新聞主題	集裝箱發電機組箱體結構、表面處理和降噪設計

 

摘要：集裝箱式柴油發電機組由于采用標準集裝箱結構制造，具有模塊化、集成化、占地面積小、土建施工量少、投資少、建設周期短、便于移動、運輸方便，有效防雨防風沙、噪音低等特點，受到越來越多客戶的青睞。在用電高峰期間，可以通過并網來實現當地電網的削峰，可以作為廠礦企業的備用電源，偏遠無市電區域也可以作為常用電源。康明斯公司在本文主要介紹了集裝箱式發電機組的研制開發過程，對設備整體結構進行布置設計，對箱體內部的進排風及通風散熱進行理論計算并核對，對柴發噪聲及振動進行削減控制，最后通過試驗對發電機組的設計進行了驗證，論證了設計的合理性及可行性。

 

 一、集裝箱式柴發結構

 

1、內部結構

      集裝箱式柴油發電機組內部結構方案如圖1、圖2所示。主要由遠置水箱、遠置水箱、主軸流風機、發動機、發電機、控制屏系統、工作室通風軸流風機和消聲器系統等組成。

（1）該款集裝箱發電機組通過中間的隔斷一分為二，左側為發電機組冷卻系統室，內置2組遠置水箱和1組冷卻用主軸流風機；右側為發電機組工作室，內部安裝有發電機組及其控制屏系統。發動機的中冷氣、高溫缸套水通過管路穿過隔斷后分別連接到遠置水箱相應的氣管水管處。發電機組工作室內發動機、發電機的熱輻射、發電機的散熱風等通過頂置的2組軸流風機來排掉。發電機組運行時，工作室內部的空氣受熱后會集聚在箱體頂部附近，軸流風機位置處的排風可形成對流，有助于加快工作室內設備的通風換氣。

 

圖1  集裝箱式柴油發電機組內部結構側視圖

圖2  集裝箱式柴油發電機組內部結構平面圖

 

（2）集裝箱箱體為20尺貨柜標準尺寸，寬度和百葉窗尺寸如圖3所示，長度和高度數據如圖4所示。

      結構上采用標準集裝箱框架制造，底側梁選用加厚矩形管，四個角立柱選用Q345D低合金鋼板折彎，瓦楞板選用B480耐候鋼板等，以提高箱體的整體機械強度，箱體前后均可開門，方便用戶對發動機、發電機、控制系統及冷卻系統的日常維護與檢修，箱體底部設有機油、冷卻液收集系統，通過管路直接引入到箱體外部，防止污染環境內部環境，控制屏和輸出開關柜在箱體同側，方便用戶日常操作。箱體符合國際集裝箱安全公約的要求，能夠辦理箱證，整機成套好后可直接作為標準集裝箱海運，大大節省運輸成本。

 

圖3  集裝箱柴油發電機組長寬高尺寸

圖4  集裝箱式柴油發電機組尺寸

 

2、外表處理

      發電機組集裝箱的鋼結構應有很好的保護，除了使用的涂料達到高要求之外，最關鍵的是鋼結構的表面處理（內外結構示例如圖5、圖6所示）。如果涂料系統沒有很好的基礎（表面處理），那么就會比預計的使用壽命要短，發電機組集裝箱的一般油漆設計為10年的使用壽命。可能會因表面處理不到位而降低涂裝的使用壽命。實際經驗表明，表面處理質量對涂層本身性能有著比其他因素更大的影響。一旦選定了合適的涂料系統，如果表面處理很差，涂層質量也會很差。只有良好的表面處理，涂覆的涂料才能發揮其效用。

（1）鋼結構表面除銹的常用方法

      金屬表面除銹方法：手工處理、機械處理、噴砂、噴丸處理、化學處理和火焰處理5種。

① 手工處理

      手工處理主要用鏟刀、鋼絲刷、砂布和斷鋼鋸條等工具，靠手工敲、鏟、刮、刷、砂的方法來達到清除鐵銹，這是漆工傳統的除銹方法，也是最簡便的方法，沒有任何環境及施工條件限制，但由于效率及效果太差，只能適用小范圍的除銹處理。

② 機械除銹法

      機械除銹法主要是利用一些電動、風動工具來達到清除鐵銹的目的。常用電動工具如電動刷、電動砂輪；風動工具如風動刷。電動刷和風動刷是利用特制圓形鋼絲刷的轉動，靠沖擊和摩擦把鐵銹或氧化皮清除干凈，特別對表面鐵銹，效果較好，但對較深銹斑很難除去。電動砂輪實際是手提砂輪機，可以在手中隨意移動，利用砂輪的高速旋轉除去鐵銹，效果較好，特別對較深的銹斑，其工作效率高，施工質量也較好，使用方便，是一種較理想的除銹工具。但在操作中須注意，不要把金屬表皮打穿。

③ 噴砂、噴丸處理法

      金屬表面噴砂除銹工藝是利用對空氣的壓力影響作用，把所需金屬粒度的噴砂工藝磨料通過噴槍，對金屬零件銹蝕的表面進行噴砂除銹處理。這種噴砂除銹工藝不僅去銹塊，還能對金屬表面起到涂裝、噴涂的效果，經過噴砂除銹工藝處理過的金屬表面可達到干凈、有一定粗糙度的表面要求，從而提高覆蓋層與零件的結合力。

④ 化學處理法

      化學處理法實際是酸洗除銹法，利用酸性溶液與金屬氧化物（鐵銹）發生化學反應，生成鹽類，而脫離金屬表面。常用的酸性溶液有：硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸。操作中將酸性溶液涂于金屬鐵銹部位讓其慢慢與鐵銹發生化學反應而去掉。鐵銹去除后應用清水沖洗，并用弱堿溶液進行中和反應，再用清水沖洗后揩干、烘干，以防很快生銹。對酸洗過的金屬表面需要經粗糙處理或磷化處理，主要是增加金屬表面與底漆的附著力。

⑤ 火焰處理方法在港口設備中很少使用。

      發電機組集裝箱外殼制作通常采用噴砂處理和化學處理的方法，底座等鋼結構件和厚板可以采用噴砂處理，房體上的薄板件則需要采用酸性磷化處理的工藝。

（2）表面處理程度的判斷

① 處理標準

      在判斷表面處理的程度時，我們要引用到很多的標準。在實際工作中經常會遇到的表面處理標準主要有：

● GB 8923-88;

● ISO 8501-1:1988;

● SIS 055900:1967;

● SSPC/NACE。

      常用的是GB 8923-88和SSPC。GB 8923-88是我國的國家標準，ISO 8501則是現在普遍采用的國際標準，SIS 055900是世界上最早的影響也最大的標準。SSPC/NACE是美國使用的主要標準。中國的國家標準GB 8923等效采用于ISO 8501-1：1988。

② 外層檢查

      ISO 8501-1：1988將未涂裝過的鋼材表面原始程度按氧化皮覆蓋程度和銹蝕程度分為4個等級，分別以A、B、C、D表示，并有相應的照片對照。

● 大面積復蓋黏著的氧化皮，而幾乎沒有鐵銹的鋼材表面；

● 已開始銹蝕，且氧化皮已開始剝落的鋼材表面；

● 氧化皮已因為銹蝕而剝落或者可以刮除，但在正常視力觀察下僅見到少量點蝕的鋼材表面；

● 氧化皮已因銹蝕而剝離，在正常視力觀察下，已可見普遍發生點蝕的鋼材表面。

③ 除銹等級

      鋼材表面除銹后的質量等級分St2，St3，Sal，Sa2，Sa2.5等5個除銹等級：

● St2：徹底的手工和動力工具除銹；

● St3：非常徹底的手工和動力工具除銹；

● Sal：輕度的噴射或拋射除銹；

● Sa2：徹底的噴射或拋射除銹；

● Sa2.5：非常徹底的噴射或拋射除銹。

      發電機組集裝箱設備要求的鋼結構沖砂等級一定要達到Sa2.5。

（3）粗糙度的測量

      粗糙度的測量工具主要是指針式測量儀和壓膜式測量儀。指針式測量儀對于現場檢測非常方便，使用也很簡單。壓膜式測量儀檢測的速度較慢，不適合打砂現場的隨時測量，但是測得的結果可以保留存檔。除此之外，還可以直接對照標準樣板進行目視檢測。當用測量儀器對打砂粗糙度進行測量時，應在板面上均勻地選取測量位置，對不同部位的粗糙度進行檢測，并針對不同的結果將打砂設備作出適當的調整。

      要達到Sa2.5級打砂標準，打砂密度一般要達到95％以上。打砂密度的一般檢測方法為目視法，可通過帶有刻度的放大鏡進行觀察。

 

圖5  集裝箱式柴油發電機組右視圖

圖6  集裝箱式柴油發電機組左視圖

 

二、箱體內部的通風量計算

 

      集裝箱式柴油發電機組采用遠置散熱器，冷卻系統與發電機組不在同一個室內，箱體內部通過隔斷隔成冷卻系統室與發電機組工作室。在工作室內，不需要考慮冷卻系統的冷卻風量，采用遠置散熱器后能明顯減小發電機組工作室內的進排風量，工作室內沒有發動機機帶的風扇，取而代之的是設置軸流風機強制通風散熱，引導工作室內空氣流動的方向。一般情況下，軸流風機設計在發動機自由端頂部位置處，內部空氣流動遵循軸向通風原則，在發動機空氣濾清器進風口處附近設置單獨的輔助進風百葉，保證箱體外部的冷空氣進入箱體后能夠直接被吸到空濾器中，避免箱體內部溫升對進氣溫度的影響。

1、工作室內通風量理論計算

      發電機組工作室內的熱源主要主要是發動機和發電機兩大部件工作時對外的表面熱輻射。計算通風量時還需要考慮柴油機的燃燒做功需要的空氣量。根據公式：

Q₁=[（H₁+H₂）/（D×C×?T）]+Q_{2................}（公式1)

其中：Q?——發電機組工作室內需要的總的通風量，m³%min；

Q?——柴油機額定工況下燃燒做功需要的空氣量；m³min；

H₁——發動機表面熱輻射熱輻射，kW；

H?——發電機表面熱輻射熱輻射，kW；

D——空氣密度，在38℃時為1.099kg/m³；

C——空氣比熱0.017kW·min/kg·℃；

?T——發電機組工作室內允許的溫升，℃，發電機組上電氣設備的元器件最高耐溫為65℃，集裝箱式柴油發電機組的設計環境溫度為50℃，則箱體內部的最大溫升?T=65-50=15℃，為保留設計余量，最大溫升?T取13℃。

      查閱柴油機及發電機的性能數據單，額定工況下柴油機表面熱輻射量為117kW，發電機為51kW，則H?+H₂=127+51=168kW。額定工況下發動機空濾器的進氣流量Q?=5695kg/h=73m³/min

Q1=｛168/（1099x0.017x13）｝+73=765m³/min=45900m³/h

2、工作室內軸流風機選型

      發電機組工作室內設置兩組通風散熱用軸流風機，強制換氣，進而保證工作室內溫度不至于過高。軸流風機直接從發電機組接線銅排上取電。

（1）軸流風機參數：3.2kW/50Hz/AC380V，額定風量25000m³h，靜壓125Pa。

（2）總通風量Qg=25000×2=50000m³h>Q=45900m³h。留有9%的設計余量。

      綜上所述軸流風機的選型滿足理論計算設計要求。

3、冷卻系統室的通風散熱

      發電機組冷卻系統室內的遠置散熱器安裝處為防雨百葉窗+不銹鋼防蟲網結構，主軸流風機運行時水箱室內部形成局部負壓，外部的冷空氣通過百葉窗經過散熱器管帶后進入箱體內部，在主軸流風機的作用力下從箱頂排出。進風和排風系統分別如圖7、圖8所示。

（1）主軸流風機參數：37kW/50Hz/AC380V，額定風量100000m³/h，靜壓185Pa。從發電機組接線銅排取電。

（2）防雨百葉窗+不銹鋼防蟲網的風阻為100Pa。

（3）箱頂的沖孔板風阻為40Pa。

（4）主軸流風機靜壓均大于冷卻系統室的進排風的風阻并且有一定的余量，風機可以正常克服進排風阻力，保證水箱室內的通風量，滿足發電機組散熱系統冷卻要求。

      此種結構冷卻系統，箱體外部的冷空氣直接進入散熱器表面，避免了發動機和發電機熱輻射帶來箱體內部溫升的影響，冷卻效率大大提升，能夠適應高溫環境。

 

圖7  集裝箱式柴油發電機組進風散熱平面示意圖

圖8  集裝箱式柴油發電機組排風散熱側面示意圖

 

三、降噪減振處理

 

1、發電機組降噪處理

      柴油發電機組的噪聲主要有排煙噪聲、進氣噪聲、排氣噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲等。

（1）排煙噪聲是發電機組噪聲中能量最大，成分最多的部分。為消除排煙噪聲對發電機組的影響，發電機組選用高效能住宅式消聲器，消聲器后的排氣尾管設置為豎直朝天，將排煙噪聲對發電機組的影響降低到最低。

（2）降噪處理應從吸聲材料和外部隔絕兩方面入手。進氣噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲屬于發電機組箱體內部的噪聲，需要選用合適的材料和結構來降低此部分噪聲。箱體內部在選用吸聲材料時，應能滿足有利于降低聲波頻譜中峰值。

（3）頻段的噪聲，因為聲能量主要集中在幾個峰值頻率，噪聲峰值降低了，總的噪聲輻射就可明顯降低。

      查閱柴油機的性能數據單，康明斯柴油機的噪聲頻譜主要集中在500-4000Hz范圍內，為此選用的吸聲材料應該在此頻段有較高的吸聲系數，綜合以上因素，箱體內部的吸聲材料選定為體積密度為36kg/m3的無堿超細玻璃棉，其吸聲系數如表1所示。

表1    集裝箱柴油發電機組噪聲頻譜和吸聲系數

（4）箱體內表面設置吸聲結構，使用無紡布為襯層包裹住超細玻璃棉材料，然后用鍍鋅沖孔板固定吸聲材料在周圍的瓦楞板上。如圖9所示。

（5）發電機組工作室的進氣處降噪結構主要由防水百頁窗+降噪百葉組成，兩者之間加裝304不銹鋼防蟲網，防止發電機組運行時吸入箱體內部小蟲子和雜物，降噪百頁使用沖孔板折彎成型，中間填充使用無紡布包裹的超細玻璃棉。其結構如圖10所示。

2、發電機組減振處理

      集裝箱式柴油發電機組內部主要的振動源是柴油機和發電機，為避免將兩者的振動傳遞到集裝箱發電機組外部，在柴油機、發電機和發電機組公共底座連接處安裝橡膠減振器，在發電機組公共底座與箱體的花紋地板之間安裝橡膠減振板，雙重減振，另外箱體內部的排煙管路、遠置散熱器的中冷管路及水管等中間使用膨脹節彈性相連，有效降低箱體內部的振動向箱體外部傳遞。

 

圖9  發電機組集裝箱箱體內表面降噪措施示意圖

圖10  發電機租集裝箱體內部進風降噪結構圖

 

四、試驗數據及分析

 

1、試驗數據

      集裝箱式柴油發電機組成套好后，根據產品開發要求，對方艙電站進行熱平衡及噪聲測試試驗。

（1）試驗狀態，發電機組滿負荷運行，所有門體關閉，風機調到自動狀態，環境溫度34℃，連續運行2h，發電機組水溫穩定在88℃。

（2）分別測量方艙電站周圍1m處和7m處噪聲。發電機組工作室1m處噪音平均85dB（A）左右，7m處噪音75dB（A）左右。

（3）發電機組冷卻系統室1m處噪音平均95dB（A）左右，7m處噪音85dB（A）左右。

2、結果分析

      發電機組冷卻系統室周圍噪聲偏高，主要原因是主軸流風機噪音在102dB（A）左右，進風結構是防雨百葉窗+不銹鋼防蟲網，發電機組冷卻系統室的進排風未經過消聲降噪處理，主軸流風機的噪聲傳遞到箱體外部。

3、效果改進

      受發電機組冷卻系統室內部尺寸限制，進排風處不好做消聲降噪處理，改進設計是在箱體外部的進排風處加裝可拆卸式消聲降噪百葉。降噪百頁在運輸過程中需要拆卸下來，發電機組運輸到達用戶現場時再裝配上。改進后重新測量發電機組噪聲。發電機組冷卻系統室1m處噪音平均85dB（A）左右，7m處噪音75dB（A）左右。達到預期的效果，滿足設計要求。

 

總結：

      目前集裝箱式柴油發電機組的應用范圍廣泛，通信行業、金融部門、醫院學校以及大型數據中心等都離不開集裝箱式柴油發電機組標準集裝箱式柴油發電機組可以在不占用建筑面積的前提下置于戶外，又能防雨防曬，能快速實現供電的機動性，可靠安全的提供應急電源。對比于普通的開式發電機組而言其具有靜音、方便制造、運輸、維護、保養等目的。集裝箱式柴油發電機組已在市場上經過小批量驗證，市場反饋良好。冷卻系統運行可靠，發電機組維護保養方便，能夠在高溫環境下持續工作，運輸方便，可辦理箱證作為20尺標準貨柜發運。目前市場上對于大功率靜音型發電機組需求量越來越多，尤其是東南亞、中東、北非及南美地區等，該款集裝箱式柴油發電機組是市場上為數不多的能將1000KW（PRP功率）發電機組集成在20尺集裝箱內的產品，有很強的市場競爭力，具有良好的經濟與社會效益。

 

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