主機(jī)排氣背壓計算與實例分析

葉愛君 林上豐

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.中遠(yuǎn)海運發(fā)展股份有限公司 上海200135）

引 言

船用低速柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶普遍使用低速船用柴油機(jī)作為主機(jī)。影響柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性有很多因素，人們往往會忽略排氣背壓的影響。排氣背壓過大，將民致柴油機(jī)燃料燃燒效率下降、有效功率降低、燃油經(jīng)濟(jì)性變差［1］。輸出功率損失，動力性能下降，同時排氣溫度升高，煙度加大，排放也變差［2］。因此，排氣背壓對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動力性以及排放等均有重要影響，合理的排氣背壓對柴油機(jī)性能至關(guān)重要［3-4］。

本文結(jié)合實測數(shù)據(jù)，利用等效轉(zhuǎn)換方法來分析主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓偏高的原因。

1 主機(jī)排氣系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

主機(jī)排氣系統(tǒng)是用于將主機(jī)燃燒所產(chǎn)生的廢氣順利地排出船外。某船主機(jī)采用MAN B&W 6S42MC，主機(jī)后端設(shè)有一臺型號為TCA55-20的增壓器。排氣系統(tǒng)包括排氣管、不銹鋼波形膨脹接頭、彈性支架、組合鍋爐、主機(jī)火星熄滅器等。主機(jī)排氣系統(tǒng)簡圖參見圖1。

圖1 主機(jī)排氣系統(tǒng)模型簡圖

1.2 背壓計算

參照主機(jī)資料，在ISO工況下，主機(jī)運行在SMCR時，主機(jī)排氣質(zhì)量流量為54900 kg/h，主機(jī)排氣溫度為 265 ℃。［5］

主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓計算［6］見式（1）、式（2）：

式中：為主機(jī)排氣質(zhì)量密度，kg/m3；T為主機(jī)排氣溫度，℃；v為主機(jī)排氣流速，m/s；M為主機(jī)排氣質(zhì)量流量，kg/s；D為主機(jī)排氣管內(nèi)徑，m。

從圖1可知，主機(jī)排氣管內(nèi)徑D= 0.9 m。利用式（1）及式（2），可計算出主機(jī)排氣密度為0.67 kg/m3，主機(jī)排氣流速為36.0 m/s。

按照MAN B&W公司推薦，對于垂直向上的排氣管，排氣阻力損失可以忽略不計；對于直管段排氣管，排氣阻力損失按每個排氣管內(nèi)徑長度1 mmWC計算；對于排氣管彎頭、膨脹接頭等，排氣局部阻力損失可按以下公式進(jìn)行計算：

式中： 為主機(jī)排氣局部阻力損失，mmWC；為主機(jī)排氣局部阻力系數(shù)。

結(jié)合排氣管路布置圖，為便于計算主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓，我們將主機(jī)排氣管路分成以下5部分：

第1部分 主機(jī)增壓器出口到組合鍋爐

第2部分 組合鍋爐

參照鍋爐廠家提供的認(rèn)可圖，組合鍋爐廢氣側(cè)的設(shè)計背壓為90 mmWC。

第3部分 組合鍋爐至火星熄滅器

其中排氣管局部阻力系數(shù) =0.22。利用式（3）可計算出該部分總的排氣阻力損失為9.68 mmWC。

第4部分 火星熄滅器

按廠家提供的認(rèn)可圖可知，火星熄滅器的最大阻力損失100 mmWC。

第5部分 從火星熄滅器到排氣出口

其中排氣管局部阻力系數(shù) =1.61。利用式（3）可計算出該部分總的排氣阻力損失為70.81 mmWC。

主機(jī)排氣系統(tǒng)總的背壓為上述5部分阻力損失的總和，即：ΣΔP=283.21 mmWC。按照MAN公司推薦，對于新船，主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓應(yīng)盡可能控制在300 mmWC以內(nèi)。主機(jī)運行在SMCR時，主機(jī)排氣系統(tǒng)總的背壓應(yīng)不大于350 mmWC［6］?；谏厦娴挠嬎?，主機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計背壓小于300 mm WC，滿足主機(jī)廠要求。

此外，主機(jī)排氣流速36.0 m/s也比較合理。主機(jī)排氣流速過高，會增加主機(jī)排氣系統(tǒng)阻力損失，還可能引起主機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲超標(biāo)；主機(jī)排氣流速過低，可能民致組合鍋爐煙管積灰。

2 實例分析

2.1 實測數(shù)據(jù)

實船海試過程中，主機(jī)排氣系統(tǒng)總的背壓偏高。主機(jī)97%負(fù)荷運行時，相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如下：

主機(jī)轉(zhuǎn)速：140 r/min

增壓器轉(zhuǎn)速：17500 r/min

排氣背壓：513 mmWC

掃氣阻力：2.55 kPa（2.55 bar）

排氣背壓表測量位置為圖1中A點位置。排氣背壓表是經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)測試認(rèn)證過的，測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性應(yīng)該是能保證的。

為找到民致主機(jī)排氣背壓偏高的原因，利用船舶進(jìn)長江后拋錨，主機(jī)停機(jī)的機(jī)會，在圖1中B點位置增設(shè)了排氣背壓測量點。

此時，受長江航道航行限制，主機(jī)負(fù)荷不能達(dá)到或接近SMCR。但還是獲取了主機(jī)部分負(fù)荷下的測量數(shù)據(jù)。其中，主機(jī)負(fù)荷53%時，排氣背壓表在圖1中B點位置所測得的背壓值為145 mmWC。

2.2 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合船舶運行時所記錄的海水以及空氣溫度，并以此作為特定環(huán)境輸入條件，可以計算出主機(jī)負(fù)荷53%時，主機(jī)排氣質(zhì)量流量為33300 kg/h，對應(yīng)的主機(jī)排氣溫度為261.4 ℃。主機(jī)負(fù)荷97%時，主機(jī)排氣質(zhì)量流量為55300 kg/h，對應(yīng)的主機(jī)排氣溫度為256.0 ℃［5］。利用式（1）及式（2），便可計算出特定環(huán)境條件下，主機(jī)排氣密度為0.67 kg/m3，主機(jī)排氣流速為21.69 m/s。

從圖1中可知，排氣背壓計在B點所測到的排氣背壓由兩部分所組成。即本文中第1.2節(jié)所定義的第4部分（火星熄滅器）和第5部分（從火星熄滅器到排氣出口）。

對主機(jī)排氣系統(tǒng)而言，排氣局部阻力損失系數(shù)只取決于排氣管路的實際布置，與排氣質(zhì)量、流量、排氣溫度、環(huán)境溫度等無關(guān)。

上述特定環(huán)境條件下，第5部分排氣管局部阻力系數(shù) =1.61。利用式（3）可計算出該部分總的排氣阻力損失為25.88 mmWC，而排氣背壓表在B點位置實際所測得的排氣背壓值為145 mmWC。即在這種情況下，第4部分的排氣阻力損失應(yīng)該是119.12 mmWC。

參照廠家提供的認(rèn)可圖，火星熄滅器的最大排氣阻力損失為100 mmWC。這無法與上述分析計算的數(shù)據(jù)匹配。因此，初步判斷實測數(shù)據(jù)中，主機(jī)排氣系統(tǒng)中的背壓過高可能與火星熄滅器有關(guān)。下文將結(jié)合測試數(shù)據(jù)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換分析。

2.3 等效轉(zhuǎn)換分析

為進(jìn)一步驗證最初的分析判斷，找到民致整個主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓過高的根本原因，我們引入等效轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行計算分析。

首先，對火星熄滅器進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。將火星熄滅器等效轉(zhuǎn)換成一段排氣局部阻力損失系數(shù)為ζs的排氣管。其中，ζs僅僅取決于火星熄滅器本體構(gòu)造，與排氣質(zhì)量流量、排氣溫度、環(huán)境溫度等無關(guān)。

從數(shù)據(jù)分析可知，主機(jī)負(fù)荷53%時，基于排氣背壓表在B點的實際測量值，計算得到的火星熄滅器的阻力損失為119.12 mmWC。利用式（3）可反算出火星熄滅器等效轉(zhuǎn)換后，對應(yīng)的排氣局部阻力損失系數(shù)ζs=7.41。

其次，結(jié)合上述等效轉(zhuǎn)換后的排氣局部阻力損失系數(shù)，進(jìn)行實船海試狀態(tài)下，主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓計算。

參照本文中第1.2節(jié)，依次計算出實船海試條件下，主機(jī)排氣系統(tǒng)中所有5個部分的排氣阻力損失以及總的排氣阻力損失。其中，第4部分（火星熄滅器）的計算排氣阻力損失為394.41 mmWC，遠(yuǎn)大于廠家所提供的最大排氣阻力損失（100 mmWC）。據(jù)此所計算出來的主機(jī)排氣系統(tǒng)總的阻力損失為506.72 mmWC，這與實測排氣背壓值513 mmWC非常接近。

最后，分析計算數(shù)據(jù)，找出主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓過高的根本原因，并給出解決方案。

根據(jù)上述計算，火星熄滅器等效轉(zhuǎn)換后，主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓計算值與實測值基本吻合。據(jù)此可以判斷火星熄滅器排氣阻力損失超標(biāo)是民致主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓過高的主要原因。

火星熄滅器等效轉(zhuǎn)換后的排氣局部阻力損失系數(shù)屬于火星熄滅器的物理特性，僅與火星熄滅器本身構(gòu)造等相關(guān)。因此，降低火星熄滅器的排氣阻力損失，關(guān)鍵就是簡化其內(nèi)部構(gòu)造，進(jìn)而減小其排氣局部阻力損失系數(shù)。

經(jīng)過上述調(diào)整，問題圓滿解決，主機(jī)排氣系統(tǒng)總背壓恢復(fù)正常，完全滿足主機(jī)制造廠的要求。

3 結(jié) 語

本文所采用的等效轉(zhuǎn)換方法，在分析處理主機(jī)排氣系統(tǒng)背壓過高的實例中效果明顯，使一個原來相當(dāng)棘手的問題迎刃而解。

在實際工程項目中常常會遇到類似的問題。從設(shè)計角度來看，整個系統(tǒng)完全符合設(shè)計要求，但系統(tǒng)實際運行過程中，可能會因其中某個環(huán)節(jié)或組件異常而民致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至完全不符合最初的設(shè)計要求。運用本文所述的分析處理方法或許可以達(dá)到事半功倍的效果。