MAN 二沖程柴油機(jī)部分負(fù)荷/低負(fù)荷優(yōu)化方法

李金華

（江門市南洋船舶工程有限公司，江門 529145）

1 前言

減少船舶CO2排放并盡可能降低推進(jìn)主機(jī)在各種負(fù)荷下的燃油消耗，是船舶設(shè)計(jì)和建造的重要目標(biāo)。但是，減少CO2排放及降低油耗率通常會導(dǎo)致船舶航速下降，因此在降低柴油機(jī)負(fù)荷的情況下對主機(jī)在部分負(fù)荷/低負(fù)荷下進(jìn)行負(fù)荷優(yōu)化，使SFOC 達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而給營運(yùn)船舶帶來較好的經(jīng)濟(jì)性。

我司與日本NISSHIN 船東簽約的10 艘39 000 DWT和12 艘39 300 DWT 靈便型非運(yùn)木散貨船，船東對航速?zèng)]有特別的要求。本文介紹這二型船主機(jī)部分負(fù)荷/低負(fù)荷的優(yōu)化過程，對比主機(jī)廢氣所產(chǎn)生的蒸汽量、燃油消耗率以及采用EGB 的部分負(fù)荷/低負(fù)荷優(yōu)化方法。

2 部分負(fù)荷/低負(fù)荷優(yōu)化方法

主機(jī)的NOx 排放值，是由25%、50%、75%、100%負(fù)荷下的NOx 排放值以不同權(quán)重所得的綜合值，即IMO Cycle = 5%*NO x（25） + 11%*NO x（50） + 55%*NO x（75）+ 29%*NO x（100）。

從上述計(jì)算公式可知：低負(fù)荷區(qū)的NOx 排放值所占權(quán)重較小，因此可以利用上述關(guān)系來改善不同負(fù)荷下的油耗：減少部分負(fù)荷的油耗、適當(dāng)增加高負(fù)荷區(qū)的油耗，使整機(jī)的NOx 排放值不變。

2.1 SFOC 優(yōu)化負(fù)荷范圍

高負(fù)荷——（85% ～ 100%）SMCR

部分負(fù)荷——（50% ～ 85%）SMCR

低負(fù)荷——（25% ～ 70%）SMCR

2.2 部分負(fù)荷/低負(fù)荷優(yōu)化的方法

（1）廢氣旁通（EGB）

EGB 優(yōu)化方法只需安裝一套帶蝶閥的廢氣旁通管道及簡單的控制電路，適用于ME/ME-C 和MC/MC-C/ME-B 型柴油機(jī)。其控制和安裝簡單、成本低、可靠、效果也不錯(cuò)；

（2）可變噴嘴環(huán)（VT）

VT 優(yōu)化方法需要安裝特殊的渦輪增壓器來改變增壓器噴嘴環(huán)的面積，在柴油機(jī)低負(fù)荷范圍內(nèi)噴嘴環(huán)的面積最小，當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷增加到大約80%以上時(shí)面積開始逐漸增加，直至柴油機(jī)100%負(fù)荷時(shí)達(dá)到最大。此優(yōu)化方法的SFOC在低負(fù)荷下降低、在高負(fù)荷下較高，適用于ME/ME-C 和MC/MC-C/ME-B 型柴油機(jī)。其成本高、增壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，廣泛應(yīng)用于VLCC等大型船舶；

（3）性能參數(shù)調(diào)整（ECT）

ECT 優(yōu)化方法是利用可變排氣閥正時(shí)和噴射剖面的可能性，只改變Pmax 和柴油機(jī)控制參數(shù)。但優(yōu)化效果不是很好，且只適用于ME-C 型全電噴柴油機(jī)。

3 EGB 優(yōu)化

3.1 EGB 優(yōu)化原理

EGB 的原理就是在配機(jī)的時(shí)候采用偏小的高效增壓器，并通過改善主機(jī)在部分負(fù)荷/低負(fù)荷的掃氣壓力來改善燃?xì)馇闆r，降低燃油消耗。但主機(jī)運(yùn)行到90%負(fù)荷以上時(shí)，由于增壓器偏小，為了防止增壓器超速，將大約6%的廢氣通過與排氣箱連接的支管被旁通（不經(jīng)過增壓器）到排氣總管直接排到大氣中。

當(dāng)主機(jī)在100%負(fù)荷時(shí)EGB 全部打開，在大約85%負(fù)荷時(shí)EGB 開始關(guān)閉并在70%負(fù)荷以下時(shí)完全關(guān)閉。對于部分負(fù)荷優(yōu)化（負(fù)荷低于85%），相對于高負(fù)荷SFOC 將減??；對于低負(fù)荷（負(fù)荷低于70%），相對于部分負(fù)荷SFOC 將進(jìn)一步減??；在高負(fù)荷范圍，SFOC 將增加。

根據(jù)EGB 的負(fù)荷優(yōu)化原理，船隊(duì)就可以綜合考慮貨運(yùn)周期要求、貨運(yùn)單價(jià)、燃油價(jià)格靈活調(diào)整主機(jī)負(fù)荷，以達(dá)到降低貨運(yùn)成本的目的。

3.2 EGB 的控制模式

3.2.1 掃氣壓力控制

當(dāng)主機(jī)運(yùn)行在100%負(fù)荷條件下，由于主機(jī)的掃氣壓力太高，EGB 閥完全打開，此時(shí)廢氣不通過增壓器而是通過EGB 的旁通管直通至大氣中；而在部分負(fù)荷（約85%左右的負(fù)荷）情況下，掃氣壓力開始降低，EGB 閥的開度開始減小，并在負(fù)荷低于70%的時(shí)候完全關(guān)閉。此時(shí)廢氣全部通過增壓器，使掃氣壓力增大，燃油能在燃燒室進(jìn)行充分的燃燒，因此降低了主機(jī)在部分負(fù)荷/低負(fù)荷時(shí)的SFOC。EGB 旁通閥的開/關(guān)以及開度的控制，是通過期望的主機(jī)掃氣控制曲線進(jìn)行的（見圖1）。

圖1 掃氣控制曲線

掃氣壓力控制曲線是在車間臺架試驗(yàn)中設(shè)定的，臺架試驗(yàn)當(dāng)天的環(huán)境條件將影響控制曲線。冬天會導(dǎo)致較高的掃氣壓力，而夏天則會使掃氣壓力低于ISO。因此在同一系列中的柴油機(jī)將有不同的掃氣控制曲線，其取決于是在哪一個(gè)季節(jié)進(jìn)行的車間臺架試驗(yàn)，這將給制造廠、船東和主機(jī)操作者之間造成混亂。

在熱帶條件下高溫運(yùn)行時(shí)，掃氣壓力從ISO 的PSCAV 降到熱帶和PSCAV（見圖1）。為了補(bǔ)償掃氣壓力的損失，要求避免開啟EGB 閥，從而使掃氣壓力更接近PSCAV 控制曲線，但這樣會降低廢氣的溫度，影響廢氣鍋爐的蒸汽量。

3.2.2 負(fù)荷控制

為了解決用掃氣壓力控制EGB受環(huán)境條件的影響，在主機(jī)進(jìn)行車間臺架試驗(yàn)時(shí)，采用柴油機(jī)負(fù)荷來控制EGB 閥的開度，在系統(tǒng)參數(shù)里設(shè)置好EGB 開度的最大及最小位置。EGB 打開或關(guān)閉過程由柴油機(jī)控制系統(tǒng)ECS 的掃氣控制單元（SCU）來控制，SCU 是ECS總網(wǎng)絡(luò)的一部分，SCU 的主操作面板（MOP）和多用途控制器（MPC）的設(shè)置，必須在車間臺架試驗(yàn)時(shí)完成。EGB 的負(fù)荷控制模式，能夠在較低負(fù)荷下通過匹配更好的增壓器來減少SFOC，也能夠在極低的溫度環(huán)境下運(yùn)行主機(jī)。EGB 負(fù)荷控制模式可參考MAN Diesel &Turbo 的Operation Recommendation 0743765-3.4 文件。

4 實(shí)船應(yīng)用

我司開發(fā)設(shè)計(jì)的12 艘393 000 DWT 系列靈便型非運(yùn)木散貨船安裝的5S50 ME-B9.3 主機(jī)（Tier Ⅱ，MCR 8 900 kW/117 r/min，SMCR 6 050 kW/99 r/min，45 38 kW / 89.9 r/min），采用了部分負(fù)荷/低負(fù)荷帶EGB的優(yōu)化方法。

4.1 部分負(fù)荷/低負(fù)荷優(yōu)化與高負(fù)荷的對比

部分負(fù)荷/低負(fù)荷優(yōu)化的燃油消耗率、對應(yīng)的理論航速及日油耗比較，見表1；負(fù)荷優(yōu)化對應(yīng)的燃油消耗率曲線，見圖2。

表1 不同負(fù)荷下的燃油消耗率/航速/日油耗對比表

圖2 負(fù)荷優(yōu)化對應(yīng)的燃油消耗率曲線

4.2 負(fù)荷優(yōu)化的效果

EGB 旁通管道的實(shí)船布置，見圖3。EGB 蝶閥、傳感器及控制系統(tǒng)由MAN 的專利廠家隨機(jī)提供，船廠只安裝EGB 蝶閥之后的旁通管。

從表1 及圖2 可以看出：（1）對于部分負(fù)荷優(yōu)化，大約從80%SMCR 開始燃油消耗率將減小，大約在65%SMCR 時(shí)燃油消耗率最低，其航速為14 kn、主機(jī)日油耗為14.9 t。對比此功率時(shí)不作優(yōu)化的日油耗為15.2 t，每天減少0.3 t；對于低負(fù)荷優(yōu)化，大約從75%負(fù)荷開始燃油消耗率將減小，大約在65%SMCR 時(shí)燃油消耗率最低，航速為14 kn、主機(jī)日油耗為14.7 t，而對應(yīng)此功率的不作優(yōu)化的油耗為15.2 t，每天減少0.5 t；在65% SMCR 以下負(fù)荷，低負(fù)荷優(yōu)化的燃油消耗率比部分負(fù)荷優(yōu)化低2 g/kW.h、比高負(fù)荷模式低5 g/kW.h。

我們將此型主機(jī)低負(fù)荷優(yōu)化方法應(yīng)用到10 艘39 000 DWT和12艘39 300 DWT靈便型非運(yùn)木散貨船，22 次航行試驗(yàn)測試的平均燃油消耗率是158.2 g/kW.h（理論計(jì)算值是159.4 g/kW.h），達(dá)到了該型主機(jī)臺架試驗(yàn)規(guī)定的燃油消耗率要求，這樣的油耗差異對一艘具有15 年船齡的船舶來說，經(jīng)濟(jì)性是相當(dāng)可觀的。

圖3 EGB 旁通管道的實(shí)船布置

5 結(jié)束語

隨著航運(yùn)業(yè)不景氣及燃油價(jià)格升高，絕大多數(shù)的船東選擇大功率主機(jī)，并采用部分負(fù)荷/低負(fù)荷優(yōu)化來降低燃油消耗率。此外，主機(jī)處于低負(fù)荷時(shí)其汽缸滑油的使用量也將減少。雖然，減小主機(jī)功率降低了航速，但對航程和航行周期沒有嚴(yán)格要求的情況下，則會帶來節(jié)約燃油和汽缸滑油的經(jīng)濟(jì)效益。

EGB 的開啟降低了掃氣壓力和廢氣量，從而使主機(jī)的服務(wù)功率（CSR）及廢氣鍋爐的設(shè)計(jì)點(diǎn)降到50%～80%SMCR，這兩者的同時(shí)降低將使廢氣鍋爐的蒸汽量減少，特別是在寒冷的冬天，降低負(fù)荷會帶來船上蒸汽量不足。為此，為了增加鍋爐的蒸汽量，在實(shí)船設(shè)計(jì)上可將主發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的廢氣接入鍋爐，通常接入兩臺發(fā)電機(jī)的排氣管投入成本不大。正常航行時(shí)，通常運(yùn)行一臺發(fā)電機(jī)（原動(dòng)機(jī)為600 kW 左右）將產(chǎn)生約200 kg/h 的蒸汽，可以彌補(bǔ)一定的蒸汽不足；另一種方法是安裝一臺發(fā)電機(jī)廢氣經(jīng)濟(jì)器，利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的近400 ℃廢氣將經(jīng)濟(jì)器的水加熱到80 ℃～100 ℃，然后通過高溫水輸送泵及管路將高溫水壓入燃油-廢氣組合鍋爐繼續(xù)加熱至飽和蒸汽，以補(bǔ)充廢氣量。

部分負(fù)荷/低負(fù)荷從75%的功率點(diǎn)開始，燃油消耗逐步降低，而船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù) EEDI 經(jīng)船級社最終認(rèn)可值是4.53，比IMO 要求的基準(zhǔn)值（6.17）降低約26.6%，因此完全滿足該法規(guī)的要求，已達(dá)到了相關(guān)法規(guī)Ⅱ階段（2020 年以后）的要求。