主机增压器升级后的排烟系统改造

唐传安，严建兵，杨述闯，柯小磊

(大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁 大连 116021)

主机增压器升级后的排烟系统改造

唐传安，严建兵，杨述闯，柯小磊

(大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁 大连 116021)

为降低主机低负荷工况下的燃油消耗，部分船舶主机更换了高效增压器。为防止增压器过载和废气锅炉发生安全性问题，文章以某型VLCC船的主机增压器升级为例，研究了旁通增压器和旁通废气锅炉的排烟系统改造方案，该方案改造量小、成本低、可靠性优良。

排烟系统；主机；改造

近年来，许多船东对营运船舶采取了降航速运行的措施，其目的一方面是为了降低营运成本，通过试验表明，在船舶现有航速基础上降低20%以下能有效节省燃油消耗；另一方面为应对温室效应，降低碳排放量以保护环境[1]。

船舶降速航行意味着主机将长时间在低负荷下运行。为进一步减少主机在低负荷下的燃油消耗，部分船东选择了对主机进行升级，其中主机废气旁通的优化升级方案比较受船东欢迎。其原理为将主机增压器由普通增压器升级为高效增压器，提高低负荷时的增压器效率以降低油耗，但同时为了防止增压器过载，在主机高负荷运行时部分废气需被旁通掉，不进入增压器[2]。

本文以某型30.8万t VLCC船主机改造项目为例，阐述和分析了主机增压器升级后的排烟系统改造方案，该船主机型号为MAN B&W 7S80ME，增压器升级仅涉及其内部元件改造，由专业厂家完成，而排烟系统的改造较复杂，由船厂完成，主要涉及改造主机增压器处和废气锅炉区域的排烟管。

1 主机增压器处排烟管路改造

根据废气旁通的原理要求，主机厂在主机本体上设一废气旁通路径，其上设有自动控制的蝶阀和节流孔板，其控制逻辑为：当主机负荷在80%以下时，蝶阀全部关闭，所有烟气均进入增压器；当主机负荷继续升高时，蝶阀逐渐打开，直至90%以上时蝶阀全部开启，在主机最大负荷时，约有6%的废气不经过增压器被旁通掉。据此，设计的排烟管路系统图如图1所示。

图1 主机增压器排烟旁通管路

旁通系统的设计关键如下。

1)废气旁通管路上同样需要设置膨胀节以抵消管路热膨胀，防止排烟管热应力过大。但由于此处的烟气未经过增压器做功，所以压力和温度较高，膨胀节选型时应满足介质的工况。通常应选择工作压力在0.5 MPa以上，工作温度在500 ℃以上的膨胀节，膨胀节的其它参数应满足GB/T 12522的技术要求。

2)由于废气旁通管路处的烟气压力和温度较高，节流孔板后的膨胀节工作环境恶劣。为避免膨胀节损坏，节流孔板和膨胀节间应设一至少0.5 m以上的直管段用来稳流，防止节流孔板后的烟气直接作用在膨胀节上，引起膨胀节变形甚至破碎。

3)为保证蝶阀阀板正常开启不受阻挡，蝶阀和节流孔板间也应设一短管。

4)旁通排烟管的口径按主机最大工况下废气量的6%～10%计算确定， 本船设为DN400。

2 废气锅炉处的排烟管路改造

与普通增压器相比，更换高效增压器后，主机的排烟量和排烟温度均发生了变化。总的来说，由于主机高负荷时部分烟气不经过增压器，不损失能量做功，故总的排烟热量呈增大趋势。主机排烟热量的增加将导致废气锅炉的蒸汽产生量增大。如果蒸汽量过大，超过废气锅炉的设计负荷，将导致废气锅炉的蒸汽空间不足、安全阀口径不足、给水系统能力偏小、蒸汽卸荷阀能力不够等一系列问题。因此，必须对排烟热量增加后的蒸汽产生量进行评估核算。

蒸汽产生量按下列公式进行估算[2-3]：

(1)

结合主机的排烟参数和上述公式，得出典型工况下的蒸汽产生量如表1所示。根据厂家资料，本船的废气锅炉及其附属系统，设计蒸汽最大产生量为3 900 kg/h。从表1可知，在夏季工况下，其最大蒸汽产生量为4 772 kg/h，超过了废气锅炉的承受能力，这是设计不允许的。为适应新的烟气参数，如果对废气锅炉进行改造，则需要改造其内部结构和附属系统，主要包括炉体的蒸汽空间和烟管改造，改造后需重新测试并得到船级社的认可；锅炉给水系统改造，包括给水泵、管路及附件、电气启动器等；改造安全阀。

表1 主机增压器升级后的蒸汽产生量

针对本船这种情况，经综合评估，参照增压器旁通管路的设计原理，我们采取将部分主机排烟再旁通掉，不进入废气锅炉的方法来防止蒸汽产生量过大，就可以避免对废气锅炉本体的改造。这种废气锅炉排烟旁通系统设计原理如图2所示。该旁通系统由蝶阀、节流孔板和必要的膨胀节组成。其中蝶阀根据装在废气锅炉进口排烟管上的感温探头来控制，当废气锅炉进口温度超过设定值时，蝶阀自动开启，部分烟气就可以被旁通掉；当温度低于设定值时，蝶阀则自动关闭。选择合适口径的蝶阀和节流孔板，可以完成排烟旁通量的比例分配，保证进入废气锅炉的排烟量不超过规定值。同时要求该蝶阀具有本地手动控制模式，用于人工旁通转换，这样可以实现根据蒸汽需求量来灵活调整废气锅炉烟气进入量。

图2 废气锅炉排烟旁通系统图

这是一种比较可行且改造量较小的方案。此方案的设计关键为确定旁通烟气量和旁通系统开启的时机。在对本船废气锅炉烟气旁通方案的设计中，有2个技术参数是设计的依据：一是本船技术说明书要求的主机在ISO工况下 85%负荷时，蒸汽产生量不得小于2 000 kg/h；二是在任何情况下，蒸汽产生量不能超过废气锅炉的设计最大能力3 900 kg/h。综合表1的数据和主机烟气温度变化趋势，其控制逻辑可设计为：在排烟温度超过275 ℃时，将主机30%的烟气量旁通掉，对应可减少30%的蒸汽产生量；在排烟温度小于275 ℃时，旁通管路关闭，则可同时满足技术说明书和废气锅炉允许最大蒸汽产生量的要求，按这种控制逻辑设置旁通系统后的蒸汽产生量如表2所示。

表2 废气锅炉增加旁通系统后的蒸汽产生量

在主机高负荷运行阶段，主机的排烟温度随负荷的增加而逐渐升高，与排烟总热量的变化趋势一致。即温度超过某一设定值，对应排烟热量也会超过废气锅炉的允许值。同时由于温度探测方法较流量、热量等探测方法更简单易行，故在本方案中选择根据温度来控制蝶阀自动开关。

为达到烟气旁通量为30%的技术要求，根据实船的排烟管布置情况确定弯管、三通等阻力部件数量，根据废气锅炉的厂家资料确认其阻力损失，以主机最大工况下的烟气量为输入参数，建立管路阻力计算模型。在不改变原废气锅炉排烟主管路口径DN1900的情况下，经过计算，排烟旁通管路和蝶阀口径为DN1100，节流孔板开孔直径为0.43 m时，可满足设计要求。

3 结束语

在本船的技术升级中，主机更换为高效增压器后，设置了两处排烟旁通系统，一处为旁通增压器；另一处为旁通废气锅炉。这两处排烟旁通系统，在主机高负荷工作时，能对增压器和废气锅炉进行有效的保护。本船改造后经试航及交船后的运营检验，整个排烟系统运行正常，功能可靠，废气锅炉的蒸汽量也满足使用和安全要求，证明整个系统达到了预期目的。同时，通过本项目的改造方案，也探索出一种在主机排烟热量增加的情况下，无需更改废气锅炉本体，就可防止废气锅炉蒸汽量过大的技术方案，该方案具有改造量小，成本低的明显优势。

[1] 张名齐,马道学, 张永锋，等. 船舶超低速航行应对市场低迷与环境危机[J]. 集装箱化, 2010, 21(5): 4-6.

[2] 汤瑾璟,应银生,李鑫. 主机低油耗引发废气锅炉蒸发量不足问题的应对措施[J]. 船舶设计通信，2014 (2)：47-51.

[3] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册：轮机分册[M]. 3版.北京：国防工业出版社，2013.

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Some of the turbochargers are updated with high efficiency for reducing the fuel oil consumption when the main engine of ship works on low load.To prevent from turbocharger overload and safety problems of exhaust gas boiler,a turbocharger updating of a VLCC ship is taken as an example in this paper.The technical modification plan of the exhaust gas by pass system for turbocharger and exhaust gas boiler is given with the advantages of small change,low cost and high reliability.

exhaust gas system;main engine;modification

唐传安(1981-)，男，辽宁大连人，高级工程师，硕士，主要从事船舶与海洋平台的轮机设计工作。

TH311

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.004

2017-02-16