柴油机气缸内燃烧后，产生废气被送到废气收集器

燃料在柴油机气缸中燃烧后，产生的能量不仅用于推进或发电，而且在排气系统中也排放出相当数量的能量。 废气排放除了造成空气污染外，还造成噪音污染。 如何利用这种能量？ 目前，船用柴油机基本都配备了增压器。 除了曲轴驱动之外，增压器无一例外地利用废气能量来驱动涡轮增压。 前者几乎绝迹。 此外，废热还可被锅炉用来产生蒸汽，为船上的其他系统服务。

上述系统构成了船舶机舱排气系统。 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排气管。

排气系统包括几个主要部件：排气管、膨胀节或波纹管、废气锅炉、省煤器或热水锅炉、消声器和火花消除器。 为了更好地利用热能而不影响主机效率，排气系统必须考虑气体流量、涡轮增压器后的最大背压、涡轮增压器出口处的废气温度、最大允许压降排气管的轴线、径向和径向变形后承受热胀冷缩的能力等，以及如何选择合适的降噪设施以达到降噪的目的。 下面根据MAN的资料和船级社规范进行一一介绍。

燃料在柴油机气缸组中燃烧后，产生的废气被送到废气收集器，也称为排气集管。 在废气收集器中，对不同气缸产生的脉动压力进行缓冲和稳定，将具有连续稳定要求的废气送入涡轮增压器，利用废气的热能带动叶轮扫气更多新鲜空气进入气缸。 支持刻录。

1、背压和压力损失

在设计排气系统时，最重要的事情之一就是考虑涡轮增压器的背压。 在柴油机MCR最大连续额定功率下，排气系统的背压取决于废气流量，即背压与废气流量的关系。 与气体速度的平方成正比。 MAN柴油机手册中介绍，根据一般造船实践，为避免排气管内压力损失过大，MCR时排气速度保持在35 m/s至50 m/s为宜。 在确定排气管直径时，MAN推荐四种排气速度：35 m/s、40 m/s、45 m/s和50 m/s。

当然，如果排气系统加装了其他排气旁通设备，如上面提到的锅炉及省煤器、火花消除器等，也会影响排气压力。 因此，在选择这些设备时，一定要考虑主机制造商说明书中规定的最大压力损失。 因此，BV规则C部分第10节第18.2.3条规定“排气管的设计应使压力损失不超过发动机或锅炉制造商规定的最大允许值”。

在MCR时，涡轮增压器后的总背压不能超过350毫米水柱，因为运行过程中会产生烟灰沉积物。 为了保证整个系统最终有一定的背压余量，MAN建议在设计初期，取300毫米的水柱。 1mm水柱WC等于0。海试时，可通过在增压器后的接头上连接U型压力表来验证背压。 只要总背压满足制造商的要求，排气管上的其他设备可以单独选择。 总排气背压已包括管道系统和所有其他设备的压力损失。

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。 其效率受通过锅炉的废气背压的影响。 监测背压的参数也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量。 如果废气锅炉没有安装其他EGB，例如火花熄灭器和消音器等，那么MAN建议通过废气锅炉的压力损失通常为150毫米水柱，或适当更高的点，否则废气系统同时安装无需废气锅炉、消音器等，通过废气锅炉的最大压力损失可略小于150毫米水柱。 当然，这个压力损失还包括入口和出口之间的过渡部分。

消声器压力损失

柴油机排气噪声是一种空气动力噪声，其频谱是连续的。 频率范围极宽，从几十赫兹到几千赫兹。 频谱中能量最大的分量落在发动机的基频及其整数倍附近。 倍数越大，声音强度越小。 大型船用柴油机的噪声频谱包含许多低频分量，甚至次声频分量。 因此，柴油机制造厂应向船舶设计部门提供柴油机噪声谱曲线，以供船舶设计部门选用消声器。 但需要注意的是，厂家的噪声谱图只是锅炉和消音器安装前的数据。

在MCR处测量噪声级时，距离排气管出口1米，与排气流向成30°角。 根据远场理论，距离加倍将使噪音水平每月降低6分贝。 例如，在常见的吸能消声器中，通过消声器中心管道的废气流速约为35米/秒，MCR处的压力损失通常为20毫米水柱。

烟囱排气管靠近驾驶室和生活区，是上层建筑周边声污染的主要来源之一。 从ILO和SOLAS公约的角度来看，两者都为噪声控制提供了法律依据。 根据海事安全委员会决议MSC.337(91)通过的噪声级规则，驾驶室机翼的要求为70分贝。 如果遵循脚注 8 中关于两翼听音位置测量方法的建议，临时指南中的噪声要求可能会更低。 因此，在排气管系统上安装排气管消声器是很有必要的。

新设计的消声器包括三个腔室，可以克服普通消声器针对单一频段的缺点。 有源元件用于衰减低频，敏感吸能元件处理较高频率，也有有源元件和敏感元件之分。 组合零件。 如果与柴油机的排气噪声范围很好匹配，这种布置可以在不增加涡轮增压器后背压的情况下有效降低噪声。

火花熄灭器压力损失

柴油机低负荷时，部分燃烧的废气中含有一些未燃烧的积炭和烟灰，它们随柴油机排放物一起进入排气管系统。 由于排气管系统富含氧气，否则会很热。 碳颗粒可能会从烟囱中排出，产生更高风险的火花。 油轮、化学品船也是如此。 在液化气体运输船和一些载运某些化学品的 PSV 上，排气管系统应配备火花消除器。 通常为了节省烟囱内的有效空间，降低设备成本，降低排气背压，需要将火花抑制器和消音器组合成一件设备，这就是火花熄灭消音器。

火花放电器造成相当大一部分压降，这是一个固有的缺点。 MAN 建议 MSR 消音器或火花消除器的综合压力损失不超过 100 毫米水柱。 这也取决于排气系统和其他EGB是否足够。 如果不安装废气锅炉，也可允许200毫米水柱的压力损失。

船用火花熄灭消声器大致可分为干式和湿式两种。 干式主要是改变排风气流的流动方向，使气流缓慢流动并旋转，使气体中的火花充分燃烧，未燃尽的灰粒与器壁或网板碰撞，达到灭火的目的。火花。 灰粒集中进入灰箱或随气流排入大气。 在湿式中，气流进入消声器，然后旋转并缓慢流动。 与水幕充分接触后，达到熄灭火花的目的。 熄灭的脏灰水流向舱底。 其特点是流程短、结构紧凑、灭火效果好、阻力低。 缺点是如果使用淡水，消耗淡水不经济； 如果使用海水，消声器会受到严重腐蚀，寿命较短。

Jimmy提醒我，在设计船舶管道系统时，这些含有烟灰的废液在法规中被视为易燃液体。 例如BV法规第5.10.1条就有这样的定义。

综上所述，布置排气管时考虑的排气量可以从柴油机生产厂家的资料中查询到。 如果没有提供制造商信息，设计者可以参考涡轮机设计手册。下图为MAN柴油机排气量的计算公式。

2、如何测量背压？

排气管上的总压力包括动压和静压。 动压来自排气流量，静压是流量为零时的管壁压力。 这很容易理解。 与我们车间密闭管道系统的静水压力进行对比，测试，此时的压力仅为静压。 管道上不同位置的排气流量不同，因此选择合适的位置测量总背压很重要。 原则上，我们在海试期间测量的压力表示气流的静压。 因此，最好选择在直管段内且远离其他障碍物的点，这样静压才会相对稳定。 否则，在过渡段测得背压，压力是不稳定的变化。 因此，我们通常选择增压器后的直管段作为系统总背压的测量点。 本来这里插了一张吉米哥试航时某艘船排气管背压测量的照片，可惜电脑上没有找到。 下图来自船用柴油机数据，仅供参考。 该装置为常见的U型压力表，可由船厂购买或自行制作。 其原理与U型管进行气密性检测的原理相同。

3、排气管安装

伸缩缝

正常情况下，如果主机不运行，环境温度在20度到40度左右。 主机运行时，排气管温度甚至可​​达200​​摄氏度，这就要求排气管能够承受冷热变形。 为此，在涡轮增压器后安装了不锈钢膨胀节。 选择波纹膨胀节时，膨胀节的允许伸缩量必须大于该段管道可能的膨胀量。 根据膨胀节的具体特性，有时可以考虑一定量的预压缩。

安装膨胀节时，不允许零件出现扭转变形。 移动列车前应先将膨胀节与管道连接好，然后拆下定位螺钉（必须松开螺母，避免气割）。 吉米弟兄在某艘船上也遇到过类似的情况。 不锈钢伸缩缝保护不好，导致机舱施工时的点焊渣溅到了上面。 下图为被点焊渣烧毁的伸缩缝。

如果膨胀节有风道或表面有流向标记，安装时不要注意方向。 膨胀节的波纹管部分必须严格保护，不得承受排气管等的附加重量。膨胀节不宜安装在管道的弯曲处。

弹性吊架、弹性支撑和导向支架

除伸缩缝外，还应注意在排气管道系统的适当管段上安装固定支架、弹性支架或弹性吊架。 如下图所示，在伸缩缝上方的管段上设置固定支架，在拐角处设置弹性支撑，在其他直管段上设置弹性吊架。

独立伸缩段一般不允许设置两个或两个以上伸缩节及其他补偿构件。 也就是说，支撑室应按照刚柔相济的原则安装。 在MAN的说明书中，如上图所示，还建议在机舱烟囱内布置长管段，并沿高度方​​向设置滑动导向支架。

雨帽

为了防雨，排气管穿过烟囱顶部的地方应安装活动帽。 吉米在一些船上发现，这里的缝隙较大，一方面不利于焊接，另一方面排气管顶部晃动较大。 事实上，按照行业标准，还应该填充无石棉的保温材料。 例如下面的设计节点就相当合理。

排气管端部

对于运行时间不长的船舶，如果不经常启动柴油机，就会发现烟囱顶部排气管末端有一个鸟巢。 如果鸟巢掉进排气管，不会损坏消声器，也不会阻止鸟掉进排气管。 气管。 出于安全考虑，吉米建议在末端安装钢丝网以防止坠落。 该网不能被视为阻火器。

当然，我也见过装饰更豪华的烟囱顶。

排气管材料和连接

该规范规定排气管和附件的材料应耐废气腐蚀并适合最高预期温度。 加热主机的排气温度管道的上限常以250℃的管道材质来考虑，而焚烧炉的排气温度更高，因此焚烧炉的排气管道通常选择不锈钢管道，其管道材质为250℃。熔点高于碳钢。

法兰密封垫片应采用石墨缠绕垫片。 紧固螺栓应发黑处理，不允许镀锌件，螺纹件安装时应涂石墨粉。 螺栓的长度必须合适。 根据安装实践，至少要露出2-3个螺纹，不像下图。

规范要求排气管应设有泄压措施，特别是低于废气锅炉的排气管，防止水进入发动机。 并且当排气管采用水冷时，其布置还可以自动向船外排放。 后者指的是湿式排气管，而本文的主要内容集中在干式排气管系统，将在文章最后进行简单介绍。

绝缘材料

上述楼梯排气管设计时，通常考虑排气管温度为250℃。 但根据SOLAS公约的要求，超过220°C且应受燃油系统故障影响的热表面应进行适当隔热。 。

因此，实船布置时，应避免油管和油舱位于排气管上方，以防止油滴泄漏到排气管。 不可避免时，应采取有效措施，保证排气管上不滴油。 排气管及其法兰应与油箱保持一定距离。 建议不小于1m。 燃油管与排气管之间也应有一定的距离。 特别注意燃油管的连接法兰，并采取适当的措施。 防止法兰损坏和燃油喷到排气管上。

一般采用包裹隔热层来达到隔热的目的。 绝缘材料必须是不可燃的，绝缘层必须由防止油或燃料渗透的绝缘材料制成。 包覆保温材料后，再用钢丝缠绕，最后加镀锌马口铁铠装。

排气管连接

大多数船舶的每个发动机/炉子都有单独的排气管，但这并不排除柴油机之间的排气管，或者柴油机和锅炉之间的排气管互连的可能性。 例如，BV 法规要求：

来自不同发动机、废气锅炉或省煤器的废气不应导入同一排气歧管，除非每个排气管均设有合适的隔离装置。

连接到公共烟囱的锅炉烟道应有足够的高度分隔，以防止运行锅炉的烟气进入停止运行的锅炉。

对于燃料和废气交替使用的锅炉，从发动机引出的排气管应设有隔离设备和安全装置源质排气管，以防止隔离设备未处于关闭位置时燃料燃烧装置启动。

之前我们提到过湿式排气管，最后我们简单介绍一下干式排气管和湿式排气管的区别。 干式排气管优选为垂直出口段。 其安装必须减少高温和火灾的风险。 因此，规范要求排气管和消音器要么是水冷的，要么是隔热的。 保温为干式。 水冷是湿式排气管。

如果柴油机排气管位于船尾、侧面或靠近水线，则通常建议使用湿式排气管。 你能想象一下，当你猛踩油门的时候，你的背部被推了，但随后黑烟冲天的感觉却是一种景象？ 因此，湿式排气管主要用于游艇项目。 在湿式排气管系统中，引入海水与废气混合，不仅可以降低噪音，还可以降低排气温度。 连接到海水后，无需进一步绝缘。

排气烟色

在码头系泊试验中，我们经常发现主机或发电机刚启动就冒黑烟。 你能区分不同烟雾颜色的含义吗？ 这是在BV规范对的描述中介绍的：

黑烟（烟灰）主要由碳颗粒组成

蓝烟通常是由燃料或油不完全燃烧产生的液滴引起的。

白烟通常是由冷凝和/或液体燃料引起的

黄色烟雾是由二氧化氮引起的

你现在明白了么？

【参考】

BV规范C部分第1章和E部分第9章

城域网主机手册

船舶设计实用手册

SOLAS公约2016中文综合文本