主機(jī)增壓器升級(jí)后的排煙系統(tǒng)改造

唐傳安，嚴(yán)建兵，楊述闖，柯小磊

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

主機(jī)增壓器升級(jí)后的排煙系統(tǒng)改造

唐傳安，嚴(yán)建兵，楊述闖，柯小磊

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

為降低主機(jī)低負(fù)荷工況下的燃油消耗，部分船舶主機(jī)更換了高效增壓器。為防止增壓器過(guò)載和廢氣鍋爐發(fā)生安全性問(wèn)題，文章以某型VLCC船的主機(jī)增壓器升級(jí)為例，研究了旁通增壓器和旁通廢氣鍋爐的排煙系統(tǒng)改造方案，該方案改造量小、成本低、可靠性?xún)?yōu)良。

排煙系統(tǒng)；主機(jī)；改造

近年來(lái)，許多船東對(duì)營(yíng)運(yùn)船舶采取了降航速運(yùn)行的措施，其目的一方面是為了降低營(yíng)運(yùn)成本，通過(guò)試驗(yàn)表明，在船舶現(xiàn)有航速基礎(chǔ)上降低20%以下能有效節(jié)省燃油消耗；另一方面為應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)，降低碳排放量以保護(hù)環(huán)境[1]。

船舶降速航行意味著主機(jī)將長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷下運(yùn)行。為進(jìn)一步減少主機(jī)在低負(fù)荷下的燃油消耗，部分船東選擇了對(duì)主機(jī)進(jìn)行升級(jí)，其中主機(jī)廢氣旁通的優(yōu)化升級(jí)方案比較受船東歡迎。其原理為將主機(jī)增壓器由普通增壓器升級(jí)為高效增壓器，提高低負(fù)荷時(shí)的增壓器效率以降低油耗，但同時(shí)為了防止增壓器過(guò)載，在主機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)部分廢氣需被旁通掉，不進(jìn)入增壓器[2]。

本文以某型30.8萬(wàn)t VLCC船主機(jī)改造項(xiàng)目為例，闡述和分析了主機(jī)增壓器升級(jí)后的排煙系統(tǒng)改造方案，該船主機(jī)型號(hào)為MAN B&W 7S80ME，增壓器升級(jí)僅涉及其內(nèi)部元件改造，由專(zhuān)業(yè)廠家完成，而排煙系統(tǒng)的改造較復(fù)雜，由船廠完成，主要涉及改造主機(jī)增壓器處和廢氣鍋爐區(qū)域的排煙管。

1 主機(jī)增壓器處排煙管路改造

根據(jù)廢氣旁通的原理要求，主機(jī)廠在主機(jī)本體上設(shè)一廢氣旁通路徑，其上設(shè)有自動(dòng)控制的蝶閥和節(jié)流孔板，其控制邏輯為：當(dāng)主機(jī)負(fù)荷在80%以下時(shí)，蝶閥全部關(guān)閉，所有煙氣均進(jìn)入增壓器；當(dāng)主機(jī)負(fù)荷繼續(xù)升高時(shí)，蝶閥逐漸打開(kāi)，直至90%以上時(shí)蝶閥全部開(kāi)啟，在主機(jī)最大負(fù)荷時(shí)，約有6%的廢氣不經(jīng)過(guò)增壓器被旁通掉。據(jù)此，設(shè)計(jì)的排煙管路系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 主機(jī)增壓器排煙旁通管路

旁通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵如下。

1)廢氣旁通管路上同樣需要設(shè)置膨脹節(jié)以抵消管路熱膨脹，防止排煙管熱應(yīng)力過(guò)大。但由于此處的煙氣未經(jīng)過(guò)增壓器做功，所以壓力和溫度較高，膨脹節(jié)選型時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足介質(zhì)的工況。通常應(yīng)選擇工作壓力在0.5 MPa以上，工作溫度在500 ℃以上的膨脹節(jié)，膨脹節(jié)的其它參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足GB/T 12522的技術(shù)要求。

2)由于廢氣旁通管路處的煙氣壓力和溫度較高，節(jié)流孔板后的膨脹節(jié)工作環(huán)境惡劣。為避免膨脹節(jié)損壞，節(jié)流孔板和膨脹節(jié)間應(yīng)設(shè)一至少0.5 m以上的直管段用來(lái)穩(wěn)流，防止節(jié)流孔板后的煙氣直接作用在膨脹節(jié)上，引起膨脹節(jié)變形甚至破碎。

3)為保證蝶閥閥板正常開(kāi)啟不受阻擋，蝶閥和節(jié)流孔板間也應(yīng)設(shè)一短管。

4)旁通排煙管的口徑按主機(jī)最大工況下廢氣量的6%～10%計(jì)算確定， 本船設(shè)為DN400。

2 廢氣鍋爐處的排煙管路改造

與普通增壓器相比，更換高效增壓器后，主機(jī)的排煙量和排煙溫度均發(fā)生了變化?？偟膩?lái)說(shuō)，由于主機(jī)高負(fù)荷時(shí)部分煙氣不經(jīng)過(guò)增壓器，不損失能量做功，故總的排煙熱量呈增大趨勢(shì)。主機(jī)排煙熱量的增加將導(dǎo)致廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)生量增大。如果蒸汽量過(guò)大，超過(guò)廢氣鍋爐的設(shè)計(jì)負(fù)荷，將導(dǎo)致廢氣鍋爐的蒸汽空間不足、安全閥口徑不足、給水系統(tǒng)能力偏小、蒸汽卸荷閥能力不夠等一系列問(wèn)題。因此，必須對(duì)排煙熱量增加后的蒸汽產(chǎn)生量進(jìn)行評(píng)估核算。

蒸汽產(chǎn)生量按下列公式進(jìn)行估算[2-3]：

(1)

結(jié)合主機(jī)的排煙參數(shù)和上述公式，得出典型工況下的蒸汽產(chǎn)生量如表1所示。根據(jù)廠家資料，本船的廢氣鍋爐及其附屬系統(tǒng)，設(shè)計(jì)蒸汽最大產(chǎn)生量為3 900 kg/h。從表1可知，在夏季工況下，其最大蒸汽產(chǎn)生量為4 772 kg/h，超過(guò)了廢氣鍋爐的承受能力，這是設(shè)計(jì)不允許的。為適應(yīng)新的煙氣參數(shù)，如果對(duì)廢氣鍋爐進(jìn)行改造，則需要改造其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和附屬系統(tǒng)，主要包括爐體的蒸汽空間和煙管改造，改造后需重新測(cè)試并得到船級(jí)社的認(rèn)可；鍋爐給水系統(tǒng)改造，包括給水泵、管路及附件、電氣啟動(dòng)器等；改造安全閥。

表1 主機(jī)增壓器升級(jí)后的蒸汽產(chǎn)生量

針對(duì)本船這種情況，經(jīng)綜合評(píng)估，參照增壓器旁通管路的設(shè)計(jì)原理，我們采取將部分主機(jī)排煙再旁通掉，不進(jìn)入廢氣鍋爐的方法來(lái)防止蒸汽產(chǎn)生量過(guò)大，就可以避免對(duì)廢氣鍋爐本體的改造。這種廢氣鍋爐排煙旁通系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。該旁通系統(tǒng)由蝶閥、節(jié)流孔板和必要的膨脹節(jié)組成。其中蝶閥根據(jù)裝在廢氣鍋爐進(jìn)口排煙管上的感溫探頭來(lái)控制，當(dāng)廢氣鍋爐進(jìn)口溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，蝶閥自動(dòng)開(kāi)啟，部分煙氣就可以被旁通掉；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，蝶閥則自動(dòng)關(guān)閉。選擇合適口徑的蝶閥和節(jié)流孔板，可以完成排煙旁通量的比例分配，保證進(jìn)入廢氣鍋爐的排煙量不超過(guò)規(guī)定值。同時(shí)要求該蝶閥具有本地手動(dòng)控制模式，用于人工旁通轉(zhuǎn)換，這樣可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)蒸汽需求量來(lái)靈活調(diào)整廢氣鍋爐煙氣進(jìn)入量。

圖2 廢氣鍋爐排煙旁通系統(tǒng)圖

這是一種比較可行且改造量較小的方案。此方案的設(shè)計(jì)關(guān)鍵為確定旁通煙氣量和旁通系統(tǒng)開(kāi)啟的時(shí)機(jī)。在對(duì)本船廢氣鍋爐煙氣旁通方案的設(shè)計(jì)中，有2個(gè)技術(shù)參數(shù)是設(shè)計(jì)的依據(jù)：一是本船技術(shù)說(shuō)明書(shū)要求的主機(jī)在ISO工況下 85%負(fù)荷時(shí)，蒸汽產(chǎn)生量不得小于2 000 kg/h；二是在任何情況下，蒸汽產(chǎn)生量不能超過(guò)廢氣鍋爐的設(shè)計(jì)最大能力3 900 kg/h。綜合表1的數(shù)據(jù)和主機(jī)煙氣溫度變化趨勢(shì)，其控制邏輯可設(shè)計(jì)為：在排煙溫度超過(guò)275 ℃時(shí)，將主機(jī)30%的煙氣量旁通掉，對(duì)應(yīng)可減少30%的蒸汽產(chǎn)生量；在排煙溫度小于275 ℃時(shí)，旁通管路關(guān)閉，則可同時(shí)滿(mǎn)足技術(shù)說(shuō)明書(shū)和廢氣鍋爐允許最大蒸汽產(chǎn)生量的要求，按這種控制邏輯設(shè)置旁通系統(tǒng)后的蒸汽產(chǎn)生量如表2所示。

表2 廢氣鍋爐增加旁通系統(tǒng)后的蒸汽產(chǎn)生量

在主機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行階段，主機(jī)的排煙溫度隨負(fù)荷的增加而逐漸升高，與排煙總熱量的變化趨勢(shì)一致。即溫度超過(guò)某一設(shè)定值，對(duì)應(yīng)排煙熱量也會(huì)超過(guò)廢氣鍋爐的允許值。同時(shí)由于溫度探測(cè)方法較流量、熱量等探測(cè)方法更簡(jiǎn)單易行，故在本方案中選擇根據(jù)溫度來(lái)控制蝶閥自動(dòng)開(kāi)關(guān)。

為達(dá)到煙氣旁通量為30%的技術(shù)要求，根據(jù)實(shí)船的排煙管布置情況確定彎管、三通等阻力部件數(shù)量，根據(jù)廢氣鍋爐的廠家資料確認(rèn)其阻力損失，以主機(jī)最大工況下的煙氣量為輸入?yún)?shù)，建立管路阻力計(jì)算模型。在不改變?cè)瓘U氣鍋爐排煙主管路口徑DN1900的情況下，經(jīng)過(guò)計(jì)算，排煙旁通管路和蝶閥口徑為DN1100，節(jié)流孔板開(kāi)孔直徑為0.43 m時(shí)，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

在本船的技術(shù)升級(jí)中，主機(jī)更換為高效增壓器后，設(shè)置了兩處排煙旁通系統(tǒng)，一處為旁通增壓器；另一處為旁通廢氣鍋爐。這兩處排煙旁通系統(tǒng)，在主機(jī)高負(fù)荷工作時(shí)，能對(duì)增壓器和廢氣鍋爐進(jìn)行有效的保護(hù)。本船改造后經(jīng)試航及交船后的運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)，整個(gè)排煙系統(tǒng)運(yùn)行正常，功能可靠，廢氣鍋爐的蒸汽量也滿(mǎn)足使用和安全要求，證明整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目的。同時(shí)，通過(guò)本項(xiàng)目的改造方案，也探索出一種在主機(jī)排煙熱量增加的情況下，無(wú)需更改廢氣鍋爐本體，就可防止廢氣鍋爐蒸汽量過(guò)大的技術(shù)方案，該方案具有改造量小，成本低的明顯優(yōu)勢(shì)。

[1] 張名齊,馬道學(xué), 張永鋒，等. 船舶超低速航行應(yīng)對(duì)市場(chǎng)低迷與環(huán)境危機(jī)[J]. 集裝箱化, 2010, 21(5): 4-6.

[2] 湯瑾璟,應(yīng)銀生,李鑫. 主機(jī)低油耗引發(fā)廢氣鍋爐蒸發(fā)量不足問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施[J]. 船舶設(shè)計(jì)通信，2014 (2)：47-51.

[3] 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司，中國(guó)造船工程學(xué)會(huì).船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)[M]. 3版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

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Some of the turbochargers are updated with high efficiency for reducing the fuel oil consumption when the main engine of ship works on low load.To prevent from turbocharger overload and safety problems of exhaust gas boiler,a turbocharger updating of a VLCC ship is taken as an example in this paper.The technical modification plan of the exhaust gas by pass system for turbocharger and exhaust gas boiler is given with the advantages of small change,low cost and high reliability.

exhaust gas system;main engine;modification

唐傳安(1981-)，男，遼寧大連人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事船舶與海洋平臺(tái)的輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

TH311

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.004

2017-02-16