25 000 t多用途集裝箱船主機(jī)排氣背壓高故障分析

周志賢

（泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州 225321）

0 引言

船舶主機(jī)的排氣管通常較長(zhǎng)，需要延伸到煙囪的頂部，且中間有管子彎頭、組合鍋爐、消音器、異徑接頭等氣阻元件。這些由于氣流阻力而產(chǎn)生的壓力，即主機(jī)的排氣背壓。船舶主機(jī)有多個(gè)氣缸，每缸依照順序在不同的時(shí)間點(diǎn)排氣，因此主機(jī)排氣流是由一個(gè)個(gè)脈沖氣流混合而成；缸數(shù)越多產(chǎn)生的脈沖數(shù)越多，排氣流動(dòng)越連續(xù)。船舶排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是快速、高效地排出燃燒室中產(chǎn)生的廢氣。如若排氣背壓過大，則會(huì)導(dǎo)致排氣阻力增加，排氣速率降低，最終導(dǎo)致主機(jī)燃燒效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差[1]。

1 原因分析

25000t多用途集裝箱船主機(jī)排氣管路由排氣管、各種彎頭、膨脹節(jié)、鍋爐、消音器和異徑接頭等組成，首制船在試航時(shí)發(fā)現(xiàn)主機(jī)增壓器的出口排氣背壓在主機(jī)100%負(fù)荷時(shí)，達(dá)到3 600 Pa，遠(yuǎn)高于主機(jī)廠要求的3 000 Pa。

通過測(cè)量鍋爐、消音器的進(jìn)出口廢氣壓力，測(cè)量并查找相關(guān)資料可知：

1）鍋爐的進(jìn)出口要求為Φ1 216，但整個(gè)排氣管可按Φ1 016設(shè)計(jì)；

2）鍋爐的背壓比設(shè)計(jì)要求（900 Pa在主機(jī)85%負(fù)荷）高于450 Pa；

3）消音器的背壓比設(shè)計(jì)要求（450 Pa）高于300 Pa；

針對(duì)如何降低主機(jī)排氣背壓、提高主機(jī)燃燒效率等問題，本文做出了以下計(jì)算分析與修改。

圖1 修改前的排氣管路圖（單位：mm）

2 管路系統(tǒng)阻力分析

排氣背壓由2部分組成：一是由氣流局部阻力產(chǎn)生的壓力；二是氣流摩擦阻力產(chǎn)生的壓力[2]。他們都是由氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)為克服粘性切應(yīng)力所引起的。摩擦阻力損失發(fā)生在排氣管壁上，是由氣流與壁面摩擦而產(chǎn)生的，其大小取決于管壁粗糙度和氣流速度。針對(duì)排氣系統(tǒng)的管路局部阻力進(jìn)行重點(diǎn)分析。

局部阻力損失發(fā)生在排氣系統(tǒng)管路彎頭、消聲器、組合鍋爐、異徑接頭等使氣流通道收縮、擴(kuò)張等截面突變處。由于氣流速度發(fā)生突變形成漩渦和流體相互碰撞，流體脫離管壁使流體各部分間的動(dòng)量交換加劇，增加能量逸散，進(jìn)一步加劇了氣體間的相互摩擦。局部阻力損失的大小取決于排氣管路的局部結(jié)構(gòu)、管路直徑、氣流速度等，可用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中：ξ為局部阻力系數(shù)；ρ為氣體密度，kg/m3；ν為氣流速度，m/s。

摩擦阻力損失和局部阻力損失均與氣流速度的平方成正比，排氣背壓與主機(jī)功率損失間關(guān)系密切；排氣背壓越大，主機(jī)輸出功率越低。

2.1 管徑修改

將鍋爐出口排氣管管徑由Φ1 016 改為Φ1 216，壓力損失計(jì)算如式(2)：

式中：ρ＝1.293×273/(273＋T)×1.015，kg/m3。

在主機(jī)85% MCR負(fù)荷時(shí)，T1＝236℃，則ρ1＝0.704 kg/m3。修改前（Φ1 016 mm），v1＝29.03 m/s，Δp1＝72.08ξPa；修改后（Φ1 216 mm），v2＝20.17 m/s；Δp2＝34.80ξmmWC

在主機(jī)100%負(fù)荷時(shí)，T1＝242℃，則ρ1＝0.696 kg/m3。修改前（Φ1 016 mm），v1＝29.38 m/s，Δp1＝73.41ξPa；修改后（Φ1 216 mm），v2＝20.40 m/s；Δp2＝35.39ξPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，阻力系數(shù)ξ取1。比較修改前排氣管壓力損失Δp1和修改后排氣管壓力損失Δp2可知，將排氣管徑由Φ1 016 mm改為Φ1 216 mm可降低背壓380 Pa。

2.2 取消鍋爐出口異徑接頭

在排氣管的截面突變處也易造成局部阻力損失，在原鍋爐出口處設(shè)有異徑接頭。現(xiàn)鍋爐出口排氣管由Φ1 016 mm 改為Φ1 216 mm，原異徑接頭已不再需要，可降低背壓40 Pa～50 Pa。

2.3 修改排氣管彎頭

彎管角度越小，管路越平直，則排氣流動(dòng)阻力越小。因此，在設(shè)計(jì)排氣管路走向時(shí)，應(yīng)盡可能避免使用大角度彎頭，使排氣管路盡量平直圓滑，以減小壓力損失。修改煙囪出口排氣管，將現(xiàn)有煙囪出口的彎度（90°）改為60，見式(3)。

煙囪出口彎度為 90°時(shí)，ξ＝0.28，Δp＝13.70 Pa；

煙囪出口彎度為60°時(shí)，ξ＝0.16，Δp＝7.84 Pa；

可降低排氣阻力約60 Pa左右。

2.4 消音器

消音器的種類很多，究其消聲機(jī)理，可以將其分為阻性消音器、抗性消音器、阻抗復(fù)合式消音器。阻性消音器主要利用多孔吸聲材料來降低噪聲，將吸聲材料固定在氣流通道的內(nèi)壁上或按照一定方式在管道中排列；當(dāng)聲波進(jìn)入阻性消音器時(shí)，一部分聲能在多孔材料的孔隙中摩擦而轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，使通過消音器的聲波減弱。阻性消音器對(duì)中高頻消聲效果好、對(duì)低頻消聲效果較差。抗性消音器內(nèi)部由管道、隔板等部件組成，當(dāng)氣流通過這些消聲單元時(shí)，聲波在傳播過程中發(fā)生反射、干涉，降低聲能量以達(dá)到消聲的目的。抗性消音器通常在低、中頻帶的消音效果好[3]。

不同的消音器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、氣流速度不同，背壓也各不相同。一般來說，局部阻力損失主要發(fā)生在抗性消音器中，而摩擦阻力損失主要產(chǎn)生在阻性消音器中。在船用主機(jī)排氣管路消音器設(shè)計(jì)過程中，消音器結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，避免因結(jié)構(gòu)劇烈突變引起大的氣流阻力，從而影響排氣的順暢性。主機(jī)排氣系統(tǒng)多采用抗性消音器，這些擴(kuò)張室、共振室無疑增加了排氣的阻力。考慮到本船安裝的廢氣鍋爐已起到消音作用，消音器可在保留滅火星功能的同時(shí)，對(duì)消音部分作適當(dāng)修改以降低排氣阻力。修改后的圖紙如圖2所示。

圖2 修改后的消音器

圖3 修改后的排氣管路圖（單位：mm）

圖3為修改后的排氣管路布置圖，根據(jù)理論計(jì)算可降低排氣阻力800 Pa左右。根據(jù)分析重新對(duì)后續(xù)的船舶排氣管路進(jìn)行設(shè)計(jì)布置。試航時(shí)，當(dāng)主機(jī)在100%負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)測(cè)增壓器出口的排氣背壓為2 600 Pa，比修改前降低了1 000 Pa。

3 結(jié)論

排氣系統(tǒng)是由眾多影響元件構(gòu)成，要解決問題須基于整個(gè)系統(tǒng)考慮。主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓計(jì)算涉及到的因素較多，計(jì)算過程煩瑣，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮、注意各個(gè)狀態(tài)下的各個(gè)設(shè)備參數(shù)。此外，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)好管路布置，盡量保持管路的平直，多采用圓弧彎頭而避免采用直角彎頭，進(jìn)而有效減少主機(jī)出口的背壓。