某超老齡船用發(fā)電柴油機(jī)提高輸出功率的措施

竇天君

摘要：超老齡船用發(fā)電柴油機(jī)隨著使用年限的增加，大多表現(xiàn)為排煙溫度高、不能重載運(yùn)行，運(yùn)行工況逐漸惡化，嚴(yán)重影響船舶營(yíng)運(yùn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文以某超老齡船用發(fā)電柴油機(jī)為例，利用故障因素排查法對(duì)柴油機(jī)掃氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)進(jìn)行逐項(xiàng)排查，找出根本原因并進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b后，發(fā)電柴油機(jī)輸出功率明顯提高。

關(guān)鍵詞：發(fā)電柴油機(jī);排煙溫度高;增壓器;功率提高

0? 引言

某輪1994年下水，配備YANMAR M200L型發(fā)電柴油機(jī)3臺(tái)，額定功率450kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速720r/min，增壓器型號(hào)VTR160。經(jīng)過25年的使用該發(fā)電柴油機(jī)工況不佳，排煙溫度長(zhǎng)時(shí)間保持在許用溫度的上限，經(jīng)常導(dǎo)致排氣閥燒蝕、增壓器喘振等故障。

1? 故障現(xiàn)象

最近兩年以來，該輪三臺(tái)發(fā)電機(jī)最大可用功率僅為額定輸出功率的40%（約180kW/臺(tái)），平均排煙溫度超過400℃，在對(duì)三臺(tái)發(fā)電機(jī)均進(jìn)行常規(guī)吊缸保養(yǎng)后，工況依然未能得到改善，這就導(dǎo)致了航行中需要雙機(jī)并車運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間的低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致工況惡化趨勢(shì)加快，經(jīng)濟(jì)性及安全性較低。

2? 故障分析

據(jù)筆者了解，該輪3臺(tái)發(fā)電機(jī)在常規(guī)吊缸保養(yǎng)期間，更換了進(jìn)排氣閥桿及閥座、活塞頭、活塞環(huán)、各缸噴油嘴，檢查了進(jìn)氣總管及排氣總管，均未發(fā)現(xiàn)異常，由此可以推斷導(dǎo)致發(fā)電柴油機(jī)平均排煙溫度高、輸出功率降低的原因不在燃燒室本身的硬件上，而是在于其外圍因素。引起發(fā)電柴油機(jī)排煙溫度高的外圍因素主要有以下兩點(diǎn)：①燃油供給及噴射;②掃氣壓力及掃氣溫度。

2.1 針對(duì)燃油供給及噴射

對(duì)供油油品、高壓油泵、噴油定時(shí)三方面進(jìn)行檢查及調(diào)整。該輪發(fā)電柴油機(jī)近十年一直使用IFO80cSt油品，查閱最近五年的副機(jī)日志發(fā)現(xiàn)在相同負(fù)載情況下，排煙溫度沒有因?yàn)槿加团蔚牟煌l(fā)生明顯的變化，反而呈現(xiàn)為隨著時(shí)間的推移而逐漸惡化的趨勢(shì)，這可以排除由于不同批次油品問題導(dǎo)致工況變差的可能性;查閱檢修記錄，各缸高壓油泵柱塞偶件及噴油嘴使用時(shí)間均在說明書要求的范圍之內(nèi)，隨機(jī)抽取一只缸拆檢高壓油泵及噴油器，并將柱塞偶件、出油閥及噴油嘴換新后試車，相同負(fù)載下該缸排煙溫度無明顯變化且與其他缸排煙溫度偏差較小;檢查三臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)所有缸的噴油定時(shí)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別缸噴油定時(shí)有輕微變化，但都在說明書允許的范圍之內(nèi)，為了保險(xiǎn)起見，將有變化的噴油定時(shí)調(diào)整至出廠數(shù)值后開車試驗(yàn)，在相同負(fù)載情況下排煙溫度無明顯變化。由此可以判斷，燃油供給及噴射方面不是導(dǎo)致該柴油機(jī)排煙溫度高，輸出功率降低的主要因素。

2.2 針對(duì)掃氣壓力和掃氣溫度

查閱歷史記錄發(fā)現(xiàn)，在相近的工作環(huán)境及負(fù)載情況，掃氣溫度基本保持不變，掃氣壓力成逐漸下降的趨勢(shì)，但是下降趨勢(shì)非常不明顯，橫向?qū)Ρ任迥昵昂蟮膮?shù)在同等負(fù)載下其掃氣壓力下降絕對(duì)值約為0.4Bar左右，測(cè)取各缸的示功圖并對(duì)比，最大壓縮壓力及爆壓各缸平均，這就能排出進(jìn)排氣閥泄漏的可能。

綜合以上兩點(diǎn)說明掃氣壓力降低是引起整機(jī)排煙溫度高、不能重載運(yùn)行的主要原因。引起掃氣壓力降低的原因有進(jìn)氣總管堵塞、空冷器堵塞、增壓器故障等。在此之前，三臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)增壓器拆檢并將轉(zhuǎn)子送廠檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)明顯異常;進(jìn)氣總管在吊缸保養(yǎng)時(shí)也檢查過，未見異常;筆者將排查重點(diǎn)放在了空冷器上，拆檢空冷器并進(jìn)行化學(xué)清洗，氣面散熱片校正，氣道疏通，裝機(jī)試車工況依然未得到明顯改善，至此故障的原因基本可以鎖定為增壓器掃氣效率低、供氣量不足。

由于船舶正處在營(yíng)運(yùn)之中，三臺(tái)增壓器整體拆檢進(jìn)廠檢修需要耽誤船期，且耗資巨大，為了節(jié)約成本決定船員自行拆檢增壓器查找故障原因（增壓器剖面如圖1）。

拆檢發(fā)現(xiàn)增壓器轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，轉(zhuǎn)子、噴嘴環(huán)及增壓器內(nèi)部清潔無明顯磨損及積碳，僅表面覆蓋輕微煙灰，至此排出了因?yàn)樵鰤浩鲀?nèi)部臟污引起的掃氣壓力低的可能性。檢查噴嘴環(huán)及轉(zhuǎn)子無異常燒蝕及損傷后清潔裝復(fù)，按照說明書要求測(cè)量了相關(guān)數(shù)據(jù)（如表1）。

表1中的K值、L值及M值是增壓器拆檢及安裝中的三個(gè)重要數(shù)據(jù)，其中K值能直觀的說明軸承橫向位置是否正確。L值及M值能直觀的表明壓氣端葉片與進(jìn)氣蝸殼的間隙是否符合要求，若其值較小，在增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中壓氣端葉片有擦碰蝸殼的危險(xiǎn);若其值偏大，則掃氣效率降低。從表1中數(shù)據(jù)可以看出L值及M值均已達(dá)到或者輕微超過最大允許值，從而引起增壓器掃氣壓力降低。至此故障的原因基本鎖定為增壓器L值及M值過大，引起掃氣壓力降低，進(jìn)而導(dǎo)致該原動(dòng)機(jī)工況逐漸惡化、輸出功率逐年降低。

為什么L值及M值會(huì)接近極限數(shù)據(jù)呢？仔細(xì)檢查了該臺(tái)增壓器固定支架、蝸殼及進(jìn)氣道，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣道近壓氣葉片處及壓氣葉片背部本體平面有輕微的吹蝕痕跡（如圖2），其表現(xiàn)為平面的緩慢氣蝕的特征，筆者認(rèn)為經(jīng)過25年的使用，該增壓器已經(jīng)達(dá)到壽命極限，為正常的磨損損耗。

3? 故障排除

該臺(tái)增壓器已經(jīng)達(dá)到壽命極限，需要整體換新。但是考慮到該型號(hào)增壓器已經(jīng)停產(chǎn)多年，市場(chǎng)供應(yīng)奇缺且價(jià)格昂貴，同時(shí)該輪已經(jīng)有25年的船齡，整條船舶已經(jīng)到使用壽命的末期，更換三臺(tái)主發(fā)電柴油機(jī)增壓器其時(shí)間成本及經(jīng)濟(jì)壓力都非常大。筆者考慮能否充分利用現(xiàn)有條件，以最小的成本換取良好的設(shè)備工況，且能滿足船舶的日常使用。L值及M值的增大是一個(gè)漸變且無法逆轉(zhuǎn)的過程，在無法改變L、M值的情況下，我們能否提高增壓器的轉(zhuǎn)速，以彌補(bǔ)因L、M值增大引起的掃氣損失呢？減小噴嘴環(huán)的口徑能提高增壓器的轉(zhuǎn)速，但這種方法是一把雙刃劍，噴嘴環(huán)口徑過小會(huì)導(dǎo)致增壓器超速、喘振等事故;口徑過大則會(huì)導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速降低，掃氣效率變差。受增壓器最大允許轉(zhuǎn)速及喘振的限制，在不引起喘振的情況下適當(dāng)減小噴嘴環(huán)口徑，必然會(huì)導(dǎo)致該發(fā)電柴油機(jī)額定功率降低。該船發(fā)電柴油機(jī)已經(jīng)使用25年，各部件已有不同程度的老化現(xiàn)象，已不允許在額定功率下運(yùn)行，所以適當(dāng)減少噴嘴環(huán)口徑以提高掃氣壓力的方案是可行的，只是需要考慮增壓器允許最大轉(zhuǎn)速及在常用功率范圍內(nèi)增壓器是否會(huì)喘振。

由于船上無專業(yè)的增壓器測(cè)試及噴嘴環(huán)口徑計(jì)算設(shè)備，筆者只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用枚舉法選配不同口徑的噴嘴環(huán)裝機(jī)并在常用功率范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，以選出最佳口徑。該型號(hào)增壓器原配為口徑34.5mm的噴嘴環(huán)，筆者先后選取了口徑為29.3mm、30.55mm、31.5mm、32mm、33mm的噴嘴環(huán)進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，經(jīng)過多次的拆裝并運(yùn)行試驗(yàn)，最終確定31.5mm為最佳噴嘴環(huán)口徑，采用該口徑噴嘴環(huán)后在常用功率范圍內(nèi)增壓器轉(zhuǎn)速不超過許用最大轉(zhuǎn)速，無喘振現(xiàn)象，同等負(fù)載下掃氣壓力提高0.3Bar左右，最大輸出功率提升至310kW（提升率約70%），在整個(gè)可用輸出功率范圍內(nèi)排溫平均降低約60℃、各缸示功圖正常，船舶定速航行期間單臺(tái)使用，經(jīng)濟(jì)性及安全性都得到了顯著提高。

4? 總結(jié)

超老齡船舶由于設(shè)備老化已經(jīng)處于視情維修階段，維修的主要目的由保持設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持正常運(yùn)轉(zhuǎn)、改善工況、延長(zhǎng)使用壽命并保持較好的經(jīng)濟(jì)性。由于航運(yùn)蕭條，部分超老齡船舶依舊處于正常營(yíng)運(yùn)中，超老齡船舶所使用設(shè)備大部分已停產(chǎn)或者換代，備件短缺及備件昂貴是常態(tài)，這對(duì)于超老齡船舶輪機(jī)管理人員來說，充分利用現(xiàn)有條件換一個(gè)思路解決問題，或許會(huì)有更好的效果。

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