主发电机舱进气道过滤组件的设计

主发电机舱进气道过滤组件的设计

丁香春、金叶国、罗泽民、陈玺、王凯

中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司

前言

一部完整的柴油机是由多个系统组合而成，柴油机产生动力就是靠燃烧柴油将化学能转化为机械能，而燃烧柴油必然少不了空气的参与。

新鲜空气要吸入主机首先要经过空气过滤器过滤，再依靠气门的打开与闭合，控制空气进入汽缸套。气门的工作环境非常恶劣，饱受大量高温气流侵蚀与冲击载荷。汽缸套与活塞组成了密闭空间，柴油与空气在其中做功产生能量。可以说柴油机中受到破坏最严重的部位就是缸套活塞，作为柴油机中最易损坏的零件，它们一定程度上决定了柴油机的使用寿命。空气质量的优劣直接影响到柴油机的使用情况、保养周期。反而言之改善空气质量则能提升柴油机的工作质量，对柴油机来说是积极的。

本文通过对机舱进气道如何升级进行探索、论证、实践，最终取得的了积极地成果。

一、低质量空气对柴油机的影响

在研究中我们发现柴油机受到空气质量直接影响是：进排气系统、配气机构、缸套活塞体三大部分。

1、空气滤芯则是空气进入主机的第一道，也是唯一一道保护措施。在正常使用中经常因为空滤芯因污染物堵塞，导致滤芯内外压差变大启停柴油机，对其进行清洗更换。柴油机多年以来，绝大多数空气滤芯是因为内外压差达到额定阀值，而不是达到空气滤芯额定使用寿命进行更换。在保证柴油机严格遵循使用手册保养规程的同时，如何降低耗材使用成本是需要研究的课题之一。

2、当空气经过过滤后由配气机构控制气门开启闭合，使空气得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。在压缩与作功行程中，关闭气门保证燃烧室的密封。从此我们能看出气门的工作条件非常恶劣。首先，气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此气门温度很高。其次，气门承受气体力和气门弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性力使气门落座时受到冲击。第三，气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动。此外，气门组由于与高温燃气中有腐蚀性的气体接触而受到腐蚀。所以当外界空气质量很差、颗粒物较多时，会加剧气门组的损耗侵蚀。而气门组的损伤会直接加剧整个配气机构的稳定，从而影响到柴油机的正常使用。

3、当柴油与空气在汽缸套中混合后，活塞压缩密闭空间，气体压缩带来的热量释放点燃的柴油，最终完成做功冲程。在这一过程中可以看出整个柴油机中冲击、腐蚀、磨损最为严重的部位就是汽缸套活塞体。作为柴油机能量释放的部位，汽缸套一定程度上决定了整部柴油机的使用寿命，严重的会启动困难或无法启动，影响整部柴油机的使用寿命。

二、平台柴油机机舱布局

柴油机机舱约200平方米，柴油机平行布置，每台柴油机上方均设置50cm*50cm进风口，柴油机排气筒接连到户外。当柴油机运转时，机舱水密门关闭，机舱就为封闭舱室。空气流动形成了单一的通道：室外——外部进风筒——机舱内进风口——柴油机进气系统（经过空气滤芯）——进气门——汽缸套——排气门——排气通道——室外。

三、对机舱原有设施进行改造升级的设想与实践

通过对机舱实际情况的检查，我们发现单一通道式的气动布局对改善舱内空气质量很有帮助。即我们无法控制室外大气质量，但在相对封闭的小型空间内，我们可以控制内部空气质量。改善室内空气质量是否能通过在擦还有机舱内部添加空气净化设施呢？是可以，但又不现实的，这会面临多个问题。

柴油机正常工作，每时每刻需要极大量的新鲜空气，要想实现舱内空气的净化，那就需要安装大型工业用净化器。首先空间有限，机舱固有的使用面积无法增添大型设备，尤其是净化功率足够大的设备；其次实际过滤效果有限，因为净化器在工作的时候柴油机同样在运转吸气，进风道布局决定了外部空气最先被柴油机吸入，多次探讨后，提出了在原有进风口出设置净化装置，以达到在外部空气进入机舱时即为过滤空气的目的的方案。在经过研究推论后，发现这个方案是可行的。

四、机舱进风口加装自制净化设施的具体方案

通过前期的论证与实际工作的需要，我们要求改进方案必须满足以下几点要求：1、封闭机舱内空气满足所有设备最大负荷下的用气量；2、最大程度利用现有材料、减少装备成本；3、改进方案简洁化，易操作、易安装、易维护。

根据设计要求，最适合安装设想中过滤装置的位置，就是机舱每台主机上方的进风通道出口。这个位置是空气进入封闭舱室的唯一入口，将过滤装置安装在这里，效果会非常好。

我们按照颗粒物、杂物直径的大小，将这套过滤装置设计为两层。第一层由平台结余振动筛筛网制成，筛网为100目，它能够过滤大颗粒物质以及随空气席卷进舱室的杂物。第二次过滤装置我们采用静电集尘措施，静电除尘的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电在电场作用下与气流分离。负极由不同断面形状的金属导线制成，叫放电电极。正极由不同几何形状的金属板制成，叫集尘电极。静电除尘器与其他除尘设备相比，耗能少，除尘效率高，适用于除去烟气中0．01—50μm的粉尘，而且可用于烟气温度高、压力大的场合。实践表明，处理的烟气量越大，使用静电除尘器的投资和运行费用越经济。而机舱大量用气满足了静电集尘措施的高效率使用。

整套除尘装备加装覆盖整个出风口时，净化效果最佳。所以我们按照出风口尺寸规格剪裁出合适的筛网，定制了相应规格的集尘板，合适规格的安置箱体。整体效果如下图所示：

五、安装过后的测试与效果论证

由于在出风口处安装了设备，最需要考虑的的问题是：是否影响了进气效果。我们在未加装净化设施时与加装完成后，分别在出口端安置气体流量计进行测试。经过测试空气压损在15%左右，而进气道原本的设计供气量是全部柴油机最大负荷下用气量的200%，因此可以证实净化设施对柴油机用气量基本没有影响。并且，净化装置没有耗材消耗，只需定时清洗集尘箱即可，使用成本非常低。

在证实净化设施并无负面影响后，我们开始进行效果测试。对比未安装前一年内，主机空气滤芯平均使用时间，测试结果如下：

根据实际工作时间对比，加装净化设施后空气滤芯平均使用寿命延长了约53%。

六、总结

经过理论判断与实践证实，我们加装了空气净化装置后。外界空气进入机舱后，空气中颗粒物大幅度降低。首先新鲜的空气能够降低气门、缸套活塞的损蚀，延长了柴油机的实际使用寿命；其次，空气质量提升，降低了柴油机空气滤芯耗材成本，降幅约年1551.8元/kh*台。节约了设备维护成本，提升了经济效益。

参考文献

[1]母忠林. 柴油机进气系统故障检修. 北京：机械工业出版社，2012

[2]王纯. 静电除尘技术手册. 北京：化学工业出版社，2016