40 000 DWT散貨船滿(mǎn)足TierIII的設(shè)備選型與系統(tǒng)布置

摘? ? 要：通過(guò)對(duì)目標(biāo)船功能需求的分析，優(yōu)選出40000DWT散貨船適合TierIII的技術(shù)方案，根據(jù)機(jī)艙布置合理規(guī)劃出設(shè)備的布置空間，以滿(mǎn)足主機(jī)和發(fā)電機(jī)排放達(dá)到規(guī)范要求，打造綠色低碳船舶，增強(qiáng)40000DWT散貨船的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：主機(jī)；NOx排放；混合器；反應(yīng)器

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.121 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Tier III Equipment Selection and System Layout Design in

Compliance with 40 000 DWT Bulk Carrier

CAO Yandong

（ Jiangmen Nanyang Ship Engineering Co.，Ltd.，? Jiangmen 529145 ）

Abstract： Prefer the Tier III technical scheme suitable for 40 000 DWT bulk carrier through the deeper analysis on the function requirements of the subject vessel. According to the engine room layout，? give a reasonable plan of space arrangement for Tier III equipment， so as to meet the arrangement of Tier III equipment required for main engine and generator to the latest Rules emission requirements for new ship buildings， and build more green low-carbon ships and increase the market competitiveness of 40 000 DWT class bulk carrier.

Key words： Main Engine; NOx Emission; Mixer; Reactor

1? ? ?前言

根據(jù)IMO MEPC（66）會(huì)議決議，在2016年1月1日之后建造的船舶在排放控制區(qū)域（ECA）航行，安裝的主機(jī)必須強(qiáng)制滿(mǎn)足NOx Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前主機(jī)NOx排放滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)途徑有兩種：選擇性催化還原（SCR）和廢氣再循環(huán)（EGR）。其中，SCR是NOx后處理技術(shù)，EGR是控制NOx生成。本文對(duì)這兩種方案進(jìn)行綜合分析，確定適合本船配置的技術(shù)方案，并根據(jù)TierIII設(shè)備的配置和外形尺寸等，結(jié)合40 000 DWT散貨船的機(jī)艙布置，選出最合理的設(shè)備布置方案。

2? ? 技術(shù)途徑選擇

2.1? ?EGR和SCR的選擇

首先要對(duì)EGR和SCR進(jìn)行初步對(duì)比分析：EGR系統(tǒng)主要由水處理單元、污水收集柜、NaOH儲(chǔ)存柜以及管系與控制系統(tǒng)組成，配套輔助設(shè)備較多且均集成在主機(jī)本體上，導(dǎo)致主機(jī)總體尺寸增大。根據(jù)初步放樣，配套EGR的主機(jī)會(huì)對(duì)本船機(jī)艙布置帶來(lái)困難，并且EGR的60%NOx減排效果，較SCR的80%～95%減排效果還稍差，同時(shí)目前市場(chǎng)上采用SCR技術(shù)途徑的也相對(duì)較多，技術(shù)也相對(duì)成熟，所以本文重點(diǎn)針對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船布置。

2.2? SCR系統(tǒng)主要組成和選擇

SCR系統(tǒng)主要：由蒸發(fā)器和混合單元、SCR反應(yīng)器、吹灰系統(tǒng)、尿素儲(chǔ)存柜、尿素供應(yīng)單元、主機(jī)控制系統(tǒng)（ECS）組成。由于混合單元和SCR反應(yīng)器的尺寸較大，因此關(guān)鍵是混合單元和SCR反應(yīng)器在船上有合適的空間和位置進(jìn)行布置。

SCR系統(tǒng)目前主要有兩種型式：一種是高溫高壓側(cè)SCR系統(tǒng)（簡(jiǎn)寫(xiě)為HPSCR），即反應(yīng)器和混合管布置在增壓器前；另一種是低溫低壓側(cè)SCR系統(tǒng)（簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)PSCR），即反應(yīng)器和混合管布置在增壓器后。前者布置的空間有限，但可以獲得較高的反應(yīng)溫度、NOx轉(zhuǎn)化效率較高；后者有相對(duì)寬敞的布置空間，但排氣溫度較低，需配置額外的燃燒器提高溫度，增大燃油消耗?？紤]船上實(shí)際布置以及SCR技術(shù)的成熟度，選擇市場(chǎng)上應(yīng)用較多的高壓SCR系統(tǒng)進(jìn)行布置。對(duì)發(fā)電機(jī)組，由于目前市場(chǎng)上都是采用低壓SCR系統(tǒng)，故發(fā)電機(jī)采用低壓SCR進(jìn)行布置。

主機(jī)HPSCR布置示意圖和發(fā)電機(jī)LPSCR布置示意圖，如圖1、2所示。

3? ? 主機(jī)HPSCR系統(tǒng)布置

3.1? 系統(tǒng)組成

主機(jī)HPSCR系統(tǒng)主要包括：SCR混合管、SCR反應(yīng)器、尿素泵站單元、壓縮空氣單元、PLC控制柜、尿素柜（和發(fā)電機(jī)共用）等。由于SCR混合管和反應(yīng)器的尺寸較大，需重點(diǎn)考慮這兩大設(shè)備的布置方案。

3.2? ?主要設(shè)備布置

系統(tǒng)設(shè)備布置如圖3和圖4所示。

從圖3、4可以看出：SCR混合管是布置在機(jī)艙上平臺(tái)右舷位置，SCR反應(yīng)器是布置在下平臺(tái)艉部中間區(qū)域。本船機(jī)艙下平臺(tái)艉部區(qū)域由于布置了板冷，無(wú)法布置尺寸較大的反應(yīng)器，而機(jī)艙上平臺(tái)右舷位置有較大空間可以布置反應(yīng)器，但反應(yīng)器布置后與右舷油艙壁距離過(guò)近，通道無(wú)法保證，故決定將上平臺(tái)右舷油艙壁向舷側(cè)方向平移兩檔約1.6 m，為反應(yīng)器的布置留出了安裝空間；對(duì)于SCR混合管，經(jīng)過(guò)反復(fù)放樣布置，最終選擇安裝在機(jī)艙下平臺(tái)的頂部區(qū)域，占據(jù)的空間較小，又保證了下平臺(tái)的通道。

關(guān)于尿素艙的布置，由于尿素溶液在高溫條件下易揮發(fā)，所以一般都要求在尿素艙布置冷卻海水管，并且尿素艙要和油艙和淡水/飲用水艙隔離。在設(shè)計(jì)之初，考慮在機(jī)艙上平臺(tái)右舷油艙位置隔離出一個(gè)尿素艙，但這樣會(huì)減少M(fèi)GO儲(chǔ)存艙的艙容，同時(shí)與油艙較近，也不利于尿素的存放，需考慮加冷卻水管；后又考慮在機(jī)修間隔離出一個(gè)尿素艙，這又要與淡水艙隔開(kāi)，導(dǎo)致機(jī)修間空間減小，同時(shí)也不利于尿素的存放。經(jīng)過(guò)多次討論并綜合分析，最終決定在艉壓載艙里隔離出一個(gè)尿素艙，這樣尿素艙周?chē)缓Ｋ鼑欣谀蛩厝芤旱拇娣?，不用再布置冷卻水管。

尿素艙艙容的計(jì)算，根據(jù)設(shè)備廠家提供的尿素消耗量，按主機(jī)+兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的尿素消耗量：1.8+0.25 X 2=2.3 m3/天。

船舶在NOx排放控制區(qū)的行駛時(shí)間，按常規(guī)14天進(jìn)行設(shè)計(jì)，尿素消耗量：2.3 X14=32.2 m3，所以50 m3左右的有效尿素艙容即可滿(mǎn)足一般使用要求，本船設(shè)計(jì)艙容為73.5 m3。

3.3 主機(jī)RSV、RTV、RBV閥件布置

（1）工作原理

Tier II模式下：RBV閥開(kāi)啟，RSV和RTV閥關(guān)閉；主機(jī)排氣集管廢氣→經(jīng)過(guò)RBV閥→增壓器→排氣總管。

Tier III模式下：RBV閥關(guān)閉，RSV和RTV閥開(kāi)啟；主機(jī)排氣集管廢氣→經(jīng)過(guò)RSV閥→SCR混合管→SCR反應(yīng)器→經(jīng)過(guò)RTV閥→增壓器→排氣總管。

對(duì)于主機(jī)排氣集管上RSV閥的布置，廠家可以按船廠要求布置在主機(jī)排氣集管艏部的端部位置，這樣對(duì)于船廠布置排氣集管到SCR混合管之間的排氣管路較為便利。

5S50ME-C9.7主機(jī)的增壓器布置在主機(jī)尾部，對(duì)于排氣集管和增壓器、RBV、RTV閥之間三通的布置，主機(jī)廠家設(shè)計(jì)初期是按圖5所示的常用布置型式進(jìn)行布置。但布置在此處會(huì)涉及主機(jī)上掃氣箱位置結(jié)構(gòu)大的調(diào)整，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，無(wú)法保證按時(shí)供圖。經(jīng)和主機(jī)廠家以及MAN多次溝通，廠家提供了一種新的RBV閥內(nèi)置在主機(jī)排氣集管里面，如圖6所示。

RTV閥可以以排氣集管為中心，根據(jù)管路布置在0～180°的方向上任意角度布置，也可根據(jù)船廠要求在排氣集管上進(jìn)行位置的調(diào)整。經(jīng)過(guò)內(nèi)部綜合分析，采用上述設(shè)計(jì)方案。

4? ? 發(fā)電機(jī)LPSCR系統(tǒng)布置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要考慮兩臺(tái)發(fā)電機(jī)排煙管進(jìn)鍋爐以增加鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，排煙管廢氣經(jīng)SCR混合管/反應(yīng)器后直接排出至大氣；NO.2和NO.3發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)中混合管/反應(yīng)器和旁通管為分體式設(shè)計(jì)，即SCR混合管/反應(yīng)器和旁通管要分開(kāi)布置； NO.1發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)中混合管/反應(yīng)器和旁通管為整體式設(shè)計(jì)。 NO.1發(fā)電機(jī)布置在偏左舷位置，加上整體式的SCR設(shè)備較高，從SCR出來(lái)的排煙管因受煙囪結(jié)構(gòu)限制無(wú)法再進(jìn)煙囪，考慮在左舷風(fēng)機(jī)房里留出一部分空間為NO.1發(fā)電機(jī)布置排煙管。

發(fā)電機(jī)LPSCR系統(tǒng)的布置方案，如圖7所示。

5? ? 主機(jī)和發(fā)電機(jī)SCR空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)和發(fā)電機(jī)無(wú)論在TierII還是在TierIII模式下，都需要消耗大量的空氣，根據(jù)設(shè)備廠家提供的資料：

排放II模式下：主機(jī)+1臺(tái)發(fā)電機(jī)空氣耗量：95+12.6=107.6 Nm3/h；

排放III模式下：主機(jī)+1臺(tái)發(fā)電機(jī)空氣耗量：180+45=225 Nm3/h；

主機(jī)SCR系統(tǒng)需工作空氣壓力7～8 bar，發(fā)電機(jī)SCR需工作空氣壓力7～10 bar。

初步設(shè)計(jì)有兩種方案：

方案一：?jiǎn)为?dú)配置一套空壓機(jī)和空氣瓶以及干燥器，供主機(jī)和發(fā)電機(jī)的SCR系統(tǒng)專(zhuān)用，這是目前普遍采用的方式。

方案二：和船上現(xiàn)有的工作空壓機(jī)和空氣瓶以及干燥器共用，加大原來(lái)的空壓機(jī)和空氣瓶以及干燥器的容量。

這兩種方案綜合成本對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

考慮SCR系統(tǒng)用氣特征，單獨(dú)配一套空壓機(jī)，同時(shí)以船上原來(lái)的工作空壓機(jī)作為備用，即采用方案一：?jiǎn)为?dú)配置一套SCR系統(tǒng)專(zhuān)用空壓機(jī)、空氣瓶和干燥器，同時(shí)從機(jī)艙壓縮空氣系統(tǒng)中接一路壓縮空氣至該SCR空氣系統(tǒng)，作為備用。

6? ? 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)涉及設(shè)備眾多，設(shè)備、管路布置復(fù)雜，涉及多專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)溝通，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究討論，經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)，最終形成了具有特色的主機(jī)和發(fā)電機(jī)TierIIISCR系統(tǒng)的布置方案，在行業(yè)內(nèi)具有一定的領(lǐng)先性，增加了本船的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（1）主機(jī)和發(fā)電機(jī)SCR系統(tǒng)設(shè)備、管路布置得到了最優(yōu)的布置方案，同時(shí)對(duì)周?chē)w結(jié)構(gòu)的修改也最小；

（2）尿素艙布置在艉壓載艙里，由于艙室周?chē)Ｋ拇嬖?，更有利于尿素溶液的存放，不用再在尿素艙里面布置冷卻海水管；

（3）發(fā)電機(jī)廢氣在TierII模式下能夠進(jìn)鍋爐，增加了鍋爐蒸汽產(chǎn)量，為船舶航行提供了更加充足的蒸汽量；

（4）主機(jī)上的RBV和RTV閥集成在主機(jī)上，更有利于船上主機(jī)HPSCR系統(tǒng)管路的布置。

作者簡(jiǎn)介：曹艷東（1981-），男，高級(jí)工程師。主要從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2022-03-11