25 000 t多用途集装箱船主机排气背压高故障分析

周志贤

（泰州口岸船舶有限公司，江苏泰州 225321）

0 引言

船舶主机的排气管通常较长，需要延伸到烟囱的顶部，且中间有管子弯头、组合锅炉、消音器、异径接头等气阻元件。这些由于气流阻力而产生的压力，即主机的排气背压。船舶主机有多个气缸，每缸依照顺序在不同的时间点排气，因此主机排气流是由一个个脉冲气流混合而成；缸数越多产生的脉冲数越多，排气流动越连续。船舶排气系统的设计目的是快速、高效地排出燃烧室中产生的废气。如若排气背压过大，则会导致排气阻力增加，排气速率降低，最终导致主机燃烧效率下降，经济性变差[1]。

1 原因分析

25000t多用途集装箱船主机排气管路由排气管、各种弯头、膨胀节、锅炉、消音器和异径接头等组成，首制船在试航时发现主机增压器的出口排气背压在主机100%负荷时，达到3 600 Pa，远高于主机厂要求的3 000 Pa。

通过测量锅炉、消音器的进出口废气压力，测量并查找相关资料可知：

1）锅炉的进出口要求为Φ1 216，但整个排气管可按Φ1 016设计；

2）锅炉的背压比设计要求（900 Pa在主机85%负荷）高于450 Pa；

3）消音器的背压比设计要求（450 Pa）高于300 Pa；

针对如何降低主机排气背压、提高主机燃烧效率等问题，本文做出了以下计算分析与修改。

图1 修改前的排气管路图（单位：mm）

2 管路系统阻力分析

排气背压由2部分组成：一是由气流局部阻力产生的压力；二是气流摩擦阻力产生的压力[2]。他们都是由气流运动时为克服粘性切应力所引起的。摩擦阻力损失发生在排气管壁上，是由气流与壁面摩擦而产生的，其大小取决于管壁粗糙度和气流速度。针对排气系统的管路局部阻力进行重点分析。

局部阻力损失发生在排气系统管路弯头、消声器、组合锅炉、异径接头等使气流通道收缩、扩张等截面突变处。由于气流速度发生突变形成漩涡和流体相互碰撞，流体脱离管壁使流体各部分间的动量交换加剧，增加能量逸散，进一步加剧了气体间的相互摩擦。局部阻力损失的大小取决于排气管路的局部结构、管路直径、气流速度等，可用式(1)进行计算：

式中：ξ为局部阻力系数；ρ为气体密度，kg/m3；ν为气流速度，m/s。

摩擦阻力损失和局部阻力损失均与气流速度的平方成正比，排气背压与主机功率损失间关系密切；排气背压越大，主机输出功率越低。

2.1 管径修改

将锅炉出口排气管管径由Φ1 016 改为Φ1 216，压力损失计算如式(2)：

式中：ρ＝1.293×273/(273＋T)×1.015，kg/m3。

在主机85% MCR负荷时，T1＝236℃，则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

在主机100%负荷时，T1＝242℃，则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。

根据经验，阻力系数ξ取1。比较修改前排气管压力损失Δp1和修改后排气管压力损失Δp2可知，将排气管径由Φ1 016 mm改为Φ1 216 mm可降低背压380 Pa。

2.2 取消锅炉出口异径接头

在排气管的截面突变处也易造成局部阻力损失，在原锅炉出口处设有异径接头。现锅炉出口排气管由Φ1 016 mm 改为Φ1 216 mm，原异径接头已不再需要，可降低背压40 Pa～50 Pa。

2.3 修改排气管弯头

弯管角度越小，管路越平直，则排气流动阻力越小。因此，在设计排气管路走向时，应尽可能避免使用大角度弯头，使排气管路尽量平直圆滑，以减小压力损失。修改烟囱出口排气管，将现有烟囱出口的弯度（90°）改为60，见式(3)。

烟囱出口弯度为 90°时，ξ＝0.28，Δp＝13.70 Pa；

烟囱出口弯度为60°时，ξ＝0.16，Δp＝7.84 Pa；

可降低排气阻力约60 Pa左右。

2.4 消音器

消音器的种类很多，究其消声机理，可以将其分为阻性消音器、抗性消音器、阻抗复合式消音器。阻性消音器主要利用多孔吸声材料来降低噪声，将吸声材料固定在气流通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列；当声波进入阻性消音器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消音器的声波减弱。阻性消音器对中高频消声效果好、对低频消声效果较差。抗性消音器内部由管道、隔板等部件组成，当气流通过这些消声单元时，声波在传播过程中发生反射、干涉，降低声能量以达到消声的目的。抗性消音器通常在低、中频带的消音效果好[3]。

不同的消音器内部的结构、气流速度不同，背压也各不相同。一般来说，局部阻力损失主要发生在抗性消音器中，而摩擦阻力损失主要产生在阻性消音器中。在船用主机排气管路消音器设计过程中，消音器结构应尽可能简单，避免因结构剧烈突变引起大的气流阻力，从而影响排气的顺畅性。主机排气系统多采用抗性消音器，这些扩张室、共振室无疑增加了排气的阻力。考虑到本船安装的废气锅炉已起到消音作用，消音器可在保留灭火星功能的同时，对消音部分作适当修改以降低排气阻力。修改后的图纸如图2所示。

图2 修改后的消音器

图3 修改后的排气管路图（单位：mm）

图3为修改后的排气管路布置图，根据理论计算可降低排气阻力800 Pa左右。根据分析重新对后续的船舶排气管路进行设计布置。试航时，当主机在100%负荷运行，实测增压器出口的排气背压为2 600 Pa，比修改前降低了1 000 Pa。

3 结论

排气系统是由众多影响元件构成，要解决问题须基于整个系统考虑。主机排气系统背压计算涉及到的因素较多，计算过程烦琐，因此在设计时应综合考虑、注意各个状态下的各个设备参数。此外，应尽量设计好管路布置，尽量保持管路的平直，多采用圆弧弯头而避免采用直角弯头，进而有效减少主机出口的背压。