某船舷側排氣系統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）有限公司，上海 200129）

0 引言

舷側排氣系統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用，某些中、大型船舶的推進柴油機或電站柴油機也開始采用舷側排氣方式。舷側排氣方式是采用橫向管路來代替傳統煙囪管道，并將排氣口設置在水線附近，以便廢氣從舷側排出時可以利用船體和波浪起一定程度的遮蔽作用。部分舷側排氣系統采用海水噴淋冷卻來降低排放廢氣溫度，以達到排氣系統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，同時也減小了熱膨脹的廢氣體積，相對常規煙囪排氣，對排氣系統的尺寸重量設計都帶來了積極影響，是一種高效且經濟的濕式舷側排氣方式[1-3]。濕式舷側排氣系統在中、大型船舶上實船應用經驗尚不充足，某中型船舶的主推進及電站柴油機均采用海水噴淋冷卻式舷側排氣系統。該船舷側排氣系統在試驗階段出現偶發性異常噴淋故障。通過對該故障的原因分析和控制邏輯改進, 排除了系統的安全隱患。

1 某船舷側排氣系統功能組成及原理

1.1 功能組成

該船主推進柴油機（簡稱“主機”）舷側排氣系統組成圖見圖1，集氣管及初級消音器端連接主機排氣上升管，后續排氣管通過膨脹節彈性連接，2號排氣管末端設有冷卻海水初級噴射器，排氣出口端依次裝配有舷側閥、導流帽。導流帽通過與排氣管一體的法蘭安裝在船體舷側，以減少海水沖擊排氣管口造成排氣壓力振動[3]。整個排氣系統通過彈性支撐沿向下傾斜的趨勢固定在船體結構上，傾斜角度需確保船體橫傾45°以內時，海水不會倒灌進主機，同時使冷卻海水能夠靠重力和廢氣一起從舷側自行排出，排氣口如圖2所示，大致位于水線附近[2]。

圖1 主機舷側排氣系統典型組成布置圖

圖2 主機舷側排氣系統排氣口示意圖

1.2 工作原理

主機燃燒廢氣經各級排氣管橫向排出過程中，海水冷卻初級噴射器將冷卻海水噴射進2號排氣管末端，通過噴淋冷卻將溫度超過500 ℃的主機廢氣降低到60 ℃左右后排出舷側。海水噴淋冷卻系統的水源來自主機冷卻水管路，備用冷卻海水來自于主消防水管路，主要由電動冷卻海水噴射泵、電動海水流量調節閥、海水泄放閥、海水壓力傳感器等組成。噴淋工況下泄放閥關閉，系統停止工作后打開泄放閥以排出管路末端殘余冷卻海水。系統監測控制裝置主要包括機旁控制箱（含邏輯控制器）以及排氣背壓傳感器、排氣溫度傳感器等。邏輯控制器實時采集傳感器信息進行邏輯控制和參數越限報警，根據系統狀態及主機負荷信號——油門齒條信號，自動調節海水流量調節閥的開度，通過控制冷卻海水噴射量來實現排放廢氣的降溫指標。

2 舷側排氣系統異常噴淋故障

2.1 故障概況

舷側排氣系統異常噴淋故障發生在該船航行試驗完成后的碼頭停泊階段，部分系統和設備在航行試驗后進行缺陷更正和調試。根據全船監測系統的報警記錄分析，故障發生當天，舷側排氣系統在無任何人工操作的情況下，突然在主機沒有運行下異常起動，海水噴射泵自動起動，海水流量調節閥自動打開進行冷卻水噴淋，而此時舷側閥和泄放閥均為關閉狀態，冷卻水無法正常排出，逐漸積累倒灌導致2號排氣管積水。船上值班人員發現排氣管排氣背壓壓力高報警信號后，及時發現異常噴淋故障并立即手動停止海水噴射泵，手動打開泄放閥排出管路冷卻水。該故障若未及時發現，將會導致冷卻水繼續倒灌至主機，該類異常噴淋故障對主機安全的風險性極大，因此有必要深入分析故障原因并及時采取解決措施。

2.2 故障原因分析

結合全船監測系統的監測信息記錄，對故障當天船上的調試工作進行排查分析，最終排查出相關性最大的是主機監控系統廠家當天曾對主機監控軟件進行更新。在航行試驗的緊急停船試驗過程中，舷側排氣系統發出起動聯鎖誤報警。原因是緊急停船水渦輪效應工況下主機短時負荷為0，舷側排氣系統誤以為主機停機，停止海水泵，同時發出起動聯鎖信號，而主機監控系統也未對該起動聯鎖設置一定轉速范圍內的閉鎖，發出誤報警。為單方面簡單解決該問題，主機監控廠家將主機0負荷時（無論主機是否運行）發送給舷側排氣系統的油門齒條信號由0改為了6%。而舷側排氣系統收到主機負荷信號后自動開始運行，先后發出泄放閥關閉、舷側閥打開的控制信號，然后開啟海水噴射泵，打開海水流量調節閥進行排氣管內噴淋。

然而，根據系統狀態參數顯示和現場觀察，故障當時泄放閥和舷側閥均為關閉狀態，不符合正常工作狀態。泄放閥和舷側閥均為電控氣動閥，對兩閥的控制線路、執行機構、執行動力源等進行排查，發現由于航行試驗后碼頭停泊階段機艙內設備壓縮空氣需求較少，壓縮空氣管路中僅殘留少量氣體，推測是動力源不足導致兩閥接受控制指令后只關閉了泄放閥，未成功打開舷側閥。海水泵將冷卻水噴射進排氣管內卻無法通過舷側閥或泄放閥排出，最終導致排氣管積水。通過故障現象及原因排查，可以分析出主機未起動舷側排氣系統卻自動開始工作的控制功能存在問題，需要進一步分析主機各工作環節中舷側排氣系統的控制邏輯。

2.3 舷側排氣系統控制邏輯分析

2.3.1 主機起動環節舷側排氣系統控制邏輯

當收到主機發出的“起動請求”信號時，舷側排氣監控裝置遙控關閉泄放閥、打開舷側閥，然后起動海水泵并監測海水調節閥（處于關閉狀態）的進口壓力值，當壓力大于某設定值時，監控裝置將反饋“允許起動”至主機監控系統，解除主機起動聯鎖進入待機狀態。圖3為主機各工作環節舷側排氣系統的控制邏輯流程圖。

圖3 主機各工作環節舷側排氣系統控制邏輯流程圖

2.3.2 主機運行環節舷側排氣系統控制邏輯

當舷側排氣系統收到的主機油門齒條信號大于2%時，按設定的主機負荷—冷卻水流量關系進行海水調節閥的開度控制，同時根據系統運行參數和狀態進行主機安全保護及參數越限報警。系統設計時廠商根據主機臺架試驗各功率下排氣溫度及滿足降溫指標所需冷卻海水流量等相關數據，結合計算和調試最終得出的主機功率-冷卻海水流量曲線，圖4為該曲線的簡略示意圖[4]。

圖4 主機功率-冷卻海水流量曲線簡略示意圖

2.3.3 主機停止環節舷側排氣系統控制邏輯

當收到主機油門齒條信號小于2%時，舷側排氣系統關閉海水調節閥，停止海水噴射泵，主機油門齒條信號為0時，延時3 s后關閉舷側閥、打開泄放閥。

通過分析舷側排氣系統的控制邏輯可以得知，系統初始準備狀態應為舷側閥關閉，泄放閥打開，海水噴射泵停止運行。正常起動狀態下海水噴射泵在泄放閥關閉、舷側閥打開后起動，然后主機才能起動，舷側排氣系統再根據燃油齒條信號打開海水流量調節閥進行噴淋。此次故障的發生，說明舷側排氣系統把主機負荷信號也作為主機起動信號，且各命令執行過程中無狀態反饋聯鎖。

2.4 故障實船再現驗證

為了驗證上述故障原因分析和推斷, 實船進行模擬試驗, 以實現異常噴淋故障再現。在對主機進行安全保護的前提下，由主機監控系統模擬大于5%的負荷信號至舷側排氣系統，發現系統自動開始起動程序和運行程序，符合前期關于系統誤將負荷信號作為起動信號的判斷。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，再現了故障發生時泄放閥和舷側閥的動作執行情況：泄放閥未完全關閉，舷側閥幾乎未打開。但系統仍繼續執行海水泵起動、海水調節閥打開的指令，試驗現象準確驗明了故障根本原因在于以下幾點：

1）舷側排氣系統的各環節控制邏輯條件判斷混亂且缺少安全控制聯鎖

運行程序判斷條件的負荷信號也能用于起動程序，同時泄放閥、舷側閥、海水噴射泵起動之間沒有用狀態信號做聯鎖控制，導致了舷側閥和泄放閥未開閉到位時海水噴射泵的誤起動。

2）主機監控系統軟件更新時考慮問題不全面

主機監控廠家采用的不分主機運行與否給出非0負荷信號的方法并不完全合理，雖僅涉及單方面修改，但未和接口方協調確認就更新軟件改變接口信息，導致舷側排氣系統在這種非常規工況下出現前期未預見的故障。

3 控制邏輯改進及系統實船應用建議

3.1 系統控制邏輯改進

經過與主機及舷側排氣系統廠家進行接口協調，重新確定接口修改方案，在主機轉速大于怠速時閉鎖舷側排氣系統起動聯鎖信號。同時要求舷側排氣系統更正系統的控制邏輯缺陷，進行以下修改：

1）修改起動控制程序，在泄放閥、舷側閥之間增加狀態聯鎖，且兩閥均開閉到位后反饋允許主機起動信號，海水泵僅在主機成功起動后才能起動。修改后主機起動環節舷側排氣控制邏輯流程見圖5。

圖5 舷側排氣系統起動程序控制邏輯流程圖（修改后）

2）增設泄放閥和舷側閥空氣動力管路壓力傳感器，對氣源壓力進行顯示和越限報警。

將泄放閥和舷側閥的故障報警由黃色報警修改為紅色報警，以提高警示效果。

3）當主機運行信號有效時：若舷側閥關閉或泄放閥打開，系統監控裝置停止海水泵，向主推進監控系統發出請求主機安全停車信號；若控制系統失電，停止海水泵并發出報警信號；

4）若主機負荷信號和主機運行信號中的任一信號丟失（如斷線、通訊故障），系統發出報警信號，繼續保持原工作狀態，若兩信號同時丟失，系統發出請求主機安全停車信號。

5）當主機負荷信號為0時，延時120 s關閉舷側排氣閥。

在后續系泊航行試驗中，對上述修改進行功能驗證，系統工作正常且滿足主機安全保護要求，緊急停船試驗中也未再有誤報警現象發生。

3.2 實船應用建議

結合以上故障分析及解決措施，針對濕式舷側排氣系統的實船應用，提出了以下2點建議：

1）重視安全及監控系統設計

由于濕式舷側排氣系統的噴淋冷卻管路與主機排氣管有直接接口，相對煙囪排氣方式，需要配置更多的監控點以提高系統可靠性和安全性，對設計、調試操作人員的要求也更高[5]。主機安全是濕式舷側排氣系統安全系統設計的重點，主機起動聯鎖、安全停車的接口協調、功能實現在應用過程中需要重點關注。

2）確保接口變化相關協調、調試工作安全可控

重要的軟件更新例如涉及多個系統接口參數或協議變化的，應謹慎對待，提前溝通協調可行性，更新時確保相關設備方及船廠值班人員在場以防止非預見故障發生。軟件更新過程中的相關報警應當重視并及時調查解決。

4 結論

本文通過對某型舷側排氣系統應用故障的分析總結，一方面對系統進行了改進，消除了主機安全隱患，提高了系統的可靠性；另一方面對海水噴淋式舷側排氣系統的實船設計和應用經驗進行總結，希望能為促進國內裝備建造水平的不斷提高提供參考借鑒。