25 000 t多用途集裝箱船主機排氣背壓高故障分析

周志賢

（泰州口岸船舶有限公司，江蘇泰州 225321）

0 引言

船舶主機的排氣管通常較長，需要延伸到煙囪的頂部，且中間有管子彎頭、組合鍋爐、消音器、異徑接頭等氣阻元件。這些由于氣流阻力而產生的壓力，即主機的排氣背壓。船舶主機有多個氣缸，每缸依照順序在不同的時間點排氣，因此主機排氣流是由一個個脈沖氣流混合而成；缸數越多產生的脈沖數越多，排氣流動越連續。船舶排氣系統的設計目的是快速、高效地排出燃燒室中產生的廢氣。如若排氣背壓過大，則會導致排氣阻力增加，排氣速率降低，最終導致主機燃燒效率下降，經濟性變差[1]。

1 原因分析

25000t多用途集裝箱船主機排氣管路由排氣管、各種彎頭、膨脹節、鍋爐、消音器和異徑接頭等組成，首制船在試航時發現主機增壓器的出口排氣背壓在主機100%負荷時，達到3 600 Pa，遠高于主機廠要求的3 000 Pa。

通過測量鍋爐、消音器的進出口廢氣壓力，測量并查找相關資料可知：

1）鍋爐的進出口要求為Φ1 216，但整個排氣管可按Φ1 016設計；

2）鍋爐的背壓比設計要求（900 Pa在主機85%負荷）高于450 Pa；

3）消音器的背壓比設計要求（450 Pa）高于300 Pa；

針對如何降低主機排氣背壓、提高主機燃燒效率等問題，本文做出了以下計算分析與修改。

圖1 修改前的排氣管路圖（單位：mm）

2 管路系統阻力分析

排氣背壓由2部分組成：一是由氣流局部阻力產生的壓力；二是氣流摩擦阻力產生的壓力[2]。他們都是由氣流運動時為克服粘性切應力所引起的。摩擦阻力損失發生在排氣管壁上，是由氣流與壁面摩擦而產生的，其大小取決于管壁粗糙度和氣流速度。針對排氣系統的管路局部阻力進行重點分析。

局部阻力損失發生在排氣系統管路彎頭、消聲器、組合鍋爐、異徑接頭等使氣流通道收縮、擴張等截面突變處。由于氣流速度發生突變形成漩渦和流體相互碰撞，流體脫離管壁使流體各部分間的動量交換加劇，增加能量逸散，進一步加劇了氣體間的相互摩擦。局部阻力損失的大小取決于排氣管路的局部結構、管路直徑、氣流速度等，可用式(1)進行計算：

式中：ξ為局部阻力系數；ρ為氣體密度，kg/m3；ν為氣流速度，m/s。

摩擦阻力損失和局部阻力損失均與氣流速度的平方成正比，排氣背壓與主機功率損失間關系密切；排氣背壓越大，主機輸出功率越低。

2.1 管徑修改

將鍋爐出口排氣管管徑由Φ1 016 改為Φ1 216，壓力損失計算如式(2)：

式中：ρ＝1.293×273/(273＋T)×1.015，kg/m3。

在主機85% MCR負荷時，T1＝236℃，則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

在主機100%負荷時，T1＝242℃，則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。

根據經驗，阻力系數ξ取1。比較修改前排氣管壓力損失Δp1和修改后排氣管壓力損失Δp2可知，將排氣管徑由Φ1 016 mm改為Φ1 216 mm可降低背壓380 Pa。

2.2 取消鍋爐出口異徑接頭

在排氣管的截面突變處也易造成局部阻力損失，在原鍋爐出口處設有異徑接頭?，F鍋爐出口排氣管由Φ1 016 mm 改為Φ1 216 mm，原異徑接頭已不再需要，可降低背壓40 Pa～50 Pa。

2.3 修改排氣管彎頭

彎管角度越小，管路越平直，則排氣流動阻力越小。因此，在設計排氣管路走向時，應盡可能避免使用大角度彎頭，使排氣管路盡量平直圓滑，以減小壓力損失。修改煙囪出口排氣管，將現有煙囪出口的彎度（90°）改為60，見式(3)。

煙囪出口彎度為 90°時，ξ＝0.28，Δp＝13.70 Pa；

煙囪出口彎度為60°時，ξ＝0.16，Δp＝7.84 Pa；

可降低排氣阻力約60 Pa左右。

2.4 消音器

消音器的種類很多，究其消聲機理，可以將其分為阻性消音器、抗性消音器、阻抗復合式消音器。阻性消音器主要利用多孔吸聲材料來降低噪聲，將吸聲材料固定在氣流通道的內壁上或按照一定方式在管道中排列；當聲波進入阻性消音器時，一部分聲能在多孔材料的孔隙中摩擦而轉化成熱能耗散掉，使通過消音器的聲波減弱。阻性消音器對中高頻消聲效果好、對低頻消聲效果較差?？剐韵羝鲀炔坑晒艿?、隔板等部件組成，當氣流通過這些消聲單元時，聲波在傳播過程中發生反射、干涉，降低聲能量以達到消聲的目的。抗性消音器通常在低、中頻帶的消音效果好[3]。

不同的消音器內部的結構、氣流速度不同，背壓也各不相同。一般來說，局部阻力損失主要發生在抗性消音器中，而摩擦阻力損失主要產生在阻性消音器中。在船用主機排氣管路消音器設計過程中，消音器結構應盡可能簡單，避免因結構劇烈突變引起大的氣流阻力，從而影響排氣的順暢性。主機排氣系統多采用抗性消音器，這些擴張室、共振室無疑增加了排氣的阻力?？紤]到本船安裝的廢氣鍋爐已起到消音作用，消音器可在保留滅火星功能的同時，對消音部分作適當修改以降低排氣阻力。修改后的圖紙如圖2所示。

圖2 修改后的消音器

圖3 修改后的排氣管路圖（單位：mm）

圖3為修改后的排氣管路布置圖，根據理論計算可降低排氣阻力800 Pa左右。根據分析重新對后續的船舶排氣管路進行設計布置。試航時，當主機在100%負荷運行，實測增壓器出口的排氣背壓為2 600 Pa，比修改前降低了1 000 Pa。

3 結論

排氣系統是由眾多影響元件構成，要解決問題須基于整個系統考慮。主機排氣系統背壓計算涉及到的因素較多，計算過程煩瑣，因此在設計時應綜合考慮、注意各個狀態下的各個設備參數。此外，應盡量設計好管路布置，盡量保持管路的平直，多采用圓弧彎頭而避免采用直角彎頭，進而有效減少主機出口的背壓。