綠色超長沖程柴油機(jī)廢氣溫度低的應(yīng)對措施

蔡衛(wèi)華

(江蘇舜天船舶技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012)

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綠色超長沖程柴油機(jī)廢氣溫度低的應(yīng)對措施

蔡衛(wèi)華

(江蘇舜天船舶技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012)

分析了綠色超長沖程柴油機(jī)的選用及其特點(diǎn)，針對綠色超長沖程柴油機(jī)廢氣溫度低導(dǎo)致廢氣鍋爐蒸汽產(chǎn)量不足的問題，從鍋爐的形式選擇、柴油機(jī)的優(yōu)化配置及節(jié)能降耗措施的應(yīng)用等角度，提出了幾種常用的解決方案，并比較了各方案的特點(diǎn)、適用范圍以及選用原則。

綠色超長沖程；廢氣溫度；翅片管；預(yù)熱轉(zhuǎn)換；熱能回收

0 引言

隨著防止船舶污染國際公約MARPOL附則VI修正案-引入船舶能效條款,即新造船能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)及船舶營運(yùn)能效管理計劃(SEEMP)的生效實施，如何優(yōu)化設(shè)計，提高船舶能效水平，實現(xiàn)節(jié)能減排已成為船舶設(shè)計的重要課題。選用新型綠色超長沖程柴油機(jī)，以降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，提高螺旋槳效率，同時結(jié)合主機(jī)減額輸出的設(shè)計理念，通過主機(jī)降功率(Derating)的使用，以最大限度地提高推進(jìn)效率，減少油耗，當(dāng)下已成為船舶優(yōu)化設(shè)計中主要的節(jié)能措施之一。

在新型綠色超長沖程柴油機(jī)的應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了一些新的情況，如排氣溫度降低、缸套冷腐蝕等。本文擬對新型綠色超長沖程柴油機(jī)廢氣溫度低導(dǎo)致廢氣鍋爐蒸汽產(chǎn)量下降的問題及主要應(yīng)對措施進(jìn)行梳理、分析，為船舶動力裝置優(yōu)化選型設(shè)計提供參考。

1 綠色超長沖程柴油機(jī)的特點(diǎn)及相關(guān)問題

與常見的長沖程低速柴油機(jī)相比，綠色超長沖程柴油機(jī)具有超長沖程、更低轉(zhuǎn)速、更低油耗的特點(diǎn)，同時其排氣溫度則相應(yīng)更低，這對主機(jī)廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量將造成很大的影響，使得船舶在營運(yùn)過程中，大部分時間都需要開啟鍋爐燃燒器來補(bǔ)充船上日用蒸汽耗量的不足。

傳統(tǒng)的廢氣鍋爐通常是基于主機(jī)約85%～90%約定最大持續(xù)功率(Specified Maximum Continu-ous Rating，SMCR)點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計的，但基于當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)狀況，船東對船舶操縱靈活性，也即部分負(fù)荷與低負(fù)荷下改進(jìn)燃油消耗率的要求愈加注重，主機(jī)部分負(fù)荷及低負(fù)荷優(yōu)化，如EGB(廢氣旁通)、ECT(主機(jī)控制調(diào)整)等已成為常用的主機(jī)調(diào)整(Tuning)方式，這也使得主機(jī)的常用功率和廢氣鍋爐的設(shè)計點(diǎn)常降到約50%～80%SMCR,排氣溫度及主機(jī)常用功率點(diǎn)的雙雙下降導(dǎo)致廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量小的問題突顯。

2 主要應(yīng)對措施

應(yīng)對廢氣鍋爐蒸汽產(chǎn)量的降低的問題，在主機(jī)選用綠色超長沖程柴油機(jī)時應(yīng)繼續(xù)高效利用好主機(jī)的廢氣，并結(jié)合各型船舶的不同配置特點(diǎn)，除了考慮按傳統(tǒng)的方法配置燃油鍋爐或組合鍋爐之外，如何在船舶運(yùn)營過程中盡量減少使用或不使用鍋爐燃燒器，以最經(jīng)濟(jì)及節(jié)能環(huán)保的方案來補(bǔ)充日用蒸汽的不足，需要船舶在設(shè)計初期進(jìn)行充分的分析論證，其結(jié)果也將對船舶后期運(yùn)營成本及EEDI產(chǎn)生影響。

針對上述問題，介紹幾種常用的解決方案。

2.1 回收利用發(fā)電機(jī)廢氣余熱

2.1.1 工作原理

傳統(tǒng)的主機(jī)廢氣鍋爐通常是將主機(jī)的廢氣接入鍋爐，利用主機(jī)廢氣的余熱來達(dá)到鍋爐加熱的目的。而發(fā)電機(jī)的廢氣則經(jīng)由消音器直接排至船外，使得發(fā)電機(jī)的廢氣余熱沒有得到利用。

為了充分利用發(fā)電機(jī)廢氣余熱，在主機(jī) 廢氣(或組合)鍋爐的基礎(chǔ)上增加發(fā)電機(jī)廢氣側(cè)，即將主機(jī)廢氣(或組合)鍋爐增加發(fā)電機(jī)廢氣進(jìn)口，將發(fā)電機(jī)的廢氣也同時引入鍋爐，利用發(fā)電機(jī)的廢氣余熱來增加熱源供給，可以達(dá)到增加蒸汽產(chǎn)量的目的。這種方式的概念形成大約在2008年左右，2010年已有國內(nèi)船廠開始應(yīng)用于船上，至今在很多船型上已經(jīng)成功應(yīng)用，如目前在國內(nèi)船廠建造較多的Ultramax型散貨船，大多都配備了這種含發(fā)電機(jī)廢氣側(cè)的組合鍋爐。

2.1.2 應(yīng)用特點(diǎn)

對于大多數(shù)船，這種帶發(fā)電機(jī)廢氣側(cè)的主機(jī)廢氣(或組合)鍋爐一般不會將所有主發(fā)電機(jī)組的排氣均接入同一臺廢氣(或組合)鍋爐，如配置3臺主發(fā)電機(jī)組的船，其廢氣鍋爐絕大多數(shù)僅限于主機(jī)廢氣加上其中2臺發(fā)電機(jī)組廢氣的接入，這也是目前最常見的主機(jī)廢氣鍋爐帶發(fā)電機(jī)廢氣側(cè)的配置方案。其主要原因如下：

(1)對于配置3臺及以上主發(fā)電機(jī)組的船，大多數(shù)情況下，至少有1臺發(fā)電機(jī)為備用發(fā)電機(jī)。有些船上會出現(xiàn)雖配置4臺主發(fā)電機(jī)組，但在正常航行時只開1臺發(fā)電機(jī)的情況。如有些集裝箱船在不帶冷箱航行時，很可能只需開1臺發(fā)電機(jī)，因此對于配置3臺主發(fā)電機(jī)組的船，2臺發(fā)電機(jī)排氣管的接入基本上能保證發(fā)電機(jī)廢氣的充分利用。

(2)如果將所有發(fā)電機(jī)組的廢氣同時接入鍋爐，不利于鍋爐的清潔維護(hù)。為了維持比較高的換熱效率，廢氣鍋爐經(jīng)常需要利用船舶靠港期間進(jìn)行清洗。由于鍋爐清洗通常需在冷態(tài)下進(jìn)行，不允許有廢氣的排入。為了保證船舶靠港及裝卸貨期間的正常電力供應(yīng)，同時又要保證鍋爐的正常清洗，故不宜將所有發(fā)電機(jī)廢氣全部接入同一鍋爐。

對于上述未接入鍋爐的備用發(fā)電機(jī)組，有些船東提出了以下問題或思路。

(1)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行一段時間后，主備用發(fā)電機(jī)通常需互換使用。為了保證主備發(fā)電機(jī)互換后主發(fā)電機(jī)的廢氣仍然能接入鍋爐，需要在設(shè)計階段提前考慮好，如設(shè)計使用Y型三通及盲板等進(jìn)行切換。另外，為保證停港期間對鍋爐進(jìn)行清洗，也有船東提出增設(shè)發(fā)電機(jī)廢氣旁通管。另外，在布置可行的情況下，也可以考慮將各主發(fā)電機(jī)組的廢氣均接入同一鍋爐。

(2)對于沒有被接入鍋爐的發(fā)電機(jī)組，在主機(jī)廢氣(或組合)鍋爐(帶發(fā)電機(jī)廢氣側(cè))之外，再為此臺發(fā)電機(jī)組單獨(dú)配置廢氣經(jīng)濟(jì)器，利用強(qiáng)制循環(huán)水泵及主鍋爐汽鼓產(chǎn)生蒸汽。

此外，如果空間允許，采用2組廢氣鍋爐也是比較好的方式。如對于配置了3臺主發(fā)電機(jī)組的船，由主機(jī)加其中1臺主發(fā)電機(jī)組的廢氣組成1臺廢氣(或組合)鍋爐，另外2臺發(fā)電機(jī)組的廢氣組成另1臺廢氣(或組合)鍋爐或煙管經(jīng)濟(jì)器，這樣既充分利用了發(fā)電機(jī)廢氣，又解決了鍋爐的清洗維護(hù)問題。

2.2 選用傳統(tǒng)效率渦輪增壓器

使用傳統(tǒng)效率渦輪增壓器(增壓效率為64%)可以使廢氣溫度提高，進(jìn)而增加廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量。但與高效增壓器相比，其油耗有所增加且使用傳統(tǒng)效率渦輪增壓器只能進(jìn)行高負(fù)荷優(yōu)化，無法在部分負(fù)荷及低負(fù)荷下對油耗進(jìn)行優(yōu)化。

(1)主機(jī)6G60ME-C9.2約定最大持續(xù)功率(SMCR)12 000 kW，轉(zhuǎn)速80 r/min，其負(fù)荷油耗曲線如圖1所示。當(dāng)主機(jī)在50%負(fù)荷的工況下運(yùn)行時，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，主機(jī)使用傳統(tǒng)及高效增壓器時的油耗(SFOC)分別約為164.5 g/(kW·h)和165.5 g/(kW·h)，兩者相差1 g/(kW·h),則每天油耗差約為144 kg。

圖1 主機(jī)6G60ME-C9.2負(fù)荷油耗曲線

(2)主機(jī)6G60ME-C9.2負(fù)荷及蒸汽產(chǎn)量如圖2所示。當(dāng)主機(jī)在50%負(fù)荷的工況下運(yùn)行時，使用高級增壓器和傳統(tǒng)增壓器時的蒸汽產(chǎn)量分別約為1 050 kg/h和1 550 kg/h，蒸汽量相差約12 t/d。而按照傳統(tǒng)的燃油(組合)鍋爐模式，鍋爐燃燒器產(chǎn)生12 t蒸汽所需的燃油約為936 kg/d，明顯高于上述主機(jī)選用傳統(tǒng)增壓器及高效增壓器時每天的油耗差值。因此,對于這種情況，使用傳統(tǒng)效率渦輪增壓器盡管使主機(jī)油耗有所上升，但在綜合考慮廢氣鍋爐蒸氣產(chǎn)量的增加，其總的燃油消耗量反而明顯降低，在設(shè)計時可作為備選方案之一。

2.3 廢氣鍋爐熱能控制系統(tǒng)

廢氣鍋爐熱能控制系統(tǒng)(Economizer Energy Control system，EEC系統(tǒng))示意圖如圖3所示。廢氣鍋爐熱能控制系統(tǒng)是在廢氣旁通的基礎(chǔ)上增加了自動控制功能，利用鍋爐出口的蒸汽壓力信號來控制EGB旁通閥的開度，使得在部分負(fù)荷下主機(jī)排氣溫度相應(yīng)提高，從而達(dá)到提高蒸汽產(chǎn)量的目的。

以某75 000 DWT散貨船為例，其主機(jī)型號為6S50ME-9.3 TIER II,SMCR為8 310 kW，轉(zhuǎn)速為110 r/min,高負(fù)荷優(yōu)化，螺旋槳直徑為6.2 m，服務(wù)航速為14.5 kn，配置組合鍋爐。擬將其主機(jī)升級為G型機(jī)6G50ME-B9.3，并選用EEC系統(tǒng)，取功率減額系數(shù)為0.28，螺旋槳直徑增大為6.8 m。參考兩型主機(jī)各自的功率減額輸出區(qū)，平移等航速功率曲線可取SMCR為7 950 kW，轉(zhuǎn)速為94 r/min。

圖2 主機(jī)6G60ME-C9.2負(fù)荷及蒸氣產(chǎn)量曲線

圖3 廢氣鍋爐熱能控制系統(tǒng)(EEC)示意圖

經(jīng)計算，在ISO 3046/1標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下該船的日用蒸汽耗量約為820 kg/h。圖4為假定同樣在ISO標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的主機(jī)負(fù)荷及蒸汽產(chǎn)量曲線。由圖4可見，在手動廢氣旁通(Manual PL EGB)的情況下，主機(jī)在約50%負(fù)荷以上工況運(yùn)行時，主機(jī)廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽產(chǎn)量能滿足船上的日用蒸汽耗量。按照本船的運(yùn)營情況，主機(jī)低于50%負(fù)荷的年運(yùn)行時間僅占其全年總運(yùn)行時間的約15%左右，故EEC系統(tǒng)可保證該船在大部分時間內(nèi)不用開啟和使用鍋爐燃燒器。

圖4 主機(jī)6G50ME-B9.3負(fù)荷及蒸氣產(chǎn)量曲線

圖5為主機(jī)負(fù)荷油耗曲線。圖5中，主機(jī)6G50ME-B9.3在50%負(fù)荷工況下運(yùn)行時，采用手動廢氣旁通100%開啟與自動控制廢氣旁通間的單位油耗差約為6 g/(kW·h)，由此可推算出這2種調(diào)整方式每天的油耗差約為572 kg。同時，從圖4中可知，同樣在50%負(fù)荷情況下，主機(jī)采用手動廢氣旁通與自動控制廢氣旁通時主機(jī)廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量差值約為550 kg/h,而按照使用鍋爐燃燒器來估算，產(chǎn)生550 kg/h蒸汽需每天消耗的燃油約為1 030 kg。由此可見，選用主機(jī)EEC系統(tǒng)，不僅可以增加廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，減少鍋爐燃燒器的開啟與使用時間，進(jìn)而節(jié)省燃燒器及其相關(guān)系統(tǒng)的使用及維護(hù)費(fèi)用，而且綜合考慮主機(jī)廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，其總的油耗也有所降低。

2.4 使用高效經(jīng)濟(jì)器

使用高效廢氣經(jīng)濟(jì)器，利用翅片管或針形管等擴(kuò)展鍋爐受熱面積，可以充分利用主機(jī)廢氣，提高換熱效率，也可以達(dá)到增加鍋爐蒸汽產(chǎn)量的目的，在一定程度上補(bǔ)充日用蒸汽的缺口。由于較好地解決了積灰及清潔等問題，高效廢氣經(jīng)濟(jì)器常選用H型翅片管經(jīng)濟(jì)器，如MISSIONTM XW雙H型翅片管經(jīng)濟(jì)器，目前在集裝箱船、客船等船型上應(yīng)用比較多。

圖5 主機(jī)6G50ME-B9.3負(fù)荷油耗曲線

高效廢氣經(jīng)濟(jì)器一般為水管經(jīng)濟(jì)器，需采用循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)，對水質(zhì)要求比較高。相對于煙管鍋爐，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高，通常情況下不能做成組合鍋爐或幾臺柴油機(jī)共用經(jīng)濟(jì)器的結(jié)構(gòu)形式。對于擬利用多臺柴油機(jī)廢氣的情況，需為各臺柴油機(jī)分別配備經(jīng)濟(jì)器，布置上需占據(jù)更多的空間，因此，是否適合采用高效廢氣經(jīng)濟(jì)器，需視不同船舶的具體情況而定。

2.5 配置輔助電加熱系統(tǒng)

在鍋爐蒸汽產(chǎn)量不足時，除考慮開啟和使用鍋爐燃燒器等來增加蒸汽產(chǎn)量之外，配置輔助電加熱系統(tǒng)，也是比較直接的應(yīng)對措施之一。

在前期設(shè)計時，還可考慮結(jié)合其他措施，如EEC系統(tǒng)等的應(yīng)用，配置輔助電加熱系統(tǒng)，從而取消鍋爐燃燒器，單純使用廢氣鍋爐。

2.6 降低蒸汽消耗量

面對廢氣鍋爐蒸汽產(chǎn)量不足的問題，可以利用節(jié)能技術(shù)，以降低總的日用蒸汽消耗量，如采用預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、滑油分油機(jī)熱能回收系統(tǒng)等均可在一定程度上降低日用蒸汽耗量。

預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在國外應(yīng)用較早，目前在國內(nèi)的項目上也逐漸有所應(yīng)用。它的設(shè)計理念是通過減少燃油艙加熱以及加熱蒸汽輸送過程中與外界的熱交換損失，以減少燃油駁運(yùn)過程中所浪費(fèi)的熱量而達(dá)到節(jié)能減排的目的。通過使用燃油沉淀艙或日用艙的熱油輸送到燃油儲存艙，與儲存艙的冷油進(jìn)行混合加溫，以滿足燃油輸送的粘度要求，從而不使用加熱盤管，省去加熱盤管的安裝、維護(hù)等費(fèi)用，同時降低加熱蒸汽的消耗量。

以某64 000 DWT散貨船為例，經(jīng)計算，傳統(tǒng)的蒸汽加熱盤管對儲存艙進(jìn)行加熱所需的蒸汽量約為350 kg/h，而使用預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所需的蒸汽量約為125 kg/h，可節(jié)約蒸汽用量約225 kg/h。根據(jù)不同用戶的要求，本系統(tǒng)也可少量使用加熱盤管，安裝在燃油儲存艙的吸入口附近。

圖6為滑油分油機(jī)熱能回收系統(tǒng)示意圖。待分離的滑油經(jīng)分油機(jī)供給泵先進(jìn)入余熱回收預(yù)熱器進(jìn)行熱交換后，再進(jìn)入分油機(jī)加熱器。由加熱器出口的溫度控制加熱蒸汽溫控閥的開度，從而達(dá)到分油機(jī)的進(jìn)機(jī)溫度的要求。

某1 400 TEU集裝箱船主機(jī)為6G60ME-C9.2，SMCR為16 850 kW,配備主機(jī)滑油分油機(jī)1臺，額定分離量為2 500 l/h，另配備發(fā)電機(jī)滑油分油機(jī)1臺，分離量與主機(jī)相同，與主機(jī)滑油分油機(jī)互為備用。假定分油機(jī)凈油出口溫度為90 ℃，進(jìn)滑油循環(huán)艙溫度為65 ℃，則按總的滑油分離量5 000 l/h計算，可得蒸汽量約為82 kg/h。

從以上示例可以看出，滑油分油機(jī)熱能回收系統(tǒng)適用于主機(jī)功率配置相對較大的船舶。在實際應(yīng)用中，除了可由船舶設(shè)計單位自行設(shè)計余熱回收預(yù)熱器之外，目前已有分油機(jī)廠家推出了相應(yīng)的產(chǎn)品可供選用,如滑油分油機(jī)EnergyMaster系統(tǒng)。

3 措施選用原則

以上各項應(yīng)對措施在各具體項目上的選擇應(yīng)用應(yīng)依據(jù)不同的船型、不同的配置特點(diǎn)以及不同的營運(yùn)要求來選擇最適合的解決方案。例如，配有軸帶發(fā)電機(jī)的船，在海上航行時若僅運(yùn)行軸帶發(fā)電機(jī)，再參考其在海上的航行時間，選用主機(jī)廢氣鍋爐帶發(fā)電機(jī)廢氣側(cè)的方式就不一定適用。另外，對于煙囪區(qū)域空間設(shè)計較小的船，也不一定選用配置主機(jī)廢氣鍋爐帶發(fā)電機(jī)廢氣側(cè)的方式。

圖6 滑油分油機(jī)熱能回收系統(tǒng)示意圖

此外，為滿足國際海事組織(IMO)發(fā)動機(jī)氮氧化物(NOx) Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)及越來越嚴(yán)格的硫氧化物(SOx)排放要求，很多船只安裝了SCR(選擇性催化還原)系統(tǒng)及SCRUBBER(除硫裝置)。在這種情況下，選擇體積小、效率高的高效廢氣經(jīng)濟(jì)器則更有利于節(jié)省布置空間。

為了進(jìn)一步提高船舶的節(jié)能降耗水平，也可以在一個項目中同時選用不同的措施，如在主機(jī)廢氣鍋爐增加發(fā)電機(jī)廢氣側(cè)的基礎(chǔ)上選用主機(jī)EEC系統(tǒng)，還可以同時采用預(yù)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及滑油分油機(jī)熱能回收系統(tǒng)，以期達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能效果。

[1] 張存有.船舶輔機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2000.

[2] 陳寶忠，傅愛慶，孫永明.船舶減速航行與主機(jī)減額輸出節(jié)能技術(shù)的分析研究[J].中國航海,2005,62(1)：82-86.

[3] 中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,1997.

2014-12-03

蔡衛(wèi)華(1978—)，男，工程師，從事船舶輪機(jī)設(shè)計。

U664.121.1

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