船用二沖程柴油機(jī)二級增壓技術(shù)應(yīng)用分析

霍旭穎

上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部, 上海 200135)

0 引 言

當(dāng)前,航運(yùn)界正在大力發(fā)展低碳環(huán)保的綠色船舶技術(shù)。船用二沖程柴油機(jī)作為船舶的主推進(jìn)設(shè)備,承擔(dān)了主要的節(jié)能減排任務(wù)。目前針對二沖程柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)的研究主要集中在使用替代燃料、優(yōu)化燃燒室工作效率和提升整機(jī)工作效率等方面,基于二級增壓的掃氣技術(shù)還沒有在船用二沖程柴油機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用。因此,本文以二沖程柴油機(jī)二級增壓掃氣技術(shù)為基礎(chǔ),對其在節(jié)能減排方面的潛在應(yīng)用進(jìn)行分析,對其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行測算,證明該技術(shù)能在發(fā)揮環(huán)保作用的同時,提升船舶的經(jīng)濟(jì)效益。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

廢氣渦輪增壓器是二沖程柴油機(jī)排氣和掃氣系統(tǒng)的核心部件,其將柴油機(jī)廢氣的技術(shù)功轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,驅(qū)動增壓器側(cè)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn),從而獲得壓縮空氣,實(shí)現(xiàn)對燃燒室的循環(huán)掃氣。同時,廢氣渦輪增壓器能通過增大注入氣缸的空氣的密度,使燃油得到充分燃燒,從而增大氣缸的輸出功率。

二沖程低速柴油機(jī)的增壓器通常采用單級增壓系統(tǒng),最高增壓比可達(dá)4.5～5.0。在不改變現(xiàn)有的柴油機(jī)進(jìn)排氣設(shè)計(jì)壓力的情況下,將單級增壓系統(tǒng)改為二級增壓系統(tǒng)能產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。本文以WinGD 6X72-B柴油機(jī)為例,對其二級增壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。柴油機(jī)的基本參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)的基本參數(shù)

該柴油機(jī)裝配有1臺增壓器和1臺空氣冷卻器,為單級增壓系統(tǒng)。采用WinGD公司提供的計(jì)算軟件GTD 2.17.0.1計(jì)算出該柴油機(jī)的性能和運(yùn)行參數(shù),其中單級增壓器運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 單級增壓器運(yùn)行參數(shù)

為方便論述,取環(huán)境溫度為29 ℃,大氣壓力為101 kPa,排氣口處的絕對壓力為104 kPa;增壓器增壓側(cè)的多變指數(shù)為1.48,增壓效率為83%;廢氣透平側(cè)的多變指數(shù)為1.27,透平效率為83%。

2 二級增壓中間冷卻系統(tǒng)

圖1為二級增壓中間冷卻系統(tǒng)架構(gòu)圖。柴油機(jī)的二級增壓系統(tǒng)含有高壓增壓器和低壓增壓器,廢氣先后經(jīng)過一級透平和二級透平膨脹做功產(chǎn)生軸功,分別驅(qū)動二級壓縮渦輪和一級壓縮渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)?？諝庀冉?jīng)過低壓增壓器初步增壓,再經(jīng)過中間冷卻器冷卻,隨后進(jìn)入高壓增壓器繼續(xù)增壓,接著經(jīng)過后冷卻器冷卻,最后進(jìn)入柴油機(jī)掃氣箱。

圖1 二級增壓中間冷卻系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2為二級增壓中間冷卻p-V圖,其中:p為壓力;V為體積。若采用單級壓縮系統(tǒng),消耗的功相當(dāng)于面積613″46(即圖2中各點(diǎn)的連線所圍面積,下同);若采用二級增壓系統(tǒng),消耗的功相當(dāng)于面積61256與面積52′345之和。采用二級增壓系統(tǒng)節(jié)省的功相當(dāng)于面積2′23″32′。[1]

圖2 二級增壓中間冷卻p-V圖

在二級增壓中,單位氣體所需的總功率為

(1)

當(dāng)二級增壓的升壓比相等時,二級增壓所需總功率最小,此時式(1)可轉(zhuǎn)化為

(2)

將表2中的柴油機(jī)掃氣參數(shù)代入式(1)和式(2)中,計(jì)算得到二級增壓中間冷卻所需功率見表3。通過對比可發(fā)現(xiàn),采用二級增壓和中間冷卻技術(shù)相比采用一級增壓技術(shù),能節(jié)約6.6%～12.1%的壓縮功率。

表3 二級增壓中間冷卻所需功率

3 節(jié)余廢氣的運(yùn)用

通過上述計(jì)算發(fā)現(xiàn),采用二級增壓和中間冷卻技術(shù)能減少壓縮功耗。經(jīng)過計(jì)算,若將廢氣技術(shù)功完全用來進(jìn)行二級增壓,最大能增加約10%的掃氣壓力,增加的幅度與柴油機(jī)的負(fù)荷呈正比,負(fù)荷越大,掃氣壓力增加的幅度越大。增大增壓器壓力能直接增大氣缸的平均有效壓力,從而增大柴油機(jī)的功率范圍[2]。由于增大氣缸壓力會面臨柴油機(jī)的機(jī)械極限和熱負(fù)荷極限的限制,該方式需要在柴油機(jī)廠進(jìn)行全面設(shè)計(jì)之后才能實(shí)施,本文暫不展開分析。

下面以不改變二沖程柴油機(jī)動力循環(huán)的設(shè)計(jì)為前提條件,從3個方面對多余廢氣的利用進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

3.1 利用廢氣的技術(shù)功

圖3為二級增壓系統(tǒng)和動力透平發(fā)電示意圖。將柴油機(jī)的廢氣旁通至動力透平發(fā)電,多余廢氣發(fā)電計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知,當(dāng)負(fù)荷在70%以上時,該技術(shù)方案能回收2.9%～4.9%的電能。若取柴油發(fā)電機(jī)組的油耗為185 g/(kW·h),每年設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)時間為300 d,主機(jī)經(jīng)常使用的負(fù)荷為總負(fù)荷的75%,則每年可節(jié)省發(fā)電用油約865.8 t。船用重燃油的二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.114[3]65,這樣每年可減少約2 696 t二氧化碳排放。通過一系列計(jì)算可看出,該方案有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價值。

圖3 二級增壓系統(tǒng)和動力透平發(fā)電示意圖

表4 多余廢氣發(fā)電計(jì)算結(jié)果

船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)是衡量船舶碳排放控制性能的一個重要指標(biāo)[3]17。將動力透平在柴油機(jī)負(fù)荷為總負(fù)荷的75%時產(chǎn)生的能量代入EEDI計(jì)算公式中,在公式中其他參數(shù)均不改變的情況下,可計(jì)算得到船舶僅采用該技術(shù)方案能使EEDI減小約4.6%。

3.2 提取廢氣的熱能

圖4為二級增壓系統(tǒng)和廢氣鍋爐。在柴油機(jī)廢氣進(jìn)入增壓器之前,先通過廢氣鍋爐提取其部分熱能,這樣能減少增壓器的產(chǎn)出。表5為提取部分廢氣熱能產(chǎn)生蒸汽量與掃氣參數(shù)計(jì)算結(jié)果。只要不影響主機(jī)的正常使用,該節(jié)能方案就是可行的。

圖4 二級增壓系統(tǒng)和廢氣鍋爐

表5 提取部分廢氣熱能產(chǎn)生蒸汽量與掃氣參數(shù)計(jì)算結(jié)果

影響廢氣鍋爐蒸汽產(chǎn)量的主要因素是廢氣溫度和廢氣量,廢氣溫度和廢氣量又與柴油機(jī)的負(fù)荷有關(guān)。在這里:當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷在總負(fù)荷的60%以上時,廢氣鍋爐能按10%～11%的比例從廢氣中提取熱能;當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷低于總負(fù)荷的60%時,廢氣鍋爐提取熱能的比例會快速增大。柴油機(jī)負(fù)荷越低,廢氣鍋爐提取熱能的比例就越大。提取的熱能增加必然會使增壓器的壓縮空氣產(chǎn)量減少,因此在低負(fù)荷階段要關(guān)掉廢氣鍋爐,以保證柴油機(jī)正常運(yùn)行。

利用主機(jī)的廢氣產(chǎn)生蒸汽并不能在計(jì)算船舶EEDI時獲得優(yōu)勢,但對于加熱需求較大的船舶而言,該方案能增加熱源供給。

3.3 制造壓縮空氣進(jìn)行氣膜減阻

氣膜減阻技術(shù)是通過向船舶底部的氣膜槽內(nèi)注入壓縮空氣,將水與船底板隔開,由此減小船體阻力,這樣能獲得5%～10%的節(jié)能效果[4]。若二級增壓和中間冷卻系統(tǒng)在滿足柴油機(jī)運(yùn)行需求的同時,能制造出更多的壓縮空氣用來進(jìn)行氣膜減阻,則更為有利。為直觀地表達(dá)該能力,本文用1 h內(nèi)在水下10 m處制造50 cm厚的氣膜的面積大小衡量該能力。在空氣承受10 m水壓的情況下,若氣膜在溫度為300 K時的密度約為2.245 kg/m3,可計(jì)算得到用于進(jìn)行氣膜減阻的空氣量和造膜面積見表6。

表6 用于進(jìn)行氣膜減阻的空氣量和造膜面積計(jì)算結(jié)果

氣膜減阻系統(tǒng)消耗能量最多的過程是空氣壓縮。采用柴油機(jī)增壓器替代空氣壓縮機(jī)獲得大量壓縮空氣,能直接降低船舶電站負(fù)荷,從而減少船舶運(yùn)行能耗,提升船舶的經(jīng)濟(jì)性。需注意的是,氣膜易受浪涌的破壞而使減阻效果下降。因此,迅速恢復(fù)被破壞的氣膜能在一定程度上降低該不利因素的影響。表6中可供氣模減阻系統(tǒng)使用的壓縮空氣量遠(yuǎn)超過其需求量,這為氣模減阻系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)揮節(jié)能效果提供了有力支持。

當(dāng)僅采用氣膜減阻節(jié)能系統(tǒng)時,若該系統(tǒng)能減小8%的主機(jī)功率,則將其代入EEDI計(jì)算公式中,在公式中其他參數(shù)不變的情況下,可計(jì)算得到采用該技術(shù)方案能使EEDI減小約11%。

4 二級增壓技術(shù)對船用二沖程柴油機(jī)的影響

二級增壓技術(shù)能同時改變船用二沖程柴油機(jī)的增壓掃氣系統(tǒng)和廢氣排氣系統(tǒng),影響面很大,下面對其進(jìn)行深入分析。

4.1 對增壓系統(tǒng)的影響

二級增壓系統(tǒng)中各級壓縮過程的壓縮機(jī)出口溫度為

(3)

式(3)中:To為壓縮機(jī)出口溫度;Ti為壓縮機(jī)入口溫度。

二級增壓過程中的各級增壓比小于一級增壓過程,這使得二級增壓過程中的空氣出口溫度低于一級增壓過程。該結(jié)果會減小空冷器兩側(cè)的平均溫差,從而降低換熱效率。為此,必須增大柴油機(jī)換熱器熱交換面的面積,同時增加冷卻水量,只有如此才能保證二級增壓系統(tǒng)正常運(yùn)行。

本文所述柴油機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時的增壓器出口溫度為220 ℃,空冷器冷卻水量為180 m3/h,冷卻負(fù)荷為7 270 kW。采用二級增壓系統(tǒng)之后,低壓增壓器和高壓增壓器的出口溫度為112.5 ℃,雖然總冷卻負(fù)荷降低到了約6 000 kW,但因熱交換過程中的溫差顯著減小,冷卻器總熱交換面的面積和總冷卻水量均增大50%才滿足二級增壓系統(tǒng)正常運(yùn)行的需求,這會給柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和布置帶來很大麻煩。

4.2 對柴油機(jī)排氣處理系統(tǒng)的影響

4.2.1 智能控制廢氣再循環(huán)系統(tǒng)

智能控制廢氣再循環(huán)(Intelligent Control by Exhaust Recyclin, iCER)系統(tǒng)是一種柴油機(jī)廢氣處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對部分柴油機(jī)廢氣進(jìn)行清洗、冷卻,并將其送入增壓器中與新鮮空氣混合增壓,供柴油機(jī)燃燒使用。該系統(tǒng)能減少燃燒空氣的含氧量,使燃燒室內(nèi)的最高溫度下降,從而減少氮氧化物的產(chǎn)生。圖5為二級增壓系統(tǒng)和iCER。

圖5 二級增壓系統(tǒng)和iCER

iCER是低壓系統(tǒng),只與二級增壓系統(tǒng)的低壓側(cè)有接口,其功能與二級增壓系統(tǒng)互不影響。此外,iCER與本文第3節(jié)所述衍生應(yīng)用之間也不存在沖突。

4.2.2 選擇性催化還原技術(shù)

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)技術(shù)是常用的柴油機(jī)氮氧化物減排技術(shù)。該技術(shù)有高壓SCR系統(tǒng)和低壓SCR系統(tǒng)2種解決方案[5]61-64,其中低壓SCR系統(tǒng)安裝在柴油機(jī)增壓器出口管路上,僅增加排氣系統(tǒng)的背壓,不會影響二級增壓系統(tǒng)及其衍生技術(shù)的應(yīng)用。

高壓SCR系統(tǒng)只有在溫度滿足要求的情況下才能工作,否則廢氣中的硫氧化物和氨會發(fā)生化合反應(yīng)生成硫酸氫氨,導(dǎo)致催化劑失效[5]59。因此,在二級增壓技術(shù)的衍生應(yīng)用中必須優(yōu)先考慮采用高壓SCR系統(tǒng),保證其正常工作之后再對柴油機(jī)廢氣進(jìn)行綜合利用。圖6為二級增壓系統(tǒng)、動力透平和高壓SCR系統(tǒng)。高壓SCR系統(tǒng)是廢氣集氣管出口的第一個系統(tǒng),先在這里對高溫高壓的廢氣進(jìn)行脫硝處理,隨后廢氣分別進(jìn)入增壓器和動力透平中。

圖6 二級增壓系統(tǒng)、動力透平和高壓SCR系統(tǒng)

4.2.3 廢氣洗滌技術(shù)

廢氣洗滌系統(tǒng)主要用于對柴油機(jī)廢氣中的硫氧化物和黑煙進(jìn)行處理,是廢氣排入大氣之前采用的最后一個廢氣處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對二級增壓系統(tǒng)的影響僅限于增加排氣的背壓,對二級增壓系統(tǒng)的衍生應(yīng)用沒有影響。

5 結(jié) 語

二級壓縮和中間冷卻技術(shù)是一種常規(guī)技術(shù),可使柴油機(jī)節(jié)余出部分廢氣供自身利用。但是,單純采用該技術(shù)并不能使柴油機(jī)直接獲得環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益,反而會增加柴油機(jī)的設(shè)計(jì)難度,增加其制造成本。

本文列舉了3種有效利用柴油機(jī)節(jié)余廢氣的方法,通過計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn),將二級壓縮和中間冷卻技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合,能有效提升柴油機(jī)的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際運(yùn)用時,還需全面考慮該技術(shù)對柴油機(jī)的影響,同時進(jìn)一步優(yōu)化對柴油機(jī)多余廢氣的分配,以使其利用效率最大化。