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.中遠海運發(fā)展股份有限公司 上海200135)
船用低速柴油機燃油經(jīng)濟性優(yōu)良,現(xiàn)代遠洋船舶普遍使用低速船用柴油機作為主機。影響柴油機燃油經(jīng)濟性有很多因素,人們往往會忽略排氣背壓的影響。排氣背壓過大,將民致柴油機燃料燃燒效率下降、有效功率降低、燃油經(jīng)濟性變差[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,排氣背壓對柴油機經(jīng)濟性、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)換方法來分析主機排氣系統(tǒng)背壓偏高的原因。
主機排氣系統(tǒng)是用于將主機燃燒所產(chǎn)生的廢氣順利地排出船外。某船主機采用MAN B&W 6S42MC,主機后端設(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、主機火星熄滅器等。主機排氣系統(tǒng)簡圖參見圖1。
圖1 主機排氣系統(tǒng)模型簡圖
參照主機資料,在ISO工況下,主機運行在SMCR時,主機排氣質(zhì)量流量為54900 kg/h,主機排氣溫度為 265 ℃。[5]
主機排氣系統(tǒng)背壓計算[6]見式(1)、式(2):
式中:為主機排氣質(zhì)量密度,kg/m3;T為主機排氣溫度,℃;v為主機排氣流速,m/s;M為主機排氣質(zhì)量流量,kg/s;D為主機排氣管內(nèi)徑,m。
從圖1可知,主機排氣管內(nèi)徑D= 0.9 m。利用式(1)及式(2),可計算出主機排氣密度為0.67 kg/m3,主機排氣流速為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行計算:
式中: 為主機排氣局部阻力損失,mmWC;為主機排氣局部阻力系數(shù)。
結(jié)合排氣管路布置圖,為便于計算主機排氣系統(tǒng)背壓,我們將主機排氣管路分成以下5部分:
第1部分 主機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,主機排氣系統(tǒng)背壓應盡可能控制在300 mmWC以內(nèi)。主機運行在SMCR時,主機排氣系統(tǒng)總的背壓應不大于350 mmWC[6]。基于上面的計算,主機排氣系統(tǒng)的設(shè)計背壓小于300 mm WC,滿足主機廠要求。
此外,主機排氣流速36.0 m/s也比較合理。主機排氣流速過高,會增加主機排氣系統(tǒng)阻力損失,還可能引起主機排氣系統(tǒng)噪聲超標;主機排氣流速過低,可能民致組合鍋爐煙管積灰。
實船海試過程中,主機排氣系統(tǒng)總的背壓偏高。主機97%負荷運行時,相關(guān)數(shù)據(jù)記錄如下:
主機轉(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)機構(gòu)測試認證過的,測試數(shù)據(jù)的準確性應該是能保證的。
為找到民致主機排氣背壓偏高的原因,利用船舶進長江后拋錨,主機停機的機會,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,主機負荷不能達到或接近SMCR。但還是獲取了主機部分負荷下的測量數(shù)據(jù)。其中,主機負荷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。
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,可以計算出主機負荷53%時,主機排氣質(zhì)量流量為33300 kg/h,對應的主機排氣溫度為261.4 ℃。主機負荷97%時,主機排氣質(zhì)量流量為55300 kg/h,對應的主機排氣溫度為256.0 ℃[5]。利用式(1)及式(2),便可計算出特定環(huán)境條件下,主機排氣密度為0.67 kg/m3,主機排氣流速為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該是119.12 mmWC。
參照廠家提供的認可圖,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)進行等效轉(zhuǎn)換分析。
為進一步驗證最初的分析判斷,找到民致整個主機排氣系統(tǒng)背壓過高的根本原因,我們引入等效轉(zhuǎn)換模式進行計算分析。
首先,對火星熄滅器進行等效轉(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,主機負荷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),進行實船海試狀態(tài)下,主機排氣系統(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是民致主機排氣系統(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,主機排氣系統(tǒng)總背壓恢復正常,完全滿足主機制造廠的要求。
本文所采用的等效轉(zhuǎn)換方法,在分析處理主機排氣系統(tǒng)背壓過高的實例中效果明顯,使一個原來相當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到事半功倍的效果。