朱國龍

一、概述

隨著經(jīng)濟全球化進程的加快，國際貿(mào)易和船舶運輸?shù)玫搅丝涨暗陌l(fā)展，海上運輸量已經(jīng)占交通運輸量的四分之一。20世紀的60-70年代，船用燃油價格低廉，市場景況好，航運業(yè)利潤大，耗油量曾經(jīng)不是船舶公司關注的主要指標?？墒请S著燃油價格一漲再漲，目前燃油成本占運輸成本的比例驟增。由于海上貨運量逐年大幅度增長，船舶噸位的不斷增加，船舶對燃油的需求量在大幅度提高。國際燃油價格居高不下，，燃油費已經(jīng)成為船舶運輸成本中最大的支出，同時船舶排放的廢油廢水廢氣所造成的環(huán)境污染也日趨嚴重，對此國際各相關機構一直予以高度重視，節(jié)能減排工作已成為當今航運界乃至世界各國的一項首要任務。

船舶降速航行是各航運界目前普遍采用的，也是最直接、最有效的節(jié)能方法。但船舶降速航行又受到諸多因素影響，如控制在一定范圍內(nèi)就會產(chǎn)生很好的節(jié)能效果，但偏離了最佳降速航行點不但在經(jīng)濟上沒有減少成本的作用，而且導致主機的最佳工況點偏移，縮短主機使用期限。本文作者根據(jù)船舶降速減排效果的理論依據(jù)，結合其自身長期從事機務管理的工作經(jīng)驗，著重分析影響船舶經(jīng)濟航速運行的各種影響因素。尤其論述了如果通過對電噴主機進行技術改造，從而實現(xiàn)主機長期穩(wěn)定的低速運行，大幅度達到節(jié)能減排的效果。

二、電噴主機低速運行所面臨的問題

中波輪船股份公司長期以來十分重視節(jié)能減排工作，堅持發(fā)展與節(jié)能同步、開發(fā)與節(jié)約并舉的指導方針，以節(jié)能新技術、新工藝的引進推廣為重點，廣泛深入地開展企業(yè)節(jié)能降耗工作。公司共有17艘重吊型船舶，其中7艘船，本身設計的功率就不高，且隨著船齡的增加早就減速運行，進一步降速的空間不大。而另10艘SULZER 7RT-FLEX60C型電噴主機，其額定轉速為114轉/分，采取降速航行能夠節(jié)油的空間比較大。為此公司以10艘電噴主機船舶為主要對象，把降速航行作為減少該組船舶運力過剩和運營成本的重要舉措，以及作為節(jié)能減排的重要抓手。經(jīng)過對這10艘船的航行線路的調(diào)研統(tǒng)計和成本分析，目前確定主機運行在80轉/分是比較合理的經(jīng)濟航速，這樣單船燃油消耗由原來的每天58噸減少為28噸，每天減少30噸左右，這對于整個公司整個船隊而言就有可觀的成本效益，同時在節(jié)能減排方面也可以取得顯著的成果，但給降速航行下的主機帶來了一系列的問題，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

一是SULZER 7RT-FLEX60C型電噴型主機自降速以來，主機在額定功率的38%左右運行，和傳統(tǒng)柴油機一樣運行工況出現(xiàn)惡化，主機降速航行時主機工況偏離設計工況甚遠，各種性能參數(shù)的匹配失調(diào)，導致?lián)Q氣、燃燒、增壓效能以及一系列危及主機工況正常的問題。長期在此惡劣條件下運行，將使主機燃燒室及掃氣系統(tǒng)迅速污染積碳，從而引起缸頭、缸套、活塞的過度磨損以及低溫腐蝕等，甚至出現(xiàn)掃氣箱著火這樣的嚴重事故。

二是減速運行半年多時間船上陸續(xù)報告主機離空冷器出口最遠的NO.1、7缸的掃氣溫度偏高、活塞下部掃氣箱嚴重臟污，有大量成塊狀的油泥、NO.1、7缸缸套內(nèi)徑超標后，船上又報告NO.1和NO.7缸掃氣箱多次著火。掃氣箱著火對主機造成嚴重危害：輕則降速、停車，嚴重時引起缸套裂紋、漏水引起增壓器損壞，甚至對人員造成傷害。多只缸套在汽缸油注油孔處開裂報廢，嚴重的影響船舶的安全航行，增加了大量的機務費用。

針對以上急待解決的突出問題，我們經(jīng)過長時間的跟船調(diào)研和摸索分析，總結出RT-FLEX60C主機在設計上的不能滿足低速運行的以下固有缺陷：

1.噴油提前角過小、排氣閥定時滯后、低速時氣缸熱負荷增加、后燃嚴重致使廢氣下穿或從掃氣口倒沖進入掃氣箱，嚴重時造成掃氣箱著火。

2.增壓器運行在低速低效率區(qū)、空冷器容易臟堵，過量空氣減少，造成掃氣壓力不足，燃燒室內(nèi)空氣擾動不足，油氣混合不充分，燃燒過程加長容易引起后燃。

3.氣缸油供應量偏多。除造成汽缸油浪費外，多余的汽缸油容易變成油渣而沉積在汽缸油布油槽內(nèi)，致使?jié)櫥瑺顩r惡化，增加缸套和活塞令磨損。同時致使掃氣溫度增加，增加了掃氣箱著火的可能性。

4.主機長期運行后，燃油噴射控制元件ICU（Injection Control Unit）和伺服油執(zhí)行機構由于燃油和伺服油的漏泄和元件卡阻，致使實際噴油定時滯后，使燃燒過程惡化。

5.離空冷器出口最遠的NO.1、7缸的掃氣溫度偏高、活塞下部掃氣箱嚴重臟污，有大量成塊狀的油泥。吊缸檢查測量發(fā)現(xiàn)，NO.1、7缸缸套內(nèi)徑磨損速率超標。

三、電噴主機低速穩(wěn)定運行的技術改造

根據(jù)對RT-FLEX60C主機在低速下運行固有缺陷的分析結果，我們從節(jié)能原理出發(fā)，研究制定了以下的技術改造方案：

對既定船舶來說，其船型參數(shù)可視為幾乎不變。降速前后主機功率、航速、燃油消耗率之間的關系可由如下公式中得出： P1/V13=P2/V23

式中：

P1——降速前主機功率； P2——降速后主機功率； V1——降速前船舶航速； V2——降速后船舶航速。

從上式可以導出：P2= P1 （V23/ V13），改變航速后的燃油消耗量：W2= Ge2 V2S/1000 P2

式中：

W2——改變航速后的耗油量（kg）；Ge2——改變航速后燃油消耗率（g/kwh）

S——航行距離（n mile）。

利用上面的公式，通過簡單的計算得知：如果航速降低10%，則主機功率下降27.1%，燃油消耗量減少19%；如果航速降低20%，則主機功率下降48.8%，燃油消耗量減少36%，從而可以看出采用經(jīng)濟航速，節(jié)能效果明顯，同時二氧化碳和氮化物的排放也大幅降低。

以此理論為基礎，圍繞著怎樣才能最大限度地使船舶主機滿足減速要求，即在實現(xiàn)節(jié)能減排目的的同時，又要確保主機的良好可持續(xù)運營，我們對主機控制系統(tǒng)和部分設備進行了優(yōu)化調(diào)整：

（一）WECS 9500（改進版為WECS 9520）軟件上的參數(shù)調(diào)節(jié)

1.適當提前供油定時

低負荷運行時，爆壓降低、排溫升高、滯燃期延長。為此，需適當加大噴油提前角，使燃油始點前移，減少后燃，提高爆壓，提高循環(huán)熱效率。

2. 適當延后排氣閥關閉定時

適當延后排氣閥關閉時刻，降低掃氣時氣缸內(nèi)的背壓，減少廢氣倒沖量，同時增大了排氣能量，也可提高增壓壓力，使下一循環(huán)混合氧氣多，利于燃燒。

（二）汽缸油的調(diào)節(jié)

Sulzer 7RT-flex60C主機汽缸油型號為CLU-3，其汽缸油供油量是隨著主機功率進行調(diào)節(jié)的。主機降低負荷時，汽缸油供應量偏高。通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)“汽缸油調(diào)節(jié)系數(shù)”可以到達調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的作用。

（三） 燃油控制單元ICU的整修

由于燃油共軌（Fuel Rail）壓力設定為900bar，而且伺服油共軌壓力設定為200bar。隨著主機運行時間的加長，伺服油共軌難免有泄漏，同時相應共軌電磁閥也會出現(xiàn)動作卡阻現(xiàn)象，這將影響噴油定時和噴油量的控制精度，從而使燃燒過程惡化。通過更換部分共軌電磁閥及密封橡皮令，對使用年限超過5年的ICU （Injection Control Unit）分批次送廠整修，并確保每船配備2只ICU備用，確保了主機噴油系統(tǒng)的良好工況。

（四） 優(yōu)化掃氣環(huán)境

改善增壓系統(tǒng)的工作，由于部分負荷時柴油機排氣特性下降，增壓器的通流能力過剩，工況失調(diào)，Sulzer 7RT-flex60C主機配備的ABB 公司 TPL 型高速透平。隨著排氣能量的減少，其透平工作效率降低非常明顯，導致掃氣壓力下降，過量空氣系數(shù)減小，使缸內(nèi)油氣匹配失調(diào)。同時該主機掃氣箱通道比較狹窄，通流面積小，隔板較多流阻大，渦流區(qū)多，掃氣空氣難以均分。而燃燒室工況對于離空冷器出口最遠的NO. 1、7缸，則造成了更加惡劣的油多氣少的燃燒過程。這也是造成NO.1、7缸掃氣箱頻繁著火、缸套加速磨損的根本原因。提高換氣質量是改善NO.1、7缸換氣環(huán)境的關鍵所在，根據(jù)對主機的掃氣箱通道現(xiàn)場勘查，進行如下因地制宜的合理改造：

（1） 增壓空氣進入掃氣通道的百葉窗出口處鋪設一段管徑為200mm的導流管（兩端裝有喇叭口）， 直接引一路增壓空氣至NO.1、7缸的掃氣口。

（2） 加裝在2號空冷器百葉窗后安裝兩塊向NO.7缸方向傾斜15°的導流擋板。

（3） 割除非結構強度隔板上能造成阻擋、渦流的部分。

（4） 拆下空冷器后的氣水分離器，徹底清潔。

四、電噴主機技術改造后的效果

通過以上的各種優(yōu)化調(diào)整，主機各缸的燃燒工況有明顯的改善：各缸排溫都有10℃至20℃下降，大大減少了減速后后燃嚴重的痼疾；各缸掃氣溫度趨于平均，解決了掃氣空氣不平均的問題；檢查發(fā)現(xiàn)活塞令工況良好，活塞底部大量沉積碳渣的現(xiàn)象已不復存在，同時減少了汽缸油的消耗；更重要的是沒有再次發(fā)現(xiàn)燃氣倒沖的現(xiàn)象，徹底解決了同型號主機實施大幅減速航行后，掃氣箱著火重大故障的出現(xiàn)?，F(xiàn)在主機能工況良好地運行在80轉/分。對于原來狀況極差的NO.1、7缸，由下圖可以看出其改造效果尤為明顯：

改造前的掃氣口

改造后的掃氣口

雖然，造機廠WARTSILA 公司表示，他們可以提供在透平前后加裝自動調(diào)節(jié)閥的技術以提高透平效率或改造增壓器噴嘴環(huán)為自動可變的技術，以改善主機在低速條件下運行狀況，但其所需的改裝費用十分昂貴。實踐證明，我們采取的上述優(yōu)化方案施工簡單、運行有效、費用經(jīng)濟，具有較強的推廣價值和使用價值。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，公司10艘SULZER 7RT-FLEX60C型電噴主機船降速后，年減少燃油消耗約可達30 000噸左右標準煤。為企業(yè)節(jié)約了大量能源，既保護了環(huán)境，又減少了支出。

五、結束語

SULZER RT-FLEX電噴主機降速技改方案，將管理節(jié)能和技術節(jié)能于一體，走出了一條確保企業(yè)與社會利益雙贏的可持續(xù)發(fā)展道路，為其他航運企業(yè)的節(jié)能減排工作提供了一個可以借鑒的有效方法。特別對于使用范圍越來越廣的電噴型主機的船舶，如何實現(xiàn)在低速航行狀態(tài)下，保持主機長期穩(wěn)定的高效運行，以實現(xiàn)節(jié)能減排和節(jié)約成本，有著較大的參考價值和實用意義。