 其原因是性能实验室现有的冷却系统已经满足不了内燃机的冷却需求。经过对冷却系统的分析和设计, 将机油和冷却水外接进行强制冷却, 实现对机油温度和水温的恒温控制, 并在油底壳和水箱加装加热器的方式, 成功地解决了暖机时间长和内燃机过热的问题。
关键词:内燃机,台架试验,冷却系统
参考文献
[1]袁兆成.内燃机设计[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[2]胡新民.发动机台架试验中冷却水与机油温度调控系统及其装置[J].车用发动机, 1994, (4) :28-32.
冷却系统试验平台 篇3
河北某热电厂为2×300 MW新建机组, 根据工程建设要求, 循环水补充水设计采用经深度处理后的中水, 拟采用的循环水处理工艺流程为:污水处理厂中水→调节水池→ (混凝、助凝、加石灰乳) 澄清池→推流沟→ (加硫酸) →变孔隙滤池→清水池→深度处理→至循环冷却水系统。因深度处理系统尚不具备条件, 因此将清水池出水作为循环冷却水补水, 即中水经石灰处理后作为循环水使用。为考察本工艺可靠性及可能出现的问题, 对本工艺进行了中试试验。
1试验内容
(1) 石灰处理试验。石灰处理试验分为2部分:①静态烧杯试验;②预处理动态模拟试验。预处理动态模拟试验系统包括第1反应室、第2反应室 (完成水和混凝剂的混合、反应) 、澄清室 (完成矾花和清水的分离) 和中间水箱 (加酸调pH) 。
第1反应室内装有搅拌器, 水和混凝剂均加入第1反应室, 根据水量调整好混凝剂剂量, 调整好搅拌速度。各种药剂分别装入下口瓶中, 按要求剂量连续稳定加入水中。处理水量根据澄清室水的上升流速计算得出, 上升流速控制以澄清室矾花层稳定, 清水出水澄清为准。同时利用澄清室与第1反应室的液位差进行回流, 由澄清室下部排污阀控制。系统采取连续运行, 通过监测澄清室出水水质情况, 调整加药量, 最终确定最佳加药量及控制参数。
(2) 循环水阻垢试验。取现场循环水补充水即石灰处理出水作为试验用水, 采用水垢测定仪进行动态筛选试验。
(3) 腐蚀试验。①旋转挂片腐蚀试验。腐蚀试验用水采用现场循环水系统的补水。根据现场运行情况和电厂的生产实际, 进行一定浓缩倍率下, 不同材质的旋转挂片腐蚀试验。②循环水系统挂片试验。鉴于循环水水质复杂, 特在循环水系统 (冷却水塔) 中挂入试片及试管实时监测循环水对管材的影响。
(4) 杀菌剂试验。
2中水的水质特点
中水回用是解决火电厂水资源短缺的有效途径, 也是电厂新扩建的重要条件。城市中水在火力发电厂中作为循环水补充水使用是一个系统工程, 它涉及中水的深度处理工艺选择、中水的氨氮处理、循环水的阻垢杀菌处理、凝汽器的选材、循环水管道的防腐工艺、工业冷却水系统冷却工艺及材料的选择、水泥构件的防腐处理以及系统的运行管理要求等内容。
本工程循环冷却水系统的补充水水源采用污水处理厂2级出水。污水处理厂的处理系统为:城市污水→总闸→粗格栅→提升泵→2级格栅→曝气沉沙池→初次沉淀池→厌氧选择池→氧化沟→2次沉淀池→直接排放。污水处理厂设计2级出水水质应该达到《污水综合排放标准》GB8978-96中的2级标准。但受多种因素影响, 污水处理厂的出水水质多变且不能达到该标准的要求。污水处理厂的实测出水离子含量见表1, 水质状况见表2。
从表1、2中可以看出, 该中水的含盐量、氯离子含量、氨氮含量、COD值、色度均高。经长期监测发现, 该中水水质情况随季节不同有一定波动, 但上述各项指标均偏高, 不能够直接回用于电厂补水, 必须进行深度处理。
3石灰处理的指标控制及效果
对于该热电厂的中水, 深度处理的目的是降低COD、氨氮、氯离子和色度。石灰处理在回用水深度处理过程中不仅具有一定的软化作用, 而且有降低水体中污染残留物和保持产品水水质稳定的较好效果[1], 处理过程包括石灰软化及混凝澄清。它在中水处理中的效果如下。
注:①单位为度。
3.1除硬降碱
石灰处理能够将水中的碳酸盐硬度即暂时硬度去除, 软化水质, 这是石灰处理最基本的作用。其工作原理是石灰以Ca (OH) 2形式与水中的Ca (HCO) 2和Mg (HCO) 2反应生成CaCO3、MgCO3甚至Mg (OH) 2沉淀, 从而降低水中的硬度和碱度。对该电厂的中水, 我们通过不断调整石灰加药量, 使出水的硬度和碱度达到最低。该电厂的石灰软化情况见表3。
随着石灰加药量的增大, 处理水的pH值也随之提高。从处理出水情况可以看出, 水中存在阴离子洗涤剂对石灰软化有一定影响, 将pH值调至10.0左右, 过剩碱度控制在0.2 mmol/L左右时, 利用石灰处理可以去除40%左右的硬度。
3.2降低出水浊度及色度
根据电厂的实际情况, 选用了聚合硫酸铁和聚丙烯酰胺作为混凝剂和助凝剂进行混凝澄清处理。在混凝澄清过程中, 石灰可与钙反应生成物为CaCO3, 它与混凝剂可形成共沉淀。由于CaCO3的密度较大, 因此经处理形成的矾花密度大、沉降快, 使水得到有效的澄清, 这比单一的混凝澄清效果要好。当pH值>11时, 石灰可与水中的镁盐形成Mg (OH) 2沉淀, 进而促进混凝效果。本试验中对单纯石灰软化与石灰软化+混凝澄清处理进行了对比, 结果发现, 对中水来说, 复合工艺比单纯石灰软化的出水浊度要好得多。
该电厂中水的浊度为5~10 NTU, 随着石灰加药量的增大, 浊度去除效果越来越好, 当pH值达到10时, 浊度的去除效果较好, 浊度去除率为40%~80%。随着pH值继续升高, 出水的安定性变差, 出水浊度受石灰的影响变小。同时随着pH值升高至11以上时, 出水色度开始下降, 当pH值达到11.5左右时, 出水色度有明显下降, 但此时出水硬度已远远大于最低值, 出水中过饱和的CaCO3析出又造成了出水浊度不断升高。因此, 仍控制石灰处理pH值在10左右, 以去除浊度为主。
3.3降低COD含量
对于该电厂, 在本试验中考察石灰处理对COD的去除情况。试验结果表明, 原水COD随季节变化较大, 冬季时COD为165~200 mg/L, 当石灰加入量控制出水pH值10左右, 过剩碱度0.2 mmol/L时, 澄清出水COD为65~79 mg/L, 中水中的COD经石灰处理后能够去除50%~60%。
3.4其他物质的去除
对于该电厂的中水, 在回用前必须尽量降低氨氮和氯离子对循环水系统的影响。因此对石灰处理去除中水中氨氮和氯离子的情况进行了试验分析。结果发现:①石灰处理对氯离子的去除没有任何效果;②原水氨氮为33~40 mg/L, 澄清出水氨氮为32~36 mg/L, 石灰处理对氨氮去除率不超过10%。
4循环水阻垢试验
取现场循环水补充水即石灰处理出水作为试验用水, 采用水垢测定仪进行动态筛选试验, 试验结果见表4。表4试验数据表明, 1号阻垢剂的极限浓缩倍率可以达到4.52, 高于2号和3号的浓缩倍率。1号的阻垢性能优于其他2种阻垢剂, 所以建议使用1号阻垢剂。
对于试验水质:2号药剂的阻垢效果最差, 极限浓缩倍率仅为3.20左右;1号阻垢效果优于3号, 但运行控制浓缩倍率建议均不应超过3.0。
5腐蚀试验
由于循环冷却水系统所接触的材质为碳钢和TP317L不锈钢, 为考察中水对系统材质的腐蚀影响进行了腐蚀试验。
5.1旋转挂片腐蚀试验
腐蚀试验用水采用现场循环水系统的补水。根据现场运行情况和电厂的生产实际, 本次试验进行了浓缩倍率为3.0, 不同材质的旋转挂片腐蚀试验。试验用水的简化分析结果见表5, 腐蚀试验结果见表6。
5.2循环水系统挂片试验
鉴于目前循环水水质复杂, 特在循环水系统 (冷却水塔) 中挂入试片及试管实时监测循环水对管材的影响。向1号冷却塔水池中同时挂入2组腐蚀挂片及挂管, 每隔 7 d取出挂片及挂管观察表面状况, 然后再放入水池中继续悬挂。悬挂30 d后取出挂片及挂管进行外观观察, 然后对挂片及挂管进行清洗处理, 置于干燥器中4 h后称重, 计算挂片及挂管的腐蚀速率。腐蚀试验结果见表7。
由表6和7可以看出, 热电厂的循环水对A3钢和20号钢的平均腐蚀速率远远超出《工业循环冷却水处理设计规范》 (GB 50050-2007) 中对碳钢设备宜小于0.075 mm/a的要求;而循环水对TP317L钢管没有造成腐蚀现象, 有略微增重现象, 符合《工业循环冷却水处理设计规范》 (GB 50050-2007) 中对铜和不锈钢设备宜小于0.005 mm/a的要求。从表面状态看, TP317L不锈钢管在试验前后的表面均未发生明显变化, 试管表面光洁。碳钢表面由于粘泥覆盖作用, 垢下腐蚀严重, 表面已没有金属色泽, 多呈红黑色。
6杀菌剂试验
由于石灰处理对氨氮的去除效果较差, 鉴于污水处理厂出水氨氮含量较高, 为避免出现氨氮发生硝化反应和反硝化反应造成循环水pH值下降, 特进行了杀菌剂效果试验。
该厂目前选用的氧化性杀菌剂为二氧化氯。由于氯易与氨氮发生反应生成一氯胺、二氯胺和三氯胺等物质, 从而降低杀菌效果。反应如下:
NaOCl+H2O=HOCl+Na++OH-
NH+4+HOCl=NH2Cl+H2O+H+ 一氯胺
NH2Cl+HOCl=NHCl2+H2O 二氯胺
NHCl2+HOCl=NCl3+H2O 三氯胺
考察二氧化氯受氨氮影响的情况, 结果发现:①二氧化氯不与水中的氨氮起反应, 但可与氨氮亚硝化反应产生的亚硝酸发生反应。在目前水温下, 其杀菌效果受氨氮影响不大。②杀生效果比氯强, 杀生作用较快。③杀菌能力与水的pH值无关, 在pH为6~10时都有效, 可满足循环水处理的要求。④由于二氧化氯由稀盐酸活化, 当其加入量在50 mg/L时, 循环水pH仅从8.2降至8.0左右。由此可见, 利用二氧化氯作为该厂循环水杀菌剂在目前水温下受氨氮影响很小, 其杀菌效果和经济性要远远优于氯。
同时鉴于氨在冷却塔中的转化过程比较复杂, 考虑到空气的吹脱可能会减少一部分, 因此对上塔的中水氨氮进行了连续监测, 结果发现冷却塔吹脱能力有限, 经吹脱除去的氨氮量不足10%。经分析发现在冷却塔中由于pH在8.5左右, 大部分氨以离子形态存在, 吹脱仅能去除分子态的氨, 对离子态氨没有效果。
7结语
(1) 石灰处理对氨氮的去除效果不佳, 因此鉴于中水氨氮的影响, 应密切关注循环水pH值变化和波动情况, 采取有效措施确保循环水pH在7.0以上, 并抓紧进行氨氮深度脱除系统的安装工作, 尽早投入运行。
(2) 针对中水系统对碳钢腐蚀严重问题, 建议对可能涉及的碳钢系统进行必要的防腐处理, 运行应注意采取措施有效缓解循环水对碳钢系统的腐蚀。
(3) 鉴于中水系统易滋生细菌并产生大量粘泥, 视情况有必要时可采用杀菌灭藻及粘泥剥离处理有效防止微生物的滋生;阻止粘泥在冷却塔、循环水管道、凝汽器管表面的吸附;防止循环冷却水系统结垢、腐蚀的发生, 从而有效地保证机组的安全、经济运行。
摘要:河北某电厂拟采用污水处理厂出水经石灰处理后作为循环水补充水, 为考察该工艺的可行性特进行了中水回用深度处理试验。试验分为石灰处理试验, 循环水阻垢试验, 腐蚀试验和杀菌试验等。通过试验考察了石灰处理的效果及特点, 提出了石灰处理的控制指标, 筛选出了较为合适的阻垢剂;考察了不同材质在循环水中的腐蚀情况以及杀菌剂的杀菌效果, 根据试验结果对中水回用于循环冷却水系统的特点进行了分析并提出了建议。
关键词:中水回用,石灰处理,循环冷却水
参考文献
[1]张行赫.石灰深度处理在电厂回用中的应用[J].中国电力, 2007, 40 (2) :40-42.
[2]陈真贤, 张朝升, 荣宏伟, 等.中水消毒技术研究[J].中国农村水利水电, 2008, (4) :60-62.
冷却系统试验平台 篇4
关键词:钻井平台,柴油发电机组,冷却系统,管壳式热交换器,内/外循环,管路设计与安装
1 柴油机组海水冷却系统原理
海水冷却系统包括海水泵、热交换器、海水冷却管路内循环和外循环系统。图1为机舱冷却系统布置图, 主要由中冷器散热器、缸套水散热器及连接管路组成。通过进、回水两根主管路分支到各个散热器, 达到冷却的目的。图2为泵舱冷却系统布置图, 主要由海水冷却泵及连接管路组成, 并提供冷却水。一种方式是通过海水泵将一个沉淀水舱中的海水直接泵送到主机散热器后, 通过散热器吸收热量后返回另一个沉淀舱里, 且这两个舱能够互相连通实现循环。该方式叫内循环工作;通过阀门或管路变换连接实现海水泵从外界吸冷却水, 经过散热器后直接排海的方式叫外循环工作模式。
2 冷却系统设计的难点
2.1 散热器的选型和后期维护。
2.2 离心泵的选型与安装。
2.3 系统管路的选择和安装规范:包括管路材质、壁厚、通径的合理选型;管路布置、焊接和穿舱等工艺要求。
3 冷却系统设计的一般步骤。
3.1 以下为管壳式冷却器的选型与设计:
(1) 热流体的入口温度T1、出口温度T2根据Q=qm1Cp1 (T1-T2) 求出换热量Q
(2) 冷流体的入口温度t1、出口温度t2
(3) 根据传热系数估算传热面积A
Q=K估A估φΔtm, K估, φ都是跟冷却器型式有关的系数
(4) 选定换热器型号
(5) 冷却器安装原则:管径一定的情况下, 流量q和压力p与管道长度和弯头数量成反比, 因此在空间允许的条件下, 尽量缩短与主机的安装距离, 并减少弯头数量安装, 确保主机冷却液有足够的水功率。
3.2 冷却管道的安装注意事项
(1) 根据管道介质为海水, 应充分考虑到防腐, 表面采用热镀锌处理, 且壁厚设计应充分考虑到腐蚀余量。
(2) 管道的布置:
穿舱应符合开孔工艺, 尽量避开结构处, 对穿过结构处的管系应采用加强, 对重要结构处穿孔应避开焊缝50mm以上。
在穿过水密舱室应采用管子穿舱件, 在开孔处加装护管, 并进行双面焊接。
管道应尽量避开贯穿燃油舱、热源、远离敷设电缆至少100mm
管道低位应安装排泄口, 用于防冻;吸口处应安装滤器并定期清洗, 防止海生物堵塞。
3.3离心泵的选型应满足流量与扬程的需要, 并能根据需要随时调整流量以满足不同工况下动力机组的冷却效果, 需要安装一套减压装置, 串接在管路出口便于调节。
3.4对所有管道进行清洗吹通并试压。
3.5现场进行冷却系统试验, 试验前, 对各个管路进口加装滤网保护, 待系统运转稳定后拆卸并清洗滤网。
3.6完成竣工验收, 保存好施工图纸及各附件规格型号资料。
参考文献
[1]《海上移动平台入级规范2012》.
相关文章:
骨干教师个人申请书 骨干教师评优个人申请书(大全8篇)01-15
小学骨干教师申请书 小学骨干教师申请书精简(五篇)01-15
冷却循环水系统01-15
变压器冷却系统01-15
最新体育骨干教师申请书 幼儿园骨干教师申请书(6篇)01-15
最新校级骨干教师申请书 骨干教师申请书简短4篇(优质)01-15
冷却系统的故障排除01-15
最新市级骨干教师申请书 县级骨干教师培养对象申请书(3篇)01-15
定子冷却水系统操作及优化建议01-15