雙燃料發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)實船應用分析

陸書文，趙 兵，倪春杰

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)的要求，從2020年1月1日起，全球各海域燃油的含硫量不能超過0.5%，同時在氮氧化物(NOx)排放控制方面遵從3層標準。在這3層控制標準中，Tier Ⅲ的要求最嚴格，要求2016年1月以后建造的船舶在NOx排放控制區(qū)的NOx排放量滿足：轉(zhuǎn)速低于130 r/min，排放控制量為3.4 g/(kW·h)；轉(zhuǎn)速為130～2 000 r/min，排放控制量為9.0主機曲軸轉(zhuǎn)速-0.2g/(kW·h)；轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min，排放控制量為2.0 g/(kW·h)。SOx污染問題主要是燃油本身導致的，當前普遍采用的解決方法是通過使用低硫燃油降低SOx的含量；NOx污染問題主要源自發(fā)動機，通過對柴油機進行改進滿足Tier III的要求難度很大，須采用SCR(Selective Catalytic Reduction)或EGR(Exhaust Gas Re-circulation)等手段實現(xiàn)。

通過燃用液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)能很好地解決上述問題，且LNG的價格相對較為便宜[1]。采用天然氣作為燃料可有效減少SOx、NOx、CO2和顆粒物的排放。大多數(shù)LNG中硫的含量都少于30 mg/m3(氣態(tài))，換算成質(zhì)量分數(shù)是0.004%，僅為SOx排放控制區(qū)排放要求的1/25。同時，采用天然氣作為燃料可使NOx排放量減少20%～80%，CO2排放量減少20%～30%，更易滿足Tier Ⅲ排放標準的要求[2]。無論是從燃料費用還是設(shè)備維護費用的角度看，大型LNG船的經(jīng)濟性都更明顯[3]。

在這種情況下，越來越多的船舶開始配備雙燃料發(fā)電機，其中瓦錫蘭的雙燃料發(fā)電機因具有能耗低、振動噪聲小等優(yōu)勢而在國內(nèi)雙燃料發(fā)電機市場得到青睞。發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)是船舶系統(tǒng)中必不可少的一部分，能為發(fā)電機等設(shè)備的運行提供適當?shù)臏囟葪l件。雙燃料發(fā)電機的高溫冷卻水系統(tǒng)與低溫冷卻水系統(tǒng)是集成在一起的，共用1個冷卻水膨脹箱，獨立于機艙的中央冷卻水系統(tǒng)設(shè)置；若雙燃料發(fā)電機的缸套發(fā)生泄漏，則燃氣有可能混入發(fā)電機的缸套水中，從而進入冷卻水系統(tǒng)，并流入冷卻水膨脹箱[4]。本文以瓦錫蘭的34DF雙燃料發(fā)電機為例，對冷卻水系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，使其運行更加穩(wěn)定。

1 冷卻水系統(tǒng)概述

1.1 34DF雙燃料發(fā)電機內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)概述

發(fā)電機內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)中,低溫水進口通過機帶低溫水泵增壓之后依次進入空氣冷卻器(低溫側(cè))和滑油冷卻器；高溫水進口通過高溫水泵增壓之后先進入缸套，再進入空氣冷卻器(高溫側(cè))。高溫水出口設(shè)置有三通閥，根據(jù)高溫水出口溫度控制出口高溫水回到進口的量，保持高溫水出口溫度穩(wěn)定。

根據(jù)設(shè)備的要求：低溫水進口溫度需控制在36 ℃左右，膨脹水箱需將發(fā)電機進口低溫水靜壓保持在0.10 MPa左右；發(fā)電機低溫水泵能實現(xiàn)增壓0.25 MPa，正常允許通過流量為六缸機60 m3/h，八缸機75 m3/h；低溫側(cè)空冷器要求最低冷卻水流量為六缸機26.1 m2/h，八缸機32.6 m3/h，發(fā)電機低溫水泵出口壓力需保持大于0.25 MPa。發(fā)電機高溫水泵能實現(xiàn)增壓0.25 MPa，正常允許通過流量為六缸機60 m3/h，八缸機75 m3/h；高溫側(cè)空冷器要求最低冷卻水流量為六缸機26.1 m3/h，八缸機32.6 m3/h，高溫水壓力需保持大于0.20 MPa，高溫水出口壓力設(shè)定在92～95 ℃。根據(jù)設(shè)備性能的要求，經(jīng)過低溫側(cè)空氣冷卻器之后的空氣溫度在燃油模式下需保持45 ℃，在燃氣模式下需保持50 ℃。

1.2 34DF雙燃料發(fā)電機外部冷卻水系統(tǒng)概述

在實際工程應用中，不同項目的發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)設(shè)計不盡相同。本文以Yamal項目為例進行分析，其發(fā)電機外部冷卻水系統(tǒng)設(shè)計見圖1。系統(tǒng)配備有1個膨脹水箱、2臺循環(huán)水泵、2臺水冷卻器及相應的三通溫控閥，控制低溫水進口和其他需冷卻設(shè)備進口的冷卻水溫度。發(fā)電機冷卻水從低溫水系統(tǒng)低溫水泵進口處開一路DN150支管，一分為二到2臺發(fā)電機低溫水進口。發(fā)電機低溫水出口有一個三通溫控閥，用來控制一部分冷卻水回到低溫水進口，以保證低溫側(cè)空氣冷卻器出口空氣的溫度。另一部分冷卻水匯集到一路總管，通過高溫水進口管路進入發(fā)電機高溫水系統(tǒng)中，高溫水出來之后回到總管，進入整個低溫水系統(tǒng)中。設(shè)計中保持高溫水出口在總管處位于高溫水進口下游1～2 m處，可保證高溫水出口的高溫冷卻水不會回流到發(fā)電機高溫水系統(tǒng)中，從而保證整個發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定。

圖1 發(fā)電機外部冷卻水系統(tǒng)

2 實船應用中出現(xiàn)的問題及分析

2.1 問題描述與分析

在對Yamal首制船的發(fā)電機進行試驗時發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機低溫淡水出口的壓力太低，發(fā)電機低溫水進口壓力保持在0.09 MPa，出口壓力約為0.15 MPa，理論增壓0.25 MPa的機帶離心式水泵僅實現(xiàn)增壓0.06 MPa，而廠家要求發(fā)電機低溫水泵出口壓力需保持大于0.25 MPa，試驗結(jié)果遠未達到預期。分析離心泵出口壓力低的原因如下：

1)泵本身問題造成泵出口壓力低。通常情況下，泵馬達的轉(zhuǎn)速不足或轉(zhuǎn)向不正確、軸封泄露等問題都會導致泵出口壓力下降。在該Yamal船中，泵為受發(fā)電機凸輪軸驅(qū)動的機帶離心泵，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向都不會有問題，對泵進行檢查也未發(fā)現(xiàn)本體軸封等有損壞，證明泵出口壓力低不是泵自身問題導致的。

2)泵進口流量不足。泵進口流量不足一般都是泵進口管路不通暢、管路通徑過小或進口管路彎頭過多導致管路阻力過大等原因造成的。經(jīng)檢查，設(shè)備進口濾網(wǎng)干凈，且在泵運轉(zhuǎn)前后其進口壓力無變化，證明管路無堵塞。檢查實際管路布置，管路通徑設(shè)計合理且符合設(shè)計規(guī)范，管路彎頭數(shù)量布置合理，因此離心泵出口壓力低不是泵進口流量不足造成的。

3)泵的工況點向大流量、低壓力偏移。圖2為6L34DF發(fā)電機機帶離心泵壓力-流量曲線。由圖2可知，流量Q隨著壓力H的下降而逐漸增大，在實際中，由于各種原因?qū)е碌谋帽硥簻p少都會使泵的工況點被動地隨著壓力-流量曲線向低壓力、大流量偏移。這時可通過增加泵出口背壓提高泵出口壓力。但是，由于該Yamal船發(fā)電機的低溫水出口是通往高溫水進口的，增加泵出口背壓勢必會降低泵出口流量，從而影響設(shè)備下一級高溫水的冷卻。在采用此種方法時，需根據(jù)設(shè)備工況進行流量測算并經(jīng)過仔細計算之后才能實施。

圖2 6L34DF發(fā)電機機帶離心泵壓力-流量曲線

泵的常規(guī)排量為60 m3/h，系統(tǒng)需要的最低流量根據(jù)機型的不同分別為26.1 m3/h和32.6 m3/h。試驗中使用超聲波流量測試儀測量發(fā)電機的流量約為85 m3/h，由于整體流量超過了設(shè)備的最低需求，因此可通過在發(fā)電機低溫水出口增加合適孔徑的節(jié)流孔板，達到在保證冷卻效果的前提下增加低溫水壓力的目的。

2.2 初步解決方案

根據(jù)管路壓力，在不改變現(xiàn)有管路的前提下，選擇安裝厚度為3 mm的不銹鋼節(jié)流孔板，孔板與相應安裝位置的管路法蘭匹配。

對于DN100(φ114×6)的管路，節(jié)流孔板的厚度3 mm 遠小于管子內(nèi)徑102 mm，因此適用于薄壁小孔流量的計算式為

(1)

式(1)中：q為流量，此處為保證設(shè)備的最低流量需求，取值為35 m3/h，即0.009 7 m3/s；Cq為系數(shù)，當管子截面積A與小孔截面積A1之比小于7時，即小孔處有不完全收縮流體時，取0.7～0.8，考慮實際節(jié)流情況，取Cq=0.8；A1為小孔截面積，根據(jù)實際情況計算；ΔP為小孔處前后壓差，考慮低溫水出口不加節(jié)流孔板前的壓力為0.15 MPa，預設(shè)節(jié)流孔板后的壓力為0.14 MPa，考慮機帶離心泵的0.25 MPa增壓和泵進口靜壓0.09 MPa，預設(shè)節(jié)流孔板前壓力為0.34 MPa，即壓差ΔP=0.2 MPa=20 000 kg/m2；ρ為冷卻水密度，取值為1 000 kg/m2。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，可計算出A1=0.001 9 m2，從而得出小孔孔徑d=49.2 mm。充分考慮到發(fā)電機的流量和壓力需求，根據(jù)計算結(jié)果初步確定在發(fā)電機低溫水出口處增加一個孔徑為45 mm的節(jié)流孔板(見圖3)。在安裝節(jié)流孔板之后，發(fā)電機低溫水出口壓力穩(wěn)定在0.32～0.33 MPa，測量發(fā)電機冷卻水出口流量約為33 m3/h，發(fā)電機能正常運轉(zhuǎn)。安裝節(jié)流孔板之后的系統(tǒng)原理圖見圖4。

圖3 節(jié)流孔板示意

圖4 安裝節(jié)流孔板之后的系統(tǒng)原理圖

2.3 設(shè)計方案優(yōu)化

2.3.1 試驗及結(jié)果分析

在后續(xù)對發(fā)電機進行負載試驗時發(fā)現(xiàn)，2號發(fā)電機在負荷達到100%之后其高溫水出口壓力開始下降，進口與出口的溫差增大，導致試驗無法繼續(xù)進行。發(fā)電機在高負荷下的換熱量增大，需要更多的冷卻水進行換熱。在低負荷下，為保持高溫水出口溫度穩(wěn)定，在機器內(nèi)部高溫水出口設(shè)置的三通溫控閥使高溫水有一部分從進口回到出口。

在正常工況下，當發(fā)電機負荷增大時，換熱量增加，為保持出口溫度穩(wěn)定，三通溫控閥動作，減少高溫水回流，使高溫水進口溫度下降，設(shè)備會從低溫水出口總管抽取更多的冷卻水，以保持高溫水流量穩(wěn)定，從而實現(xiàn)設(shè)備熱循環(huán)穩(wěn)定。

當?shù)蜏厮隹诳偣艿牧髁坎蛔銜r，若三通溫控閥動作之后，高溫水進口無法從低溫水出口總管抽取足夠的冷卻水，則高溫水進口水量會不足，從而導致高溫水出口壓力下降，使得換熱不充分，高溫水出口溫度進一步升高，此時三通溫控閥再次動作，形成一個惡性循環(huán)，始終無法達到熱平衡。

當高溫水進口溫度低于60 ℃，或高溫水出口壓力低于0.2 MPa，無法滿足正常換熱要求時，機器內(nèi)部安保系統(tǒng)被觸發(fā)，設(shè)備停止運行。

圖5為高溫水溫度和壓力變化趨勢。由圖5和上述分析可知：當發(fā)電機負荷較低時，高溫水進口水量充足，隨著發(fā)電機負荷的增大，高溫水出口溫度和高溫水壓力振蕩之后平衡，高溫水進口溫度隨著振蕩略微下降之后再次平衡；當發(fā)電機負荷進一步增大到100%之后，三通溫控閥開始大幅動作，高溫水進口無法從低溫水出口總管抽取足夠的冷卻水，導致高溫水出口溫度急劇上升，高溫水進口溫度和壓力急劇下降，直至發(fā)電機停車，之后高溫水溫度和壓力開始回升。據(jù)此，可初步確定導致高溫水壓力低和溫差高的原因是高溫水水量不足。

圖5 高溫水溫度和壓力變化趨勢

為進一步確定發(fā)生上述變化的原因，現(xiàn)場嘗試保持2臺發(fā)電機同時運轉(zhuǎn)，當六缸機低負荷運轉(zhuǎn)時，再次增大八缸機的負荷到100%和110%，發(fā)現(xiàn)整個冷卻水系統(tǒng)參數(shù)正常。根據(jù)圖4，低負荷發(fā)電機因換熱量較小，其高溫水進口有更多來自三通溫控閥的高溫水回水，使得低溫水出口到總管的流量大于高溫水進口需從總管吸收的流量，有冗余的流量補充給高負荷運轉(zhuǎn)的八缸機，從而保證八缸機正常運行，這進一步驗證了造成上述現(xiàn)象的原因是高溫水流量不足。

2.3.2 孔徑設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)前面的計算和測量，增加節(jié)流孔板之后，發(fā)電機低溫水流量已滿足設(shè)備需求，進一步分析水量不足的原因，發(fā)現(xiàn)低溫水出口三通溫控閥有約30%開度回水到低溫水進口，導致進入總管到高溫水進口的水量不足。再次對系統(tǒng)進行分析，考慮低溫水壓力還有一定的余量，可通過適當增大低溫水出口節(jié)流孔板的孔徑增大出口流量，在保證低溫水壓力的同時，保證高溫水流量。

同樣根據(jù)式(1)進行計算，為保證設(shè)備高溫水處的最低流量需求，考慮30%回水，流量取50 m3/h，即0.013 9 m3/s，Cq和ρ的取值同上，根據(jù)前面增加節(jié)流孔板之后的實際壓力，考慮孔徑增大之后壓力有所下降，預設(shè)節(jié)流孔板前壓力為0.3 MPa，即預設(shè)變更節(jié)流孔板之后的壓差ΔP=0.16 MPa=16 000 kg/m2。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，可計算出A1=0.003 07 m2，從而得出小孔孔徑d=62 mm。根據(jù)計算值，將圖3中的低溫水出口節(jié)流孔板的孔徑取整增大到60 mm，再次安裝之后進行試驗，低溫水泵后壓力降到0.29 MPa，實測低溫水出口流量約為55 m3/h；再次進行發(fā)電機負載試驗，在整個試驗中發(fā)電機高溫水壓力和溫度保持穩(wěn)定，證明上述計算和優(yōu)化是滿足設(shè)備使用要求的。

3 結(jié) 語

雙燃料發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行直接關(guān)系到發(fā)電機的穩(wěn)定運行，進而影響到整個船舶動力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文以Yamal項目中的34DF雙燃料發(fā)電機的冷卻水系統(tǒng)為例進行了計算分析，證明在冷卻水系統(tǒng)中通過合理設(shè)置節(jié)流孔板，既能改善系統(tǒng)局部的壓力和流量，滿足設(shè)備的需求，又能快速簡便地解決實際運行問題，這為以后冷卻水系統(tǒng)的相關(guān)優(yōu)化設(shè)計提供了一種思路。