船舶主機(jī)HPSCR布置及系統(tǒng)研究

朱曉勇

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

為符合《防止船舶造成大氣污染規(guī)則》(MARPOL 73/78公約)Tier Ⅲ排放要求，現(xiàn)有船舶柴油機(jī)需要在其外圍加裝輔助設(shè)備對(duì)廢氣進(jìn)行處理。目前，用于船舶主機(jī)Tier III排放處理的主要方式有3種：高壓選擇性催化還原脫氮(HPSCR)系統(tǒng)、低壓選擇性催化還原脫氮(LPSCR)系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)脫氮(EGR)系統(tǒng)。由于HPSCR相較于LPSCR在高溫廢氣反應(yīng)充分、主機(jī)背壓影響小、廢氣鍋爐廢熱回收等多方面有著較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且HPSCR相較于EGR成本更低，因此主機(jī)HPSCR系統(tǒng)成為船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)首選。

目前，船舶主機(jī)HPSCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)尚處于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用的初期階段。林鋆各等側(cè)重于SCR在機(jī)艙布置上的探討，鄭超則側(cè)重于SCR系統(tǒng)數(shù)字理論模型的研究。而本文結(jié)合62 000 t散貨船主機(jī)HPSCR系統(tǒng)的具體應(yīng)用，對(duì)HPSCR的具體布置和系統(tǒng)細(xì)化進(jìn)行研究。

1 主機(jī)HPSCR系統(tǒng)主要參數(shù)和原理

由于62 000 t散貨船主機(jī)轉(zhuǎn)速低于130 r/min，Tier III排放按綜合成本考慮采用主機(jī)HPSCR的技術(shù)方案。HPSCR技術(shù)屬于主機(jī)廢氣后處理技術(shù)，其原理為：利用主機(jī)廢氣高溫環(huán)境加強(qiáng)催化還原效果，對(duì)主機(jī)增壓器前端排氣集管中的高溫高壓廢氣進(jìn)行催化脫氮處理，進(jìn)而滿足排放指標(biāo)。

1.1 主機(jī)參數(shù)

該船主機(jī)采用低速長(zhǎng)沖程G型主機(jī)，型號(hào)為：MAN B&W 6G50ME-C9.5，Tier III with HPSCR。主機(jī)功率設(shè)計(jì)點(diǎn)如下：最大持續(xù)運(yùn)行功率(CMCR)為8 300 kW×81 r/min，主機(jī)持續(xù)運(yùn)行功率(CSR)(82%CMCR)為6 806 kW×75.8 r/min。主機(jī)燃油常規(guī)航行采用含硫量0.1% m/m的船用低硫輕柴油(MGO)和含硫量為0.5% m/m的船用重柴油(HFO)；排放控制區(qū)航行時(shí)使用MGO燃料油并運(yùn)行主機(jī)HPSCR系統(tǒng)，使船舶主機(jī)排放同時(shí)達(dá)到脫硫和脫氮的目的。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及構(gòu)成

該船主機(jī)HPSCR采用臥式脫氮催化反應(yīng)器，系統(tǒng)參數(shù)按照排氣接管DN700的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常情況下，保持廢氣溫度在一個(gè)合理范圍內(nèi)(310～500 ℃)是主機(jī)SCR系統(tǒng)健康運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：高壓排氣壓力最大為0.45 MPa，反應(yīng)劑為40%尿素溶液，排氣設(shè)計(jì)背壓為686.465 5 Pa，壓縮空氣噴射系統(tǒng)壓力為0.9～1.1 MPa，壓縮空氣吹灰和透氣系統(tǒng)壓力為0.5～0.7 MPa，控制空氣系統(tǒng)壓力為0.5～0.7 MPa。

主機(jī)HPSCR系統(tǒng)主要由尿素系統(tǒng)(包含尿素儲(chǔ)存艙、尿素供給單元、尿素噴射裝置，尿素泄放艙)、尿素噴射管路、混合管路、SCR催化反應(yīng)器、壓縮空氣系統(tǒng)(包含壓縮空氣噴射管路、壓縮空氣吹灰管路、壓縮空氣透氣管路、SCR供氣壓縮機(jī)、SCR空氣干燥器、SCR供氣空氣瓶)、RSV反應(yīng)器密封高溫閥、RBV反應(yīng)器旁通高溫閥、RTV反應(yīng)器節(jié)流高溫閥、CBV氣缸旁通高溫閥、EGB增壓器廢氣旁通閥、SCR催化反應(yīng)器電氣控制箱、輔助電氣控制箱等組成。主機(jī)HPSCR廢氣高壓側(cè)構(gòu)成原理見(jiàn)圖1。

圖1 HPSCR構(gòu)成原理

1.3 系統(tǒng)反應(yīng)原理

主機(jī)HPSCR系統(tǒng)采用選擇性催化還原方法對(duì)船舶主機(jī)的廢氣進(jìn)行處理，將船舶主機(jī)廢氣中的氮氧化物指標(biāo)逐步降低，并最終減少達(dá)到Tier III排放要求。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在船舶主機(jī)高溫廢氣管路中安裝尿素噴射單元、廢氣混合管路和帶有充足數(shù)量催化劑的SCR反應(yīng)器。主機(jī)HPSCR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，尿素噴射單元將尿素溶液噴入高溫的廢氣管路，使得尿素溶液在高溫下分解產(chǎn)生大量氨氣?；煊写罅堪睔獾母邷貜U氣通過(guò)廢氣混合管路進(jìn)行充分混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，高溫混合氣在裝有多通道多維度的催化劑單元的通道中與催化劑充分接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)?；旌蠚庵械牡趸镌诎睔夂脱鯕獾墓餐饔孟卤贿€原成氮?dú)夂退?，從而大大降低主機(jī)廢氣中的氮氧化物。

HPSCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖2。

圖2 HPSCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式

2 主機(jī)HPSCR布置方案

主機(jī)HPSCR布置作為機(jī)艙布置的重要組成部分，每種布置方案都會(huì)影響各層平臺(tái)設(shè)計(jì)和其他設(shè)備、機(jī)艙艙柜的綜合布置。該船主機(jī)HPSCR布置方案主要有主機(jī)端部布置方案和主機(jī)側(cè)面布置方案。

2.1 主機(jī)HPSCR端部布置

主機(jī)HPSCR常規(guī)布置方案采用主機(jī)端部布置。該方案存在布置困難、施工不便、檢修空間不足等問(wèn)題，還會(huì)影響到機(jī)艙行車的布置及增壓器的吊裝。

2.2 主機(jī)HPSCR側(cè)面布置

考慮到機(jī)艙右舷空間較為富余，可以將主機(jī)HPSCR布置在側(cè)面。經(jīng)過(guò)細(xì)化布置后發(fā)現(xiàn)，側(cè)面布置方案又因?yàn)镠PSCR的布置高度和接管方式可分成3種組合布置方案，而每種方案有各自的特點(diǎn)。

根據(jù)HPSCR平臺(tái)布置后使用維護(hù)的便利性、排氣管路布置的簡(jiǎn)潔性、施工的經(jīng)濟(jì)性等因素，綜合評(píng)價(jià)3種布置的優(yōu)劣，進(jìn)而確定最優(yōu)布置方案。該最優(yōu)布置方案采用同平臺(tái)布置方式，見(jiàn)圖3。

圖3 HPSCR布置最優(yōu)方案

2.3 主機(jī)HPSCR最終布置方案的優(yōu)勢(shì)分析

主機(jī)HPSCR最終布置方案對(duì)機(jī)艙的綜合布置最為有利，高壓排氣管路短、施工便捷、檢修方便。該方案既不影響機(jī)艙通道，也不影響頂部機(jī)艙行車的布置、吊運(yùn)使用要求、增壓器的吊裝檢修，布置上有利因素最多，使布置合理性和最優(yōu)性得到有機(jī)結(jié)合。該布置方案已獲得實(shí)用新型專利。

3 主機(jī)HPSCR膨脹量計(jì)算

由于主機(jī)HPSCR管路最大工作溫度為500 ℃，最大工作壓力為0.45 MPa，屬于高溫高壓的氣體管路，因此管路在廢氣廢熱作用下，其應(yīng)力和振動(dòng)都較大。為避免管路膨脹節(jié)膨脹量不足而導(dǎo)致膨脹節(jié)損壞，需要進(jìn)行單獨(dú)的CFD計(jì)算，從而確認(rèn)膨脹節(jié)的膨脹量參數(shù)。

3.1 管路布置

主機(jī)HPSCR的高壓管路通過(guò)CFD建立管路模型和主機(jī)排氣氣流的模擬，再對(duì)管路布置總體應(yīng)力進(jìn)行分析，進(jìn)而確定膨脹節(jié)的數(shù)量和膨脹量，以及管路支架的布置位置和支架型式，達(dá)到控制和減小管路振動(dòng)的目的。

3.2 CFD膨脹量計(jì)算

主機(jī)HPSCR廢氣管路采用DN700高溫高壓管路，布置設(shè)計(jì)時(shí)不僅需考慮內(nèi)部煙氣負(fù)荷的變化和沖擊，而且需要考慮外部主機(jī)和船舶振動(dòng)引起的外部因素。因此，主機(jī)HPSCR管路的支架數(shù)量及型式，以及膨脹節(jié)膨脹量的選擇，都要通過(guò)CFD輔助分析，加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)、熱負(fù)荷、受力等多載荷條件下的設(shè)計(jì)補(bǔ)償。分析結(jié)果顯示：管路軸向膨脹量約為15～45 mm，管路徑向膨脹量約為5～15 mm，角位移約為0.5°。該計(jì)算對(duì)管路的設(shè)計(jì)給予理論性指導(dǎo)，且實(shí)船試驗(yàn)效果滿足使用要求。主機(jī)HPSCR反應(yīng)器CFD分析見(jiàn)圖4。

圖4 HPSCR反應(yīng)器CFD分析圖

4 主機(jī)HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于主機(jī)HPSCR的壓縮空氣消耗量非常大，空氣耗量參數(shù)高于常規(guī)船舶最大的主空壓機(jī)排量，而大排量的壓縮空氣消耗會(huì)導(dǎo)致為SCR供氣的空壓機(jī)持續(xù)不斷工作，部分間息性負(fù)荷還會(huì)出現(xiàn)幾分鐘的短暫停機(jī)又立即啟動(dòng)的情況。

如果儲(chǔ)存壓縮空氣的SCR空氣瓶容量偏小，并且SCR空氣瓶?jī)?chǔ)氣壓力低，會(huì)直接造成壓縮空氣瓶?jī)?nèi)的氣體儲(chǔ)存量不夠消耗，此時(shí)SCR空氣瓶?jī)H能起到較為短暫的壓縮空氣緩沖作用，導(dǎo)致壓縮空氣系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

鑒于以上情況，主空壓機(jī)和SCR空壓機(jī)均會(huì)不斷啟停工作，以保證壓縮空氣系統(tǒng)正常的供氣消耗，大大增加了空壓機(jī)的工作負(fù)荷，延長(zhǎng)了空壓機(jī)的工作時(shí)間，因此將會(huì)縮短SCR空壓機(jī)的使用壽命和維護(hù)周期。

4.1 壓縮空氣參數(shù)

HPSCR系統(tǒng)壓縮空氣消耗需求如下：Tier III排放模式下，壓縮空氣噴射吹洗耗量約為200 m/h，壓縮空氣吹灰耗量約為15 m/h；Tier II排放模式下，壓縮空氣透氣耗量約為150 m/h。另外，2臺(tái)發(fā)電機(jī)的SCR壓縮空氣耗量約為30 m/h，最大壓縮空氣的綜合耗量約為245 m/h。 因此，建議SCR空壓機(jī)排量應(yīng)選用300 m/h×1.2 MPa，SCR空氣瓶容量也提高到6 m×1.2 MPa。

4.2 壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)根據(jù)主機(jī)HPSCR系統(tǒng)的壓縮空氣設(shè)計(jì)需求和實(shí)際消耗情況，主空壓機(jī)仍采用常規(guī)活塞式水冷空氣壓縮機(jī)，主要用于滿足船舶常規(guī)壓縮空氣需求，僅在應(yīng)急時(shí)接入SCR壓縮空氣系統(tǒng)。

(2)工作空壓機(jī)和SCR空壓機(jī)則采用螺桿式風(fēng)冷空氣壓縮機(jī)，主要用于滿足SCR系統(tǒng)壓縮空氣需求，兼顧船舶常規(guī)工作空氣需求。

螺桿空氣壓縮機(jī)更利于氣體耗量大的連續(xù)運(yùn)行，其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性較好，同時(shí)可以運(yùn)用螺桿空壓機(jī)的空載運(yùn)行和空載時(shí)間調(diào)節(jié)功能，避免空壓機(jī)的頻繁啟停并能有效應(yīng)對(duì)實(shí)際壓縮空氣消耗的多變工況。設(shè)計(jì)時(shí)，將工作空壓機(jī)與SCR空壓機(jī)匹配成同型號(hào)等容量，形成系統(tǒng)運(yùn)行上的互為備用和負(fù)荷運(yùn)行的輪換功能，實(shí)現(xiàn)維修保養(yǎng)中的互換性。

(3)擴(kuò)大SCR空氣瓶容積可以增加壓縮空氣系統(tǒng)氣瓶?jī)?chǔ)量和提升壓縮空氣快速消耗的有效緩沖能力；增加SCR壓縮空氣干燥器以提高壓縮空氣氣源質(zhì)量、延長(zhǎng)設(shè)備使用周期、減少維護(hù)成本。

(4)全船系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將主空氣瓶供氣管路接入SCR空氣瓶進(jìn)口，在應(yīng)急狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)主空壓機(jī)的供氣系統(tǒng)補(bǔ)充模式，從系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)全船壓縮空氣系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，強(qiáng)化系統(tǒng)安全性和實(shí)際使用模式的多樣化。HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)綜合布置見(jiàn)圖5。

5 主機(jī)HPSCR尿素系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尿素溶液作為主機(jī)HPSCR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)，其加注、儲(chǔ)存、駁運(yùn)、日用等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，關(guān)系到能否保證尿素的存儲(chǔ)可靠和正常駁運(yùn)，以及能否有效保證SCR系統(tǒng)獲得穩(wěn)定品質(zhì)的尿素溶液，使主機(jī)HPSCR系統(tǒng)可靠脫氮。

5.1 尿素系統(tǒng)配置

主機(jī)HPSCR尿素系統(tǒng)配置包含尿素加注管路、尿素儲(chǔ)存艙、尿素泄放艙、尿素輸送泵、尿素日用泵、尿素噴射裝置、尿素駁運(yùn)日用管路、尿素混合管路、尿素排放泵、尿素排放管路等。

5.2 尿素溶液儲(chǔ)存要求

主機(jī)HPSCR系統(tǒng)采用尿素含量40%的尿素溶液，該尿素溶液需滿足ISO 18611-2:2014要求。為保證尿素溶液的品質(zhì)，尿素溶液的儲(chǔ)存應(yīng)避免陽(yáng)光直射。運(yùn)輸和存儲(chǔ)過(guò)程盡量避免溫度低于1 ℃和高于25 ℃，在該儲(chǔ)存條件下尿素溶液質(zhì)保期可以達(dá)到18個(gè)月；在存儲(chǔ)溫度25～30 ℃之間尿素溶液的質(zhì)保期減少到12個(gè)月；在存儲(chǔ)溫度30～35 ℃之間尿素溶液的質(zhì)保期減少到6個(gè)月；而當(dāng)儲(chǔ)存溫度大于35 ℃時(shí)，尿素溶液的質(zhì)保期更短，且每次使用前，其成分檢測(cè)合格后才可使用，否則影響HPSCR系統(tǒng)的使用效果，甚至造成主機(jī)廢氣的氮排放超標(biāo)。

因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮尿素艙的設(shè)置位置、溫度監(jiān)測(cè)和溫度控制。同時(shí)由于尿素溶液有一定的腐蝕性，尿素艙的材質(zhì)一般推薦采用304不銹鋼，但船舶制造過(guò)程中為節(jié)約船舶建造成本，采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)艙柜進(jìn)行環(huán)氧油漆特涂處理，僅尿素日用管路采用304不銹鋼。

圖5 HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)綜合布置圖

5.3 尿素艙的設(shè)置

尿素艙設(shè)置時(shí)需要考慮減少艙面與船舶內(nèi)部熱源的共面。為最大可能減少尿素艙艙面與機(jī)艙熱源的共面，62 000 t散貨船僅保留一個(gè)操作艙面與機(jī)艙進(jìn)行共面，以便安裝管路和附件、方便艙面的觀察。為最大限度減少艙面共面對(duì)尿素艙的影響，該艙面進(jìn)行隔熱絕緣包覆以減少熱量傳遞。

為增加與冷源的接觸，將尿素艙艙面設(shè)置成與壓載水艙共壁，通過(guò)共壁直接獲取壓載水艙的冷源，可以避免安裝尿素艙冷卻管，實(shí)船冷卻效果很好。

另外，尿素艙應(yīng)滿足挪威船級(jí)社船舶規(guī)范要求，需要設(shè)置相應(yīng)的高液位報(bào)警、低液位報(bào)警、超低液位報(bào)警、就地和遠(yuǎn)程的溫度指示及溫度報(bào)警。

5.4 尿素艙管路的設(shè)置

尿素艙管路設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免因駁運(yùn)管路和閥件的布置出現(xiàn)尿素艙管路空管的情況。如果尿素管路長(zhǎng)時(shí)間空管會(huì)使空管中殘留的尿素溶液水分蒸發(fā)后結(jié)晶留在管路上，特別是止回閥或截止止回閥的閥芯會(huì)被尿素結(jié)晶體卡住，無(wú)法起到止回作用。

尿素輸送泵和尿素日用泵應(yīng)盡量布置在尿素艙最低液位以下，同時(shí)注意這兩泵的進(jìn)出口管路不要設(shè)計(jì)成方向朝上的U型升高式管路，避免因?yàn)楣苈?/p>

沒(méi)有充滿液體出現(xiàn)無(wú)法自吸的情況，造成尿素輸送泵和日用泵不能正常工作。如果由于某種原因尿素輸送泵和尿素日用泵只能布置在尿素艙液位以上，應(yīng)當(dāng)選用有自吸能力的尿素輸送泵，盡量不要選用氣動(dòng)泵型式的尿素泵。

6 結(jié)論

(1)結(jié)合多種方案進(jìn)行全面比較分析，并綜合平衡機(jī)艙布置，從而確定最優(yōu)布置方案。

(2)通過(guò)CFD輔助計(jì)算分析可以獲得排氣動(dòng)態(tài)參數(shù)，指導(dǎo)排氣管路設(shè)計(jì)和膨脹節(jié)選型，提前預(yù)測(cè)并消除主機(jī)HPSCR排氣管路的熱膨脹和管路的震動(dòng)問(wèn)題。

(3)對(duì)主機(jī)HPSCR壓縮空氣容量和系統(tǒng)運(yùn)行要求進(jìn)行分析，找出設(shè)備參數(shù)選型和系統(tǒng)優(yōu)化的方法，確保主機(jī)HPSCR壓縮空氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。