礦砂船主柴油機掃氣管道加裝濾器的改造設計

劉錦龍， 張建偉， 馬俊， 路萬鵬

（浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山316000）

0 引 言

由于礦砂在港口堆積，港口的空氣中混雜沙塵不可避免，而且船舶靠港裝卸貨的過程中也會造成大量的粉塵，這不但會造成港口的環境污染，還會使柴油機吸入大量的沙塵、粉塵等的顆粒物。眾所周知，在柴油機氣缸運行時，需要干凈的環境來保證其內壁的相對光滑，如果此類雜質顆粒物因為掃氣時被吸進氣缸，將會極大地影響柴油機的運行狀態，縮短氣缸及柴油機的使用壽命，嚴重時會危及船舶安全[1]。為了保障船用設備的安全性，減少隱患，文中對礦砂船船舶主柴油機的掃氣管道加以改造設計——加裝特殊濾器。

1 礦砂船柴油機面臨的潛在危害

礦砂船作為特殊船舶，沙子顆粒物很容易彌漫并被攜帶到機艙柴油機附近的空氣中，使其主柴油機可能面臨潛在危害，具體表現為吸入的粉塵會影響滑油質量，進而影響柴油機的潤滑系統，造成柴油機缸套與活塞磨損加劇，縮短使用壽命；也會造成燃燒室燃燒不良，效率下降，還有可能造成燃燒室及排氣閥積碳、加劇燃燒室組件磨損等不良危害。

2 柴油機的改良設計思路

現有的柴油機中，空冷器和各氣缸之間在結構上無任何障礙，選擇對柴油機的這一部分進行改良可以明顯提高效率和節約成本。而改良的方法就是在船舶主柴油機掃氣管道中加裝一種用于攔截并吸附顆粒物的特殊濾器，過濾器是減少顆粒物吸收的最有效裝置，此改造若試驗成功，可明顯提高柴油機的使用壽命和船舶的安全性。

2.1 濾器的設計原理

制造柴油機時，尤其是礦砂船船舶使用的主柴油機，在掃氣管道內加裝兩道濾網，位置設置在空冷器和第一個氣缸之間，在礦砂顆粒等可能危害氣缸運行的雜質隨著掃氣空氣經過空冷器進入第一個氣缸之前，必須要先經過兩層濾器過濾，使得礦砂顆粒等雜質被最大限度地攔截，并在濾器邊設置檢測系統檢測濾器是否正常工作，從而保證進入氣缸的空氣的潔凈度，避免了氣缸內因磨損而引起的危害，設計示意圖如圖1所示。

圖1 空氣濾網設計圖

2.2 濾器設計的額外因素

設計濾器時需要考慮的額外因素是濾網的定期清潔問題。

關于濾器的清潔，設想是制作可拆卸的形式的濾器，定期或者當檢測系統發出故障信號，即得知原用濾器被堵塞后，將其取出并使用備用濾器替換；再對濾器進行沖洗和放殘，過濾的雜質通過專用管道排出，隨后將其存放在特定儲物點，以備重新使用。

3 濾器系統的設計方案

系統的設計方案包括以下3部分：1）空氣濾網的設計；2）檢測方法與檢測系統的設計；3）專用排放管道的選擇與放置。

結合系統的設計原理，在實際設計制作過程中，綜合考慮各部件的功能和區別，結合相應特性的可能性，使裝配的各個部件能完全契合。

3.1 空氣濾網的設計

3.1.1 技術背景

濾網的工作原理在于沙塵、粉塵顆粒與過濾網存在著黏合力：當空氣中的塵埃顆粒隨氣流作慣性運動或不規則運動而撞到過濾網時，粒子與濾網之間產生范德瓦爾斯力使顆粒物附著在濾網上。若過濾材料本身帶靜電或沙塵、粉塵帶靜電，過濾效果更佳。因為靜電會使顆粒物改變運動軌跡并撞向障礙物，產生的靜電力使礦砂顆粒在過濾網上粘得更牢固。

一般過濾器的等級分為3類：初效過濾、中效過濾和高效過濾。

1）初效過濾。適用于過濾直徑為5 μm 以上沙塵、粉塵顆粒。初效過濾器有3種樣式：板式、袋式、折疊式；外框材料有紙框、鋁框、鍍鋅鐵框3種[2]；過濾材料有玻璃纖維、聚酯纖維、植物纖維、尼龍網、無紡布、活性炭濾材、金屬孔網等[3]。

2）中效過濾。適用于捕集直徑為1～5 μm的灰塵顆粒及各種懸浮物[4]，在對空氣凈化度要求不嚴格的場所，由中效過濾器處理過的空氣可供人呼吸。中效過濾器多為袋式樣式，邊框有冷板噴塑、鍍鋅板等種類，過濾材料有無紡布、玻璃纖維等[3]。

3）高效過濾。應用于微電子工業、精密儀器儀表、醫療衛生等行業中高精尖工作儀器的凈化設備中處于空氣末級過濾，屬于精過濾。

沙塵顆粒物較粗，粒徑大于75 μm；粉塵顆粒物較細，粒徑在1～75 μm之間。綜合上述，由于礦砂船主柴油機處在沙塵濃度較高的環境，為減少沙塵、粉塵顆粒物可能對柴油機造成的危害，過濾器等級只需選擇初效過濾即可。

3.1.2 濾器材料與結構

過濾介質材料的選擇要求是，既能有效地過濾顆粒物，又不對氣流形成過大的阻力。原板式過濾器的材料采用聚酯纖維，袋式過濾器使用的材料是玻璃纖維或者植物纖維。交織而成的纖維網成為阻擋顆粒物通過的屏障，纖維孔隙的空間使氣流順利通過[4]。

由于礦砂顆粒物會與過濾網產生一定的摩擦，使過濾網使用壽命縮短，而材料成本較高，所以制作的濾網應增加過濾面積，這是延長過濾器使用壽命的最有效方式，使其在長期的過濾工作后，既能增強整套系統的耐用性，又能保持較高的過濾效率，提高系統性價比。

袋式過濾器相比原板式過濾器，可將初效過濾器的過濾面積提高數十倍，極大地提高初效過濾的容塵量。過濾面積越大，顆粒物的容納量就越多，過濾器的使用壽命也越長。袋式過濾器原型如圖2所示。

兩層空氣濾網應具備能夠盡量多地過濾大小不一的微小顆粒物的孔徑，在保證足夠的過濾效率的同時，還要有較小的流通阻力，因此通過對過濾材料面積的最大化，來降低透過濾網的相對風速，可以減小流通阻力。前提是需要考慮濾網的外形及大小與掃氣管道能否匹配，尺寸不宜過大，便于安裝和取出，當濾器堵塞或者過濾達到飽和狀態時，便可將其拆卸，清洗放殘并風干，同時使用備用濾器替代。

圖2 袋式過濾網樣式

3.2 檢測方法與檢測系統的設計

3.2.1 檢測方法的分析

過濾器的性能是以過濾的最低效率值為代表值的，當過濾網達到飽和狀態或堵塞時，礦砂顆粒物填滿空氣濾網的孔隙，使空氣本身的通過量也大大減少，從而導致通過濾網的空氣的氣壓遠小于剛流入掃氣管的空氣的氣壓。新過濾器的流通阻力稱為初阻力，對應的報廢阻力稱為終阻力，終阻力一般為初阻力的2倍[5]。過濾器的回收更換應在過濾器阻力達到終阻力前進行，以避免過濾器長時間不更換而報廢，以增加其重復使用的機會。

以氣壓差的形式來分析過濾器前后的阻力，在濾網前后各安裝一個壓力表，記作A表和B表。在介質過濾過程中，同時記錄兩個表的讀數，分別記作PA、PB，氣壓差前后的變化如表1所示。

表1 濾網前后氣壓差測量表MPa

從表1中的數據可知，進口處的壓力表讀數PA總大于出口處壓力表讀數PB。在濾器逐漸被雜質填堵的過程中，PA數據逐漸增大，PB數據逐漸減小。例如，當PA讀數上升到1.2 MPa，PB讀數降到0.25 MPa時，濾器約有70%的過濾面積被堵，此時已不能滿足過濾要求。據此監測可判斷濾器工作是否正常，以便確定清洗、更換濾網的最佳時間。

鑒于此原理，文中采用的檢測濾網是否需要清洗的方法是相對簡單實用的氣壓差法。該方法的優勢在于準確率較高，可減小選擇清洗更換的時機的盲目性，延長有效工作時間，且成本較低。

3.2.2 檢測系統的設計

氣壓傳感器是一種檢測裝置，用于測量氣體的絕對壓強，此裝置能感受到被測量的信息，并將檢測到的信息按一定規律轉換成電信號或其他形式的數據信號，實現氣壓值的處理、傳輸、顯示、記錄和檢測等要求[6]。經過數據信號處理后，得出當前的氣壓差，進而比較當前的氣壓差數據與報警設定值，當高于設定值時發出報警信號。根據檢測方法、檢測裝置的使用方式及空氣濾網的設計的特點，檢測系統需要3個氣壓傳感器，分別安裝在第一層空氣濾網之前、兩層濾網之間和第二層空氣濾網之后，以檢測3個管道空間的氣壓大小。

通過無線射頻的方式，分別將3個空間的氣壓數據信號傳遞到無線接收裝置[7]，這種方式的優點在于能夠讓工作人員遠程、實時地了解氣壓差的變化并準確判斷空氣濾網的工作狀態。缺點是裝置成本較高，無線通信時數據傳輸可靠性較差。

另一種方式是使用氣壓報警器，當氣壓差高于設定值時發出報警信號，報警方式有蜂鳴器鳴響、LED燈光閃爍等方式，這類傳感器的優點在于實現檢測自動化，但采用的是機械原理，所以檢測精度比第一種檢測裝置差而且較為不穩定。

若將兩類方法有機結合起來，形成互補的關系，即可提高檢測系統的可靠性和準確性。

4 專用管道的選擇與放置

為了避免取出過濾網后，沙塵、粉塵在船舶艙室中再次擴散，對主柴油機等設備造成二次污染，在清洗過濾網后，還需要使用專用管道收集已過濾的雜質。專用管道可選擇薄膜風管或其他軟風管，放置條件是管道出口遠離機艙。由于收集的礦砂顆粒濃度很低，對環境造成的污染性、危害性極小，因此將管道一端與外界連通，在抽風口放置抽風機，將雜質抽吸進管道，并直接排放至外界。

5 結 語

礦砂船在港口作業時，由于處在高濃度沙塵環境，其主柴油機容易吸入大量顆粒物，可能會造成潛在危害。在柴油機上使用顆粒物過濾器能產生良好的減少顆粒物吸入的效果，可降低柴油機的故障率。制作過濾器的材料及樣式的選擇多樣，需考慮兼容性，配合原有部件。在過濾器的使用過程中，由氣壓傳感報警器作檢測裝置，以使過濾器的工作效率、使用壽命最大化。通過科技手段對設備進行改良來防止船舶事故的發生，將進一步提高船舶機艙的安全性，在一定程度上減少主機的維修次數，節省成本，提高柴油機的使用壽命，具有較大的經濟效益。文中的設計理念可為船用柴油機預防損壞的研究提供有益經驗和借鑒。