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机舱排气系统的布置和检验

时间:2017/9/25 12:09:13 点击:

  内容提示:本文来自“吉米哥”原创,非常感谢吉米哥的细致研究和精彩文章。...
  燃料在柴油机气缸内燃烧后,产生的能量除了做功用于推进或者发电等用途外,还有相当多的能量在排气系统被排放。而排放气体除了造成大气污染外,还会引起噪声污染。如何利用这些能量呢,当前船用柴油机基本都配置了增压器,而增压器除了曲轴传动驱动外,毫无例外的利用废气能量驱动涡轮增压,前者几乎绝迹。此外,排气余热还可以供锅炉产生蒸汽,为船上其他系统服务。
  上述一套系统就组成了船上的机舱排气系统,机舱排气系统还包括锅炉、焚烧炉、惰性气体发生器和燃气轮机的排烟管。
  排气系统包括这样几个主要部分:排气管、膨胀接头或波纹管、废气锅炉、经济器或热水锅炉、消音器和火星熄灭器。为了更好利用热能,同时不影响主机功效,排气系统必须考虑气体流速、涡轮增压器之后的最大背压、涡轮增压器出口的废气温度、废气的最大允许压降、排气管轴向和径向变形后承受热胀冷缩的能力等,同时出于降噪的目的,如何选择合适的消声设施。下文结合MAN的资料和船级社规范,一 一展开。
  燃料在柴油机的气缸组燃烧后,产生的废气被送到废气收集器,废气收集器也称为排气集管。在废气收集器里,不同气缸产生的波动压力被缓冲后趋于稳定,这样具有连续稳定要的废气才被送到涡轮增压器,利用废气热能驱动叶轮扫入更多的新鲜空气进入气缸,支持燃烧。
机舱排气系统的布置和检验
1. 背压和压力损失
在设计排气系统的时候,一件最重要的事情就是考虑涡轮增压器上的背压,在柴油机最大连续额定功率MCR时,排气系统的背压取决于废气流速,即背压与排气速度的平方成正比例。在MAN柴油机说明书中这样描述,按照通常的造船实践,为了避免排气管中过高的压力损失,排气速度在MCR时保持在35米/秒至50米/秒为宜。在确定排气管直径的时候,MAN推荐了四种排气速度:35米/秒,40米/秒、45米/秒和50米/秒。
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当然,如果排气系统安装了其他的排气旁通设备,例如前文提到的锅炉和经济器、火星熄灭器等,也会影响排气压力。所以在选择这些设备时,一定要考虑主机厂家说明书中规定的最大压力损失。因此BV规范C篇第10节,第18.2.3条有这样的规定,“排气管的设计,应使得压力损失不超过发动机或锅炉制造厂规定的最大允许值”。
在MCR时,涡轮增压器后的总背压不能超过350毫米水柱,因为营运时还会产生烟灰沉积物,为了确保最终整个系统具有一定的背压裕度,MAN建议在设计初始阶段,可以取300毫米水柱。1毫米水柱WC等于0.0001bar,试航的时候,背压可以通过在增压器之后的接头连接一个U型压力计来验证。只要总的背压满足厂家的要求,排气管上其他的那些设备都可以单独选择,总排气背压已经包括了管系和所有其他设备的压力损失。
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废气锅炉压力损失

废气锅炉通常安装在柴油机上方或烟囱内,它的效率受通过锅炉的废气背压的影响,而监测背压的参数还会受到周围环境条件的影响,监测背压的参数主要是排气温度和排气流速。如果安装了废气锅炉,而没有安装其他的EGB,例如火星熄灭器和消音器等,那么MAN建议通过废气锅炉的压力损失为通常为150毫米水柱,或者适当高点,反之,排气系统同时安装了废气锅炉、消音器等,则通过废气锅炉的最高压力损失可以略低于150毫米水柱。当然,这个压力损失也包括进出口的过渡部件。

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消音器压力损失
柴油机排气噪声是一种空气动力性噪声,其频谱是连续的。频率范围极宽,从几十赫到几千赫。频谱中能量最大的分量落在发动机的基频及基频的整数倍附近。倍数越大,声强越小。大型船用柴油机的噪声频谱中,低频成分较多,甚至有次声的频率分量。所以,柴油机厂家应将柴油机的噪声频谱曲线图,提供给船舶设计部门用来选择消音器,但应该注意,厂家的噪声频谱图只是不安装锅炉和消音器前的数据。
在MCR时测量噪声等级时,距离排气管出口1米,并与排气流向成30°角。按照远场理论,距离翻倍,噪声等级月降低6分贝。比如常见的吸能型的消音器,通过消音器中心管道的废气流速约为35米/秒,通常在MCR时的压力损失为20毫米水柱。
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烟囱排气管靠近驾驶室和生活区,是上建外围主要声音污染源之一。从ILO和SOLAS公约的角度,也都对噪声控制提供了法定依据,按照海安会决议MSC.337(91)通过的噪声等级规则,驾驶室两翼要求为70分贝。而如果按照脚注8对两翼守听位置测量方法的建议案,临时指南中对噪声要求还可能更低。因此,排气管系安装排气管消音器是必不可少的。
新型设计的消音器包括三个腔室,可以克服普通消音器针对一个频段的缺点,主动部件用来衰减低频,灵敏的吸能型部件处理较高频率,还有一个兼具主动部件和灵敏部件的组合部件。如果能很好地匹配柴油机的排气噪声范围,这套装置能有效降低噪声,而不会增加涡轮增压器后的背压。


火星熄灭器压力损失

在柴油机低负荷的时候,部分燃烧的排气中含有一部分未燃尽的积碳和烟灰,它们随着柴油机排放进入排气管系,因为排气管系中富含氧气,所以这不然灼热的积碳颗粒可能从烟囱中排除,形成较高危险的火花。因此在油船、化学品船。液化气运输船和某些载运部分化学品的PSV上,排气管系统应该安装火星熄灭器,通常为了节省烟囱中有效的空间、降低设备成本和减少排气背压,火星熄灭器和消音器整合为一套设备,这就是火星熄灭消音器。
火星熄灭器是压降相当大的一部分因素,这是它固有缺点。MAN建议在MSR时,通过消音器或火星熄灭器的综合压力损失不超过100毫米水柱。同样这也依赖于是够排气系统还有其他的EGB,如果不安装废气锅炉,也可以允许压力损失为200毫米水柱。
船用火星熄灭消声器大致可分为干式和湿式两种。干式主要是通过改变排气气流的流程,使气流缓慢流动,并产生旋转,使气体内的火星充分燃烧,而未燃尽的灰粒与壁或网板相撞,达到熄灭火星的目的,灰粒集中排至灰箱或随气流排人大气中。湿式主要是气流进入消声器后旋转并慢速流动,在与水幕充分接触后,达到扑灭火星的目的。熄灭后的污秽灰水流至舱底。其特点是流程短,结构紧凑,灭火效果好,阻力低。缺点是若用淡水,则消耗淡水不经济;若用海水则消声器腐蚀严重,寿命短。
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吉米哥提醒一点,在船舶管系设计时,这些含有烟灰的废液,在规范上视为易燃液体,比如BV规范第5.10.1条就有这样的定义。
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综上,排气管布置时考虑的排气量可从柴油机厂家资料上查询,如果厂家资料没有提供,设计人员可以参考轮机设计手册。下图为MAN柴油机排气量计算公式

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2. 如何测量背压?
排气管上的总压力包括动态压力和静压力,动态压力来自排气流速,静压力为流速为零时的管壁压力,这个很好理解,比我我们在车间做封闭管系的静水压力试验,此时的压力就只有静压力。而管子上不同位置,排气流速是不同的,所以选择合适的地方测量总的背压就很重要,我们在试航是测量的压力原则上就指示的气流静压力。因此选择的点最好在直通管段,并且远离其他障碍物,这时的静压力就比较稳定。否则在过渡部分测量背压,压力是不稳定的变化量。所以系统总背压测量点,我们通常选择在增压器之后的直管段。本来此处插入一张吉米哥试航时某船排气管背压测量照片,可惜在电脑中没找到,下图来自scania船用柴油机资料,仅供参考。此装置为常见的U型压力计,船厂可以外购,也可以自己制作,原理如同密性试验的U形管。
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3. 排气管安装

膨胀节
正常情况下,如果主机不运行,环境温度大约为20度至40度,而主机运行时,排气管温度甚至可以达到200℃,这就要求排气管能承受冷热变形。为此,在涡轮增压器之后设置不锈钢膨胀节,选用波形膨胀节时必须使该膨胀节的允许伸缩量大于该段管子的可能膨胀量。根据膨胀节的具体特性,有时也可考虑一定的预压缩量。
膨胀节安装时,不允件有扭转变形,应先将膨胀节和管路接好后,在动车前再拆除定位螺杆(必须用拧松螺母的方法,绝对避免用气割)。吉米哥在某艘船上就碰到过类似情形,不锈钢膨胀节没有保护好,结果被机舱施工的点焊渣溅落在上面。下图为点焊焊渣灼伤的膨胀节。
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膨胀节有导管或外表如果标有流向标志,安装时不得应注意方向。对膨胀节的波纹管部分必须进行严格地保护,不得承受排气管等的附加重量,膨胀节也不应设置在管道弯曲处。


弹性吊架、弹性支承和导向支架

除了膨胀节外,还应该注意在排气管系合适管段设置固定支承、弹性支承或弹性吊架。依照下图所示,在膨胀节上方的管段布置固定支架,在在转角处设置弹性支承,其他平直段设置弹性吊架。
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在独立膨胀段内,一般不得设置2个或2个以上膨胀节及其它补偿元件。也就是说要按照刚柔并济的原则来安装支承间。在MAN的说明书中,如前文插图所示,还推荐在机舱棚的烟囱里,长的管段沿高度方向布置滑动导向支架。
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防雨帽

为了防雨,排气管穿过烟囱顶处应该设置活络帽盖,吉米哥在某些船上发现,此处间隙较大,一方面不利于焊接,另一方面排气管顶部晃动较大。其实,根据行业标准,这里还应该填充无石棉绝缘材料,比如下面的设计节点就挺合理。
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排气管末端

长时间未营运的船舶,如果不经常启动柴油机,你会发现烟囱顶上的排气管末端有鸟巢,如果鸟巢落入排气管岂不损坏了消音器,也不排飞鸟作死掉进排气管。出于安全考虑,吉米哥建议在末端安装钢丝网进行防坠落保护,这个网不能视作止焰器。
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当然,我也曾在见过更加豪华装修的烟囱顶。
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排气管材料和连接件

规范规定排气管及其附件的材料应耐排气腐蚀,以及适合预期的的最高温度。温主机排温管上限往往按照250℃考虑管子材料,而焚烧炉的排温则更高,所以焚烧炉的排气管通常选择熔点更高的不锈钢管,而非碳钢。
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法兰密封垫片应选择石墨缠绕垫片。紧固螺栓应经过发黑处理,不得采用镀锌件,并且在安装时螺纹部分应涂石墨粉。螺栓长度要合适,按照安装惯例,至少应露出2-3到螺牙,别像下图。
机舱排气系统的布置和检验
规范要求排气管上应设有泄放措施,尤其低于废气锅炉的排气管上,以防水进入发动机。而当排气管为水冷时,其布置还能自动泄放舷外。后者指湿式排气管,而本文主要内容针对干式排气管系,文末将简单介绍。
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隔热材料

前文梯道在设计排气管时,排气管温度通常考虑为250℃,而按照SOLAS公约的要求,超过220℃的热表面并且应为燃油系统故障受影响的热表面,应进行适当隔热。
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因而实船布置时,排气管上方应避免布置油管及其油柜,以防油滴泄露至排气管上。当不可避免时,应采取有效措施,确保不使油滴落在排气管上。排气管及其法兰处应与燃油柜有一定距离,建议不小于1m,燃油管与排气管之间也应有一定的距离,尤其要注意燃油管的连接法兰部位,应有措施防止法兰处可能因损坏而将燃油喷至排气管上。
一般都采用包扎绝缘层来达到隔热目的,隔热材料必须是不可燃的,隔热层需采用防止油或燃油渗透的隔热材料。隔热材料包覆后再用钢丝缠绕,最后加持镀锌白铁皮铠甲。
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排气管的联通

大多数的船舶一机/炉都设置单独的排气管,但并不排除柴油机之间的排气管、或柴油机与锅炉排气管互通的可能,比如BV规范这样要求:
来自不同发动机、废气锅炉或者经济器排气不应通到同一排气总管,除非每一排气管设有合适的隔离装置。
来自锅炉的烟道与公共烟囱相连应在足够的高度分离,以防止一台运行的锅炉烟气进入一台停止运行的锅炉。
对燃油和废气交替使用的锅炉,来自发动机的排气管,应设有隔离设备和安全装置,以防止隔离设备不在关闭位置时,启动燃油燃烧单元。
前文提到湿式排气管,最后简单介绍干式排气管与湿式排气管的区别。干式排气管最好是垂直出口段的情形,它的安装必须减少高温和火灾的危险,所以规范中要求排气管和消音器,要么水冷,要么隔热,而隔热针对干式,水冷就是湿式排气管。
如果柴油机排气管在尾部、舷侧或靠近水线,那么通常建议采用湿式排气管。你能想象,一“脚”油门下去的推背感,但随后一柱擎天的黑烟是什么既视感?所以湿式排气管主要用在游艇项目上。在湿式排气管系统中,引入海水并与废气混合,既能降低噪音,有减少排气温度。在与海水连接点之后,就不需要再进行隔热处理了。

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排烟的颜色
码头系泊试验时,我们会经常发现主机或发电机刚启动,直冒黑烟,你能区分不同烟的颜色代表什么含义么?在BV规范对cleanship的描述中这样介绍:
黑烟(烟灰)主要由碳颗粒组成
蓝烟通常是燃油或滑油不完全燃烧引起的液滴造成的
白烟通常是冷凝水和/或液态燃油造成的
黄烟是二氧化氮造成的
现在你明白了吧?

【参考文献】
BV规范C篇第1章,E篇第9章
MAN主机说明书
船舶设计实用手册
SOLAS公约2016年中文综合文本

作者:吉米哥 来源:航海人

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