某船舷側(cè)排氣系統(tǒng)異常噴淋故障分析與解決

徐雪波，董大朋

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

舷側(cè)排氣系統(tǒng)由于其甲板安裝空間要求低、排氣噪聲小，具有較高的靈活性和隱蔽性。近年來，逐漸不再局限于在空間有限的小型船舶上應(yīng)用，某些中、大型船舶的推進(jìn)柴油機(jī)或電站柴油機(jī)也開始采用舷側(cè)排氣方式。舷側(cè)排氣方式是采用橫向管路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)煙囪管道，并將排氣口設(shè)置在水線附近，以便廢氣從舷側(cè)排出時(shí)可以利用船體和波浪起一定程度的遮蔽作用。部分舷側(cè)排氣系統(tǒng)采用海水噴淋冷卻來降低排放廢氣溫度，以達(dá)到排氣系統(tǒng)紅外抑制以及噪聲控制的目的，減少了排放至大氣中的有害物質(zhì)，同時(shí)也減小了熱膨脹的廢氣體積，相對(duì)常規(guī)煙囪排氣，對(duì)排氣系統(tǒng)的尺寸重量設(shè)計(jì)都帶來了積極影響，是一種高效且經(jīng)濟(jì)的濕式舷側(cè)排氣方式[1-3]。濕式舷側(cè)排氣系統(tǒng)在中、大型船舶上實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)尚不充足，某中型船舶的主推進(jìn)及電站柴油機(jī)均采用海水噴淋冷卻式舷側(cè)排氣系統(tǒng)。該船舷側(cè)排氣系統(tǒng)在試驗(yàn)階段出現(xiàn)偶發(fā)性異常噴淋故障。通過對(duì)該故障的原因分析和控制邏輯改進(jìn), 排除了系統(tǒng)的安全隱患。

1 某船舷側(cè)排氣系統(tǒng)功能組成及原理

1.1 功能組成

該船主推進(jìn)柴油機(jī)（簡(jiǎn)稱“主機(jī)”）舷側(cè)排氣系統(tǒng)組成圖見圖1，集氣管及初級(jí)消音器端連接主機(jī)排氣上升管，后續(xù)排氣管通過膨脹節(jié)彈性連接，2號(hào)排氣管末端設(shè)有冷卻海水初級(jí)噴射器，排氣出口端依次裝配有舷側(cè)閥、導(dǎo)流帽。導(dǎo)流帽通過與排氣管一體的法蘭安裝在船體舷側(cè)，以減少海水沖擊排氣管口造成排氣壓力振動(dòng)[3]。整個(gè)排氣系統(tǒng)通過彈性支撐沿向下傾斜的趨勢(shì)固定在船體結(jié)構(gòu)上，傾斜角度需確保船體橫傾45°以內(nèi)時(shí)，海水不會(huì)倒灌進(jìn)主機(jī)，同時(shí)使冷卻海水能夠靠重力和廢氣一起從舷側(cè)自行排出，排氣口如圖2所示，大致位于水線附近[2]。

圖1 主機(jī)舷側(cè)排氣系統(tǒng)典型組成布置圖

圖2 主機(jī)舷側(cè)排氣系統(tǒng)排氣口示意圖

1.2 工作原理

主機(jī)燃燒廢氣經(jīng)各級(jí)排氣管橫向排出過程中，海水冷卻初級(jí)噴射器將冷卻海水噴射進(jìn)2號(hào)排氣管末端，通過噴淋冷卻將溫度超過500 ℃的主機(jī)廢氣降低到60 ℃左右后排出舷側(cè)。海水噴淋冷卻系統(tǒng)的水源來自主機(jī)冷卻水管路，備用冷卻海水來自于主消防水管路，主要由電動(dòng)冷卻海水噴射泵、電動(dòng)海水流量調(diào)節(jié)閥、海水泄放閥、海水壓力傳感器等組成。噴淋工況下泄放閥關(guān)閉，系統(tǒng)停止工作后打開泄放閥以排出管路末端殘余冷卻海水。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制裝置主要包括機(jī)旁控制箱（含邏輯控制器）以及排氣背壓傳感器、排氣溫度傳感器等。邏輯控制器實(shí)時(shí)采集傳感器信息進(jìn)行邏輯控制和參數(shù)越限報(bào)警，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)及主機(jī)負(fù)荷信號(hào)——油門齒條信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)海水流量調(diào)節(jié)閥的開度，通過控制冷卻海水噴射量來實(shí)現(xiàn)排放廢氣的降溫指標(biāo)。

2 舷側(cè)排氣系統(tǒng)異常噴淋故障

2.1 故障概況

舷側(cè)排氣系統(tǒng)異常噴淋故障發(fā)生在該船航行試驗(yàn)完成后的碼頭停泊階段，部分系統(tǒng)和設(shè)備在航行試驗(yàn)后進(jìn)行缺陷更正和調(diào)試。根據(jù)全船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警記錄分析，故障發(fā)生當(dāng)天，舷側(cè)排氣系統(tǒng)在無任何人工操作的情況下，突然在主機(jī)沒有運(yùn)行下異常起動(dòng)，海水噴射泵自動(dòng)起動(dòng)，海水流量調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開進(jìn)行冷卻水噴淋，而此時(shí)舷側(cè)閥和泄放閥均為關(guān)閉狀態(tài)，冷卻水無法正常排出，逐漸積累倒灌導(dǎo)致2號(hào)排氣管積水。船上值班人員發(fā)現(xiàn)排氣管排氣背壓壓力高報(bào)警信號(hào)后，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常噴淋故障并立即手動(dòng)停止海水噴射泵，手動(dòng)打開泄放閥排出管路冷卻水。該故障若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)導(dǎo)致冷卻水繼續(xù)倒灌至主機(jī)，該類異常噴淋故障對(duì)主機(jī)安全的風(fēng)險(xiǎn)性極大，因此有必要深入分析故障原因并及時(shí)采取解決措施。

2.2 故障原因分析

結(jié)合全船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息記錄，對(duì)故障當(dāng)天船上的調(diào)試工作進(jìn)行排查分析，最終排查出相關(guān)性最大的是主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)廠家當(dāng)天曾對(duì)主機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行更新。在航行試驗(yàn)的緊急停船試驗(yàn)過程中，舷側(cè)排氣系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)聯(lián)鎖誤報(bào)警。原因是緊急停船水渦輪效應(yīng)工況下主機(jī)短時(shí)負(fù)荷為0，舷側(cè)排氣系統(tǒng)誤以為主機(jī)停機(jī)，停止海水泵，同時(shí)發(fā)出起動(dòng)聯(lián)鎖信號(hào)，而主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也未對(duì)該起動(dòng)聯(lián)鎖設(shè)置一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的閉鎖，發(fā)出誤報(bào)警。為單方面簡(jiǎn)單解決該問題，主機(jī)監(jiān)控廠家將主機(jī)0負(fù)荷時(shí)（無論主機(jī)是否運(yùn)行）發(fā)送給舷側(cè)排氣系統(tǒng)的油門齒條信號(hào)由0改為了6%。而舷側(cè)排氣系統(tǒng)收到主機(jī)負(fù)荷信號(hào)后自動(dòng)開始運(yùn)行，先后發(fā)出泄放閥關(guān)閉、舷側(cè)閥打開的控制信號(hào)，然后開啟海水噴射泵，打開海水流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行排氣管內(nèi)噴淋。

然而，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)顯示和現(xiàn)場(chǎng)觀察，故障當(dāng)時(shí)泄放閥和舷側(cè)閥均為關(guān)閉狀態(tài)，不符合正常工作狀態(tài)。泄放閥和舷側(cè)閥均為電控氣動(dòng)閥，對(duì)兩閥的控制線路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、執(zhí)行動(dòng)力源等進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)由于航行試驗(yàn)后碼頭停泊階段機(jī)艙內(nèi)設(shè)備壓縮空氣需求較少，壓縮空氣管路中僅殘留少量氣體，推測(cè)是動(dòng)力源不足導(dǎo)致兩閥接受控制指令后只關(guān)閉了泄放閥，未成功打開舷側(cè)閥。海水泵將冷卻水噴射進(jìn)排氣管內(nèi)卻無法通過舷側(cè)閥或泄放閥排出，最終導(dǎo)致排氣管積水。通過故障現(xiàn)象及原因排查，可以分析出主機(jī)未起動(dòng)舷側(cè)排氣系統(tǒng)卻自動(dòng)開始工作的控制功能存在問題，需要進(jìn)一步分析主機(jī)各工作環(huán)節(jié)中舷側(cè)排氣系統(tǒng)的控制邏輯。

2.3 舷側(cè)排氣系統(tǒng)控制邏輯分析

2.3.1 主機(jī)起動(dòng)環(huán)節(jié)舷側(cè)排氣系統(tǒng)控制邏輯

當(dāng)收到主機(jī)發(fā)出的“起動(dòng)請(qǐng)求”信號(hào)時(shí)，舷側(cè)排氣監(jiān)控裝置遙控關(guān)閉泄放閥、打開舷側(cè)閥，然后起動(dòng)海水泵并監(jiān)測(cè)海水調(diào)節(jié)閥（處于關(guān)閉狀態(tài)）的進(jìn)口壓力值，當(dāng)壓力大于某設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控裝置將反饋“允許起動(dòng)”至主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，解除主機(jī)起動(dòng)聯(lián)鎖進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。圖3為主機(jī)各工作環(huán)節(jié)舷側(cè)排氣系統(tǒng)的控制邏輯流程圖。

圖3 主機(jī)各工作環(huán)節(jié)舷側(cè)排氣系統(tǒng)控制邏輯流程圖

2.3.2 主機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)舷側(cè)排氣系統(tǒng)控制邏輯

當(dāng)舷側(cè)排氣系統(tǒng)收到的主機(jī)油門齒條信號(hào)大于2%時(shí)，按設(shè)定的主機(jī)負(fù)荷—冷卻水流量關(guān)系進(jìn)行海水調(diào)節(jié)閥的開度控制，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行主機(jī)安全保護(hù)及參數(shù)越限報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)廠商根據(jù)主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)各功率下排氣溫度及滿足降溫指標(biāo)所需冷卻海水流量等相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算和調(diào)試最終得出的主機(jī)功率-冷卻海水流量曲線，圖4為該曲線的簡(jiǎn)略示意圖[4]。

圖4 主機(jī)功率-冷卻海水流量曲線簡(jiǎn)略示意圖

2.3.3 主機(jī)停止環(huán)節(jié)舷側(cè)排氣系統(tǒng)控制邏輯

當(dāng)收到主機(jī)油門齒條信號(hào)小于2%時(shí)，舷側(cè)排氣系統(tǒng)關(guān)閉海水調(diào)節(jié)閥，停止海水噴射泵，主機(jī)油門齒條信號(hào)為0時(shí)，延時(shí)3 s后關(guān)閉舷側(cè)閥、打開泄放閥。

通過分析舷側(cè)排氣系統(tǒng)的控制邏輯可以得知，系統(tǒng)初始準(zhǔn)備狀態(tài)應(yīng)為舷側(cè)閥關(guān)閉，泄放閥打開，海水噴射泵停止運(yùn)行。正常起動(dòng)狀態(tài)下海水噴射泵在泄放閥關(guān)閉、舷側(cè)閥打開后起動(dòng)，然后主機(jī)才能起動(dòng)，舷側(cè)排氣系統(tǒng)再根據(jù)燃油齒條信號(hào)打開海水流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行噴淋。此次故障的發(fā)生，說明舷側(cè)排氣系統(tǒng)把主機(jī)負(fù)荷信號(hào)也作為主機(jī)起動(dòng)信號(hào)，且各命令執(zhí)行過程中無狀態(tài)反饋聯(lián)鎖。

2.4 故障實(shí)船再現(xiàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述故障原因分析和推斷, 實(shí)船進(jìn)行模擬試驗(yàn), 以實(shí)現(xiàn)異常噴淋故障再現(xiàn)。在對(duì)主機(jī)進(jìn)行安全保護(hù)的前提下，由主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模擬大于5%的負(fù)荷信號(hào)至舷側(cè)排氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)開始起動(dòng)程序和運(yùn)行程序，符合前期關(guān)于系統(tǒng)誤將負(fù)荷信號(hào)作為起動(dòng)信號(hào)的判斷。然后通過排出管路部分壓縮空氣的方法，模擬管路僅殘留少量空氣的狀態(tài)，再現(xiàn)了故障發(fā)生時(shí)泄放閥和舷側(cè)閥的動(dòng)作執(zhí)行情況：泄放閥未完全關(guān)閉，舷側(cè)閥幾乎未打開。但系統(tǒng)仍繼續(xù)執(zhí)行海水泵起動(dòng)、海水調(diào)節(jié)閥打開的指令，試驗(yàn)現(xiàn)象準(zhǔn)確驗(yàn)明了故障根本原因在于以下幾點(diǎn)：

1）舷側(cè)排氣系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)控制邏輯條件判斷混亂且缺少安全控制聯(lián)鎖

運(yùn)行程序判斷條件的負(fù)荷信號(hào)也能用于起動(dòng)程序，同時(shí)泄放閥、舷側(cè)閥、海水噴射泵起動(dòng)之間沒有用狀態(tài)信號(hào)做聯(lián)鎖控制，導(dǎo)致了舷側(cè)閥和泄放閥未開閉到位時(shí)海水噴射泵的誤起動(dòng)。

2）主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件更新時(shí)考慮問題不全面

主機(jī)監(jiān)控廠家采用的不分主機(jī)運(yùn)行與否給出非0負(fù)荷信號(hào)的方法并不完全合理，雖僅涉及單方面修改，但未和接口方協(xié)調(diào)確認(rèn)就更新軟件改變接口信息，導(dǎo)致舷側(cè)排氣系統(tǒng)在這種非常規(guī)工況下出現(xiàn)前期未預(yù)見的故障。

3 控制邏輯改進(jìn)及系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用建議

3.1 系統(tǒng)控制邏輯改進(jìn)

經(jīng)過與主機(jī)及舷側(cè)排氣系統(tǒng)廠家進(jìn)行接口協(xié)調(diào)，重新確定接口修改方案，在主機(jī)轉(zhuǎn)速大于怠速時(shí)閉鎖舷側(cè)排氣系統(tǒng)起動(dòng)聯(lián)鎖信號(hào)。同時(shí)要求舷側(cè)排氣系統(tǒng)更正系統(tǒng)的控制邏輯缺陷，進(jìn)行以下修改：

1）修改起動(dòng)控制程序，在泄放閥、舷側(cè)閥之間增加狀態(tài)聯(lián)鎖，且兩閥均開閉到位后反饋允許主機(jī)起動(dòng)信號(hào)，海水泵僅在主機(jī)成功起動(dòng)后才能起動(dòng)。修改后主機(jī)起動(dòng)環(huán)節(jié)舷側(cè)排氣控制邏輯流程見圖5。

圖5 舷側(cè)排氣系統(tǒng)起動(dòng)程序控制邏輯流程圖（修改后）

2）增設(shè)泄放閥和舷側(cè)閥空氣動(dòng)力管路壓力傳感器，對(duì)氣源壓力進(jìn)行顯示和越限報(bào)警。

將泄放閥和舷側(cè)閥的故障報(bào)警由黃色報(bào)警修改為紅色報(bào)警，以提高警示效果。

3）當(dāng)主機(jī)運(yùn)行信號(hào)有效時(shí)：若舷側(cè)閥關(guān)閉或泄放閥打開，系統(tǒng)監(jiān)控裝置停止海水泵，向主推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求主機(jī)安全停車信號(hào)；若控制系統(tǒng)失電，停止海水泵并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；

4）若主機(jī)負(fù)荷信號(hào)和主機(jī)運(yùn)行信號(hào)中的任一信號(hào)丟失（如斷線、通訊故障），系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，繼續(xù)保持原工作狀態(tài)，若兩信號(hào)同時(shí)丟失，系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求主機(jī)安全停車信號(hào)。

5）當(dāng)主機(jī)負(fù)荷信號(hào)為0時(shí)，延時(shí)120 s關(guān)閉舷側(cè)排氣閥。

在后續(xù)系泊航行試驗(yàn)中，對(duì)上述修改進(jìn)行功能驗(yàn)證，系統(tǒng)工作正常且滿足主機(jī)安全保護(hù)要求，緊急停船試驗(yàn)中也未再有誤報(bào)警現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 實(shí)船應(yīng)用建議

結(jié)合以上故障分析及解決措施，針對(duì)濕式舷側(cè)排氣系統(tǒng)的實(shí)船應(yīng)用，提出了以下2點(diǎn)建議：

1）重視安全及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于濕式舷側(cè)排氣系統(tǒng)的噴淋冷卻管路與主機(jī)排氣管有直接接口，相對(duì)煙囪排氣方式，需要配置更多的監(jiān)控點(diǎn)以提高系統(tǒng)可靠性和安全性，對(duì)設(shè)計(jì)、調(diào)試操作人員的要求也更高[5]。主機(jī)安全是濕式舷側(cè)排氣系統(tǒng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主機(jī)起動(dòng)聯(lián)鎖、安全停車的接口協(xié)調(diào)、功能實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

2）確保接口變化相關(guān)協(xié)調(diào)、調(diào)試工作安全可控

重要的軟件更新例如涉及多個(gè)系統(tǒng)接口參數(shù)或協(xié)議變化的，應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待，提前溝通協(xié)調(diào)可行性，更新時(shí)確保相關(guān)設(shè)備方及船廠值班人員在場(chǎng)以防止非預(yù)見故障發(fā)生。軟件更新過程中的相關(guān)報(bào)警應(yīng)當(dāng)重視并及時(shí)調(diào)查解決。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)某型舷側(cè)排氣系統(tǒng)應(yīng)用故障的分析總結(jié)，一方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，消除了主機(jī)安全隱患，提高了系統(tǒng)的可靠性；另一方面對(duì)海水噴淋式舷側(cè)排氣系統(tǒng)的實(shí)船設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，希望能為促進(jìn)國(guó)內(nèi)裝備建造水平的不斷提高提供參考借鑒。