船用低速柴油機(jī)降功率節(jié)能改裝技術(shù)及應(yīng)用

汪 鈺,臧春杰

(1.中船海洋動(dòng)力技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200136；2.滬東重機(jī)有限公司，上海 200136)

船用低速柴油機(jī)降功率節(jié)能改裝技術(shù)及應(yīng)用

汪 鈺1,臧春杰2

(1.中船海洋動(dòng)力技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200136；2.滬東重機(jī)有限公司，上海 200136)

文章以滬東重機(jī)有限公司承接的某型集裝箱主機(jī)降功率改裝項(xiàng)目為依托，通過對(duì)目標(biāo)主機(jī)性能分析，動(dòng)、靜態(tài)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，結(jié)合新機(jī)槳匹配方案，選定新的額定功率點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)建模，性能仿真設(shè)計(jì)，通過更換增壓器、增加壓縮比、更換噴油器等調(diào)整方案，制定出目標(biāo)主機(jī)降功率改裝方案，并通過改裝后的試航調(diào)試、試運(yùn)行，確認(rèn)改裝效果良好。

船用低速柴油機(jī)；降功率改裝；節(jié)能

Abstract:Taking the project of converting the container ship’s main engine by power derating as example，the converting plan was made for the destination host by analysis to the performance of destination host，field inquisition to the dynamic and the static，selection of the power rating combined the matching plan of the new propeller，modeling with computer，simulation design and some adjusting plans for replacing supercharger，increasing reduction ratio and replacing fuel injector。Through debugging on trial trip and testrun，the conversion proved good effects.

Keywords：marine low-speed diesel engine；power derating conversion；energy-saving

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的持續(xù)發(fā)酵，航運(yùn)業(yè)受到了運(yùn)營(yíng)成本過高和運(yùn)力過剩的雙重沖擊，航運(yùn)企業(yè)普遍采用船舶低速航行策略來應(yīng)對(duì)困局。但是，主機(jī)低速運(yùn)行又是一把雙刃劍，在節(jié)省燃油消耗的同時(shí)，對(duì)主機(jī)運(yùn)行性能和使用壽命有較大不利影響，比如低速航行帶來的缸套磨損加劇、風(fēng)機(jī)損壞、煙道堵塞等風(fēng)險(xiǎn)，大大增加了主機(jī)的維護(hù)成本，甚至威脅船舶航行安全。

為解決低速運(yùn)行帶來的種種弊端，滬東重機(jī)也提出了不少節(jié)能改造方案，如主機(jī)降功率、電子注油器改裝、選配新型噴油器、停增性能優(yōu)化改造。其中主機(jī)降功率輔以新型噴油器是一種實(shí)用且有效的主機(jī)節(jié)能技術(shù)。從全球市場(chǎng)獲悉，不少國(guó)外船東選擇了這種節(jié)能技術(shù)并付諸實(shí)施，效果良好。然而，任何事件都要以辯證的思維去看，在取得節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，主機(jī)的最大額定功率下降了。因此在主機(jī)改裝后，改裝船舶原有的最大航速會(huì)有一定的降低。

目標(biāo)主機(jī)(6S60MC MK5)為節(jié)省燃油消耗，采用低速(40%)運(yùn)行方式，導(dǎo)致主機(jī)運(yùn)行性能不佳，造成鍋爐、增壓器結(jié)碳，活塞頭結(jié)垢等，并尋求主機(jī)降功率使用解決方案。

1 主機(jī)節(jié)能改裝技術(shù)介紹

1.1噴油器改造技術(shù)

針對(duì)配置傳統(tǒng)噴油器的柴油機(jī)，通過應(yīng)用滑閥式噴油技術(shù)，解決了傳統(tǒng)噴油器的存油、滴漏問題，消除了柴油機(jī)長(zhǎng)期低速運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的噴孔堵塞的隱患?；y式噴油技術(shù)有效地應(yīng)對(duì)了柴油機(jī)低速運(yùn)行要求，減少了廢氣煙道的積碳，降低了燃油消耗。

1.2降功率改造技術(shù)

針對(duì)降速航行船舶，因?yàn)橥七M(jìn)動(dòng)力需求變小，可通過應(yīng)用降功率改造技術(shù)，在原有柴油機(jī)配置的基礎(chǔ)上進(jìn)行零部件的局部改造，并進(jìn)行性能的優(yōu)化，可以達(dá)到在無需更換柴油機(jī)的情況下，根據(jù)減小的推進(jìn)動(dòng)力需求，配置了1臺(tái)“新”的功率較小的柴油機(jī)的目標(biāo)。

2 降功率改裝技術(shù)應(yīng)用

2.1客戶需求分析

2.1.1 主機(jī)信息

目標(biāo)改造主機(jī)為1996年日本三井生產(chǎn)的MAN B&W 6S60MC MK5 型柴油機(jī)(6缸機(jī)，缸徑600 mm)。其功率為11 680 kW、轉(zhuǎn)速為100 r/min，該功率點(diǎn)設(shè)計(jì)油耗率172 g/(kW·h)，最高爆發(fā)壓力14.0 MPa，平均有效壓力1.8 MPa。 配置1臺(tái)NA70/T0726P(最大轉(zhuǎn)速為12 400 r/min)型號(hào)增壓器。目前主機(jī)常用功率點(diǎn)為 5 800 kW、78 r/min，對(duì)應(yīng)的增壓器轉(zhuǎn)速為7 000 r/min、掃氣壓力為0.28～0.285 MPa。

該主機(jī)安裝在一條單機(jī)單槳的球艏型集裝箱船，由于航運(yùn)市場(chǎng)低迷，貿(mào)易量急劇下降，所以船東對(duì)于航速要求大幅度降低，迫切希望降速降功率航運(yùn)以減少運(yùn)營(yíng)成本。

2.1.2 改裝要求

1) 為了節(jié)約成本，經(jīng)過螺旋槳廠家對(duì)船體阻力的計(jì)算，其建議將原來螺旋槳(4葉，螺距5 873 mm、直徑6 750 mm)改為4葉新槳(螺距5 500 mm、直徑6 600 mm)。

2) 改裝后，主機(jī)在運(yùn)行期間(78 r/min左右)，輔助風(fēng)機(jī)不必運(yùn)轉(zhuǎn)，主機(jī)氣缸排氣溫度控制在370 ℃以下，同時(shí)廢氣還能滿足日常的蒸汽需求(900 kg/h)。

2.2改裝方案制定

2.2.1 新額定功率選擇

根據(jù)螺旋槳生產(chǎn)廠家提供的新螺旋槳推進(jìn)功率與主機(jī)功率的匹配關(guān)系，可以得到主機(jī)的輕槳推進(jìn)特性線，再考慮重槳推進(jìn)特性因素，獲得主機(jī)推進(jìn)特性，如圖1所示。

圖1 主機(jī)推進(jìn)特性

在降負(fù)荷選擇區(qū)域內(nèi)，選擇最低的功率點(diǎn)作為新的SMCR點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的海況裕度，主機(jī)裕度和SMCR點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1。

2.2.2 性能參數(shù)設(shè)計(jì)

表1 主機(jī)新的SMCR點(diǎn)

確定了柴油機(jī)新的額定功率點(diǎn)(7 000 kW、89r/min)后，為獲得良好的配機(jī)性能，需要重新設(shè)計(jì)主機(jī)特性參數(shù)：主機(jī)壓縮比和增壓技術(shù)數(shù)據(jù)。新額定功率下，預(yù)估的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 新的SMCR點(diǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)

2.3油耗評(píng)估

根據(jù)圖2所示目標(biāo)主機(jī)改裝前后油耗特性圖，可列出相應(yīng)的改裝前后燃油油耗率對(duì)比數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表3。由表3知，改裝后的燃油消耗率比改裝前在全負(fù)荷范圍內(nèi)下降了2.23%～3.35%。

圖2 目標(biāo)主機(jī)改裝前后油耗率特性圖

表3 目標(biāo)主機(jī)改裝前后燃油油耗率對(duì)比

1)相同輸出功率條件下，改造前功率點(diǎn)5 759 kW/79 r/min，燃油消耗率為179.5 g/(kW·h)，24 h油耗24.8 t；改造后功率點(diǎn)5 759 kW/83.4 r/min，燃油消耗率為171.6 g/(kW·h)，24 h油耗23.7 t ；每天可以節(jié)省燃油0.7 t，改造后油耗降低了4.4%。

2)相同航速條件下，主機(jī)轉(zhuǎn)速為79 r/min時(shí)，改造前所需功率5 759 kW，燃油消耗率為179.5 g/(kW·h)，24 h油耗為24.8 t；改造后所需功率4 895 kW，燃油消耗率為171.6 g/(kW·h)，24 h油耗為20.3 t ；每天可以節(jié)省燃油4.5 t，改造后油耗降低了18.3%。

2.4主機(jī)靜、動(dòng)態(tài)評(píng)估

為制定詳細(xì)改造方案，策劃主機(jī)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)方案，并組織服務(wù)工程師分步實(shí)施。

1)主機(jī)靜態(tài)評(píng)估。根據(jù)檢查方案，對(duì)主機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了全面檢查，包括活塞頭、缸套、存氣墊片尺寸檢查；活塞頭在缸套中的位置檢查；原始增壓器NA70/T0726P本體尺寸及安裝尺寸復(fù)核；并確認(rèn)更換增壓器后相關(guān)接口尺寸是否需要調(diào)整。

2)主機(jī)動(dòng)態(tài)評(píng)估。組織服務(wù)工程師以跟航方式，獲取柴油機(jī)運(yùn)行性能參數(shù)，并根據(jù)該柴油機(jī)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制功率評(píng)估曲線，在此基礎(chǔ)上通過增壓器轉(zhuǎn)速、油門齒條格數(shù)，螺旋槳推進(jìn)特性和柴油機(jī)負(fù)荷圖3種方式評(píng)估柴油機(jī)輸出功率。見表4。

表4 主機(jī)動(dòng)態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)

通過對(duì)表4設(shè)計(jì)重槳情形下的油耗與平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的油耗比較，可以看出所選擇的耗油量還是比較合理的。另外，由于無法評(píng)估油泵泄露對(duì)齒條讀數(shù)的影響，且由于油泵柱塞、套筒的磨損引起船上的燃油泄露量將大于臺(tái)架值，所以將導(dǎo)致油門齒條評(píng)估方法評(píng)估的功率偏大，綜合考慮目前柴油機(jī)的狀況，我們認(rèn)為基于增壓器轉(zhuǎn)速評(píng)估方法評(píng)估并計(jì)算的油耗比較接近實(shí)際情況，即221.1 g/(kW·h)將作為改造前的油耗值。

2.5現(xiàn)場(chǎng)施工及試航

2.5.1 增壓器更換

主機(jī)原增壓器NA70/T0726P不能滿足使用要求，需更換為新型的TPL73-B12增壓器，更換方案設(shè)計(jì)需要遵循以下原則。

1) 需滿足原有增壓器可復(fù)裝的要求。

2) 增壓器與排氣集管、空冷器、廢氣出口的連接管設(shè)計(jì)需要遵循原設(shè)計(jì)。

3) 需要考慮氣流穩(wěn)定性和增壓器負(fù)載。

改裝前后狀態(tài)對(duì)比見圖3。

圖3 增壓器前后廢氣溫度

2.5.2 燃燒室容積調(diào)整

根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)仿真、分析計(jì)算，為滿足主機(jī)性能要求，主機(jī)壓縮比需由改裝前的 18.5 增加到 20.8。具體改裝方案是通過更換主機(jī)活塞桿下方安裝的存氣墊片方式來減小燃燒室容積。即將改裝前 20 mm存氣墊片更換成 37 mm 存氣墊片。

設(shè)計(jì)更換存氣墊片需要考慮以下2點(diǎn)。

1) 拆下原存氣墊片，測(cè)量其外圍6點(diǎn)厚度尺寸，確認(rèn)公差在0.01 mm 以內(nèi),確定其兩平面平行度良好。

2) 主機(jī)設(shè)計(jì)上，導(dǎo)向襯套與十字頭銷為過盈配合，過盈量為0.02 mm ，無法正常取出。需要設(shè)計(jì)導(dǎo)向襯套取出工藝。

2.5.3 滑閥式噴油器更換

主機(jī)原先使用的傳統(tǒng)噴油器需要更換成滑閥式噴油器，這種設(shè)計(jì)可以減少存油容積，提高噴射性能、霧化效果，改善燃燒狀況，達(dá)到節(jié)油效果。

1) 滑閥式噴油器選型?？紤]日本三井經(jīng)常改動(dòng)專利設(shè)計(jì)，我們通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，結(jié)合專利設(shè)計(jì)，最終完成噴油器選型。

2) 缸蓋噴油器孔擴(kuò)孔。由于噴油器噴嘴型號(hào)變大，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，對(duì)缸蓋噴油器孔人工擴(kuò)孔，由D12改為D14，設(shè)計(jì)了一套導(dǎo)向裝置和專用刀具，用電鉆帶動(dòng)刀具實(shí)現(xiàn)缸蓋擴(kuò)孔，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

2.6試航及調(diào)試

完成零部件改造后，在船舶標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)壓載狀態(tài)下進(jìn)行試航，并調(diào)整柴油機(jī)性能，使其各項(xiàng)性能參數(shù)盡可能靠近設(shè)計(jì)狀態(tài)，以獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。實(shí)船調(diào)試容易受到海況環(huán)境的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以非螺旋槳特性對(duì)應(yīng)輸出功率，穩(wěn)定性也不如臺(tái)架。實(shí)船調(diào)試主要是進(jìn)行增壓器匹配驗(yàn)證試驗(yàn)和爆發(fā)壓力的調(diào)整，經(jīng)數(shù)據(jù)測(cè)量和爆發(fā)壓力調(diào)整后，確認(rèn)掃氣壓力和排氣溫度符合設(shè)計(jì)要求。調(diào)整后實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)見表5。

表5 主機(jī)試航實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)

2.6.1 主機(jī)性能數(shù)據(jù)

在試航期間，我們通過PMI氣缸壓力測(cè)試設(shè)備測(cè)量了主機(jī)缸內(nèi)壓力和計(jì)算出了輸出軸功率，并且記錄了各項(xiàng)壓力數(shù)值，將這些實(shí)際運(yùn)行的數(shù)值繪制成主機(jī)性能圖，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，具體見圖4。

從圖4可以看出柴油機(jī)的掃氣壓力、壓縮壓力的性能值與設(shè)計(jì)的基本相符，爆壓相對(duì)偏離較大。針對(duì)該問題，我公司通過分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)油泵的VIT(可變噴油正時(shí))機(jī)構(gòu)失靈，直接導(dǎo)致爆壓無法得到有效調(diào)整，所以建議船東今后整體維修油泵，恢復(fù)VIT的功能，可以進(jìn)一步優(yōu)化主機(jī)數(shù)據(jù)和降低油耗。

圖4 柴油機(jī)缸壓及掃氣壓力分布

2.6.2 船舶油耗的改善

1)試航記錄數(shù)據(jù)。在主機(jī)性能優(yōu)化調(diào)整后，我們測(cè)量、記錄了主機(jī)在常用轉(zhuǎn)速度點(diǎn)(78 r/min)使用重油情況下的燃油消耗情況。

根據(jù)表5記錄數(shù)值，通過分析、計(jì)算可知該船主機(jī)燃油油耗為21.2 t/d，而改裝前船東提供的主機(jī)燃油消耗為25.9 t/d，改裝前較改裝后燃油消耗降幅達(dá)到了18% 。考慮到海況、風(fēng)向、船舶吃水等因素會(huì)影響油耗的測(cè)量，今后還需要船東通過多航次的測(cè)量來綜合評(píng)估柴油機(jī)改裝的節(jié)油效果。

2)試運(yùn)行數(shù)據(jù)。經(jīng)3個(gè)月的運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證，目前柴油機(jī)在更低航速下運(yùn)行時(shí)，排氣溫度大幅下降，掃氣壓力明顯改善，節(jié)油效果良好，整體改造達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。改造前主機(jī)轉(zhuǎn)速78 r/min時(shí)，船舶航速14.5 kn，日耗油量25.9 t；改造以后，主機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，航速降低到13.9 kn，日耗油量20.2 t，按該船年運(yùn)行260 d，燃油4 000 元/噸計(jì)算，年油費(fèi)節(jié)省592.8萬元。如果航速降低到75 r/min，航速進(jìn)一步降低到13.7 kn，日耗油量?jī)H有18.2 t，年油費(fèi)節(jié)省達(dá)800.8萬元。

從結(jié)果可以看出，通過柴油機(jī)降功率并匹配輕槳等改造后，柴油機(jī)可以滿足船舶在更低航速下航行的需求，能有效降低船舶運(yùn)營(yíng)成本。

2.7改裝后軸系扭振、主機(jī)排放測(cè)量、遙控系統(tǒng)設(shè)定

考慮到降功率改造將影響原有的軸系扭振，我們通過理論推算和實(shí)船測(cè)量的方式確定了主機(jī)新的轉(zhuǎn)速禁區(qū)。另外，還根據(jù)法規(guī)要求，實(shí)船測(cè)量主機(jī)的排放，為我們下一步爭(zhēng)取獲取排放證書奠定了基礎(chǔ)。設(shè)定負(fù)荷程序、設(shè)定共振轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以滬東重機(jī)有限公司承接的主機(jī)降功率改裝項(xiàng)目為依托，以公司長(zhǎng)期制造柴油機(jī)累計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)更換增壓器、調(diào)整壓縮比、更換噴油器，制定了一種主機(jī)降功率改裝方案。并通過現(xiàn)場(chǎng)零部件改裝、試航、調(diào)試驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的可行性，完成了國(guó)內(nèi)首條船的主機(jī)降功率改裝項(xiàng)目。經(jīng)過一年的試運(yùn)行，并通過船東航行記錄數(shù)據(jù)證實(shí)：主機(jī)運(yùn)行正常，取得了非常好的節(jié)油效果，改裝項(xiàng)目達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

啟事《中國(guó)修船》征稿啟事

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U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.009

汪鈺(1983-)，男，河南開封人，工程師，學(xué)士，主要從事船舶輪機(jī)工程工作。

2017-06-20