主機排氣背壓計算與實例分析

葉愛君 林上豐

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.中遠海運發展股份有限公司 上海200135）

引 言

船用低速柴油機燃油經濟性優良，現代遠洋船舶普遍使用低速船用柴油機作為主機。影響柴油機燃油經濟性有很多因素，人們往往會忽略排氣背壓的影響。排氣背壓過大，將民致柴油機燃料燃燒效率下降、有效功率降低、燃油經濟性變差［1］。輸出功率損失，動力性能下降，同時排氣溫度升高，煙度加大，排放也變差［2］。因此，排氣背壓對柴油機經濟性、動力性以及排放等均有重要影響，合理的排氣背壓對柴油機性能至關重要［3-4］。

本文結合實測數據，利用等效轉換方法來分析主機排氣系統背壓偏高的原因。

1 主機排氣系統

1.1 系統簡介

主機排氣系統是用于將主機燃燒所產生的廢氣順利地排出船外。某船主機采用MAN B&W 6S42MC，主機后端設有一臺型號為TCA55-20的增壓器。排氣系統包括排氣管、不銹鋼波形膨脹接頭、彈性支架、組合鍋爐、主機火星熄滅器等。主機排氣系統簡圖參見圖1。

圖1 主機排氣系統模型簡圖

1.2 背壓計算

參照主機資料，在ISO工況下，主機運行在SMCR時，主機排氣質量流量為54900 kg/h，主機排氣溫度為 265 ℃。［5］

主機排氣系統背壓計算［6］見式（1）、式（2）：

式中：為主機排氣質量密度，kg/m3；T為主機排氣溫度，℃；v為主機排氣流速，m/s；M為主機排氣質量流量，kg/s；D為主機排氣管內徑，m。

從圖1可知，主機排氣管內徑D= 0.9 m。利用式（1）及式（2），可計算出主機排氣密度為0.67 kg/m3，主機排氣流速為36.0 m/s。

按照MAN B&W公司推薦，對于垂直向上的排氣管，排氣阻力損失可以忽略不計；對于直管段排氣管，排氣阻力損失按每個排氣管內徑長度1 mmWC計算；對于排氣管彎頭、膨脹接頭等，排氣局部阻力損失可按以下公式進行計算：

式中： 為主機排氣局部阻力損失，mmWC；為主機排氣局部阻力系數。

結合排氣管路布置圖，為便于計算主機排氣系統背壓，我們將主機排氣管路分成以下5部分：

第1部分 主機增壓器出口到組合鍋爐

第2部分 組合鍋爐

參照鍋爐廠家提供的認可圖，組合鍋爐廢氣側的設計背壓為90 mmWC。

第3部分 組合鍋爐至火星熄滅器

其中排氣管局部阻力系數 =0.22。利用式（3）可計算出該部分總的排氣阻力損失為9.68 mmWC。

第4部分 火星熄滅器

按廠家提供的認可圖可知，火星熄滅器的最大阻力損失100 mmWC。

第5部分 從火星熄滅器到排氣出口

其中排氣管局部阻力系數 =1.61。利用式（3）可計算出該部分總的排氣阻力損失為70.81 mmWC。

主機排氣系統總的背壓為上述5部分阻力損失的總和，即：ΣΔP=283.21 mmWC。按照MAN公司推薦，對于新船，主機排氣系統背壓應盡可能控制在300 mmWC以內。主機運行在SMCR時，主機排氣系統總的背壓應不大于350 mmWC［6］。基于上面的計算，主機排氣系統的設計背壓小于300 mm WC，滿足主機廠要求。

此外，主機排氣流速36.0 m/s也比較合理。主機排氣流速過高，會增加主機排氣系統阻力損失，還可能引起主機排氣系統噪聲超標；主機排氣流速過低，可能民致組合鍋爐煙管積灰。

2 實例分析

2.1 實測數據

實船海試過程中，主機排氣系統總的背壓偏高。主機97%負荷運行時，相關數據記錄如下：

主機轉速：140 r/min

增壓器轉速：17500 r/min

排氣背壓：513 mmWC

掃氣阻力：2.55 kPa（2.55 bar）

排氣背壓表測量位置為圖1中A點位置。排氣背壓表是經過專業機構測試認證過的，測試數據的準確性應該是能保證的。

為找到民致主機排氣背壓偏高的原因，利用船舶進長江后拋錨，主機停機的機會，在圖1中B點位置增設了排氣背壓測量點。

此時，受長江航道航行限制，主機負荷不能達到或接近SMCR。但還是獲取了主機部分負荷下的測量數據。其中，主機負荷53%時，排氣背壓表在圖1中B點位置所測得的背壓值為145 mmWC。

2.2 數據分析

結合船舶運行時所記錄的海水以及空氣溫度，并以此作為特定環境輸入條件，可以計算出主機負荷53%時，主機排氣質量流量為33300 kg/h，對應的主機排氣溫度為261.4 ℃。主機負荷97%時，主機排氣質量流量為55300 kg/h，對應的主機排氣溫度為256.0 ℃［5］。利用式（1）及式（2），便可計算出特定環境條件下，主機排氣密度為0.67 kg/m3，主機排氣流速為21.69 m/s。

從圖1中可知，排氣背壓計在B點所測到的排氣背壓由兩部分所組成。即本文中第1.2節所定義的第4部分（火星熄滅器）和第5部分（從火星熄滅器到排氣出口）。

對主機排氣系統而言，排氣局部阻力損失系數只取決于排氣管路的實際布置，與排氣質量、流量、排氣溫度、環境溫度等無關。

上述特定環境條件下，第5部分排氣管局部阻力系數 =1.61。利用式（3）可計算出該部分總的排氣阻力損失為25.88 mmWC，而排氣背壓表在B點位置實際所測得的排氣背壓值為145 mmWC。即在這種情況下，第4部分的排氣阻力損失應該是119.12 mmWC。

參照廠家提供的認可圖，火星熄滅器的最大排氣阻力損失為100 mmWC。這無法與上述分析計算的數據匹配。因此，初步判斷實測數據中，主機排氣系統中的背壓過高可能與火星熄滅器有關。下文將結合測試數據進行等效轉換分析。

2.3 等效轉換分析

為進一步驗證最初的分析判斷，找到民致整個主機排氣系統背壓過高的根本原因，我們引入等效轉換模式進行計算分析。

首先，對火星熄滅器進行等效轉換。將火星熄滅器等效轉換成一段排氣局部阻力損失系數為ζs的排氣管。其中，ζs僅僅取決于火星熄滅器本體構造，與排氣質量流量、排氣溫度、環境溫度等無關。

從數據分析可知，主機負荷53%時，基于排氣背壓表在B點的實際測量值，計算得到的火星熄滅器的阻力損失為119.12 mmWC。利用式（3）可反算出火星熄滅器等效轉換后，對應的排氣局部阻力損失系數ζs=7.41。

其次，結合上述等效轉換后的排氣局部阻力損失系數，進行實船海試狀態下，主機排氣系統背壓計算。

參照本文中第1.2節，依次計算出實船海試條件下，主機排氣系統中所有5個部分的排氣阻力損失以及總的排氣阻力損失。其中，第4部分（火星熄滅器）的計算排氣阻力損失為394.41 mmWC，遠大于廠家所提供的最大排氣阻力損失（100 mmWC）。據此所計算出來的主機排氣系統總的阻力損失為506.72 mmWC，這與實測排氣背壓值513 mmWC非常接近。

最后，分析計算數據，找出主機排氣系統背壓過高的根本原因，并給出解決方案。

根據上述計算，火星熄滅器等效轉換后，主機排氣系統背壓計算值與實測值基本吻合。據此可以判斷火星熄滅器排氣阻力損失超標是民致主機排氣系統背壓過高的主要原因。

火星熄滅器等效轉換后的排氣局部阻力損失系數屬于火星熄滅器的物理特性，僅與火星熄滅器本身構造等相關。因此，降低火星熄滅器的排氣阻力損失，關鍵就是簡化其內部構造，進而減小其排氣局部阻力損失系數。

經過上述調整，問題圓滿解決，主機排氣系統總背壓恢復正常，完全滿足主機制造廠的要求。

3 結 語

本文所采用的等效轉換方法，在分析處理主機排氣系統背壓過高的實例中效果明顯，使一個原來相當棘手的問題迎刃而解。

在實際工程項目中常常會遇到類似的問題。從設計角度來看，整個系統完全符合設計要求，但系統實際運行過程中，可能會因其中某個環節或組件異常而民致整個系統不穩定，甚至完全不符合最初的設計要求。運用本文所述的分析處理方法或許可以達到事半功倍的效果。