朱躍

（中海油田服務(wù)股份有限公司裝備管理部，北京，101149）

0 引言

深水半潛式鉆井平臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)采用的是四沖程中速柴油機(jī)，在正常鉆井作業(yè)中平臺(tái)采取的是動(dòng)力定位。動(dòng)力定位系統(tǒng)必須把平臺(tái)固定在保證安全的區(qū)域內(nèi)作業(yè)才可 以 正 常 進(jìn) 行。根據(jù) WSOG（Well Specific Operational Guidelines）對(duì)主配電板的負(fù)荷要求是小于40%。因此正常鉆井作業(yè)中深水動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)要求柴油機(jī)的負(fù)荷小于40%額定負(fù)荷，長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成柴油機(jī)排氣溫度高、熱負(fù)荷高，廢氣中NOx含量高。而對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行VIC及增壓器改造后，通過(guò)增加氣缸燃燒室內(nèi)進(jìn)氣量，氣缸內(nèi)燃料的燃燒更加充分，提升柴油機(jī)負(fù)荷性能、減少柴油機(jī)在低負(fù)荷（小于50%）時(shí)的排放的廢氣量、降低柴油機(jī)熱負(fù)荷，從而可以降低機(jī)器故障率，減少柴油機(jī)廢氣中含有的NOx對(duì)大氣污染。使排放標(biāo)準(zhǔn)符合IMO MARPOL73/78公約附錄Ⅵ《防止船舶造成的空氣污染規(guī)則》及其附件《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》。

1 柴油機(jī)在長(zhǎng)期低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)的危害

由于柴油機(jī)在生產(chǎn)制造階段并未考慮柴油機(jī)的使用場(chǎng)所，都是按照標(biāo)定工況條件進(jìn)行生產(chǎn)的，這就造成了如果柴油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在低負(fù)荷（低于50%）時(shí)，燃燒室溫度太低以致于燃油不能完全燃燒，從而引起在噴油器噴孔以及活塞環(huán)周?chē)纬煞e炭并引起氣門(mén)粘連。也會(huì)造成柴油機(jī)廢氣排氣溫度較高，接近甚至超過(guò)標(biāo)定工況時(shí)的排氣溫度值。燃油消耗率亦略有上升。同時(shí)柴油機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷運(yùn)行還存在以下五大危害：

（1）上竄至氣缸的一部分機(jī)油參與燃燒，一部分機(jī)油不能完全燃燒，在氣門(mén)、進(jìn)氣道、活塞頂、活塞環(huán)等處形成積炭，還有一部分則隨排氣排出。這樣，汽缸套排氣道內(nèi)就會(huì)逐步積聚機(jī)油，也會(huì)形成積炭；

（2）增壓器的增壓室內(nèi)機(jī)油積聚到一定程度，就會(huì)從增壓器的結(jié)合面處滲漏出；

（3）活塞-缸套密封不好，機(jī)油上竄，進(jìn)入燃燒室燃燒，排氣冒藍(lán)煙；

（4）對(duì)于增壓式柴油機(jī)，由于低載、空載，增壓壓力低，容易導(dǎo)致增壓器油封（非接觸式）的密封效果下降，機(jī)油竄入增壓室，隨同進(jìn)氣進(jìn)入氣缸；

（5）長(zhǎng)期小負(fù)荷運(yùn)行，將會(huì)更嚴(yán)重的導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒環(huán)境惡化等導(dǎo)致大修期提前的后果。因此，國(guó)外柴油機(jī)制造廠商無(wú)論對(duì)自然吸氣型還是增壓機(jī)型的使用都強(qiáng)調(diào)應(yīng)盡量減少低載/空載運(yùn)行時(shí)間，并規(guī)定最小負(fù)荷不能低于機(jī)組額定功率的25%-30%［1］。

2 可變進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉VIC正時(shí)原理

柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的VIC工作原理：閥門(mén)頂桿和推桿之間存在一個(gè)液壓腔室，通過(guò)控制流入和流出預(yù)先設(shè)定的液壓腔室的油量來(lái)控制進(jìn)氣閥門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉正時(shí)時(shí)間。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷時(shí)<50%，VIC被激活，系統(tǒng)滑油通過(guò)電磁控制閥門(mén)到達(dá)預(yù)先設(shè)定的腔室內(nèi)，相當(dāng)于增加了閥門(mén)頂桿的長(zhǎng)度，造成進(jìn)氣閥門(mén)在上止點(diǎn)前提前打開(kāi)角增大，下止點(diǎn)后關(guān)閉角也增大，延遲了關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間，增加了氣缸燃燒室內(nèi)進(jìn)氣量，使燃燒過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到額定的要求，從而達(dá)到：降低進(jìn)氣壓縮溫度和燃燒后的排氣溫度，同時(shí)減少?gòu)U氣排量，廢氣中有害器氣的NOx的排量減少約30%。

控制進(jìn)氣閥桿運(yùn)動(dòng)的液壓油為系統(tǒng)的滑油。這樣的設(shè)計(jì)可以減少引入其它動(dòng)力源，減少投資成本，同時(shí)使用同一種型號(hào)的滑油，可以避免對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)滑油的污染。

3 可變進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉VIC正時(shí)應(yīng)用效果

柴油機(jī)在安裝VIC后進(jìn)行了測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與改造之前進(jìn)行了比較，特別是主機(jī)各缸的排氣溫度，在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下（<50%）VIC和增壓器同時(shí)起到改善部分負(fù)荷下燃燒性能的作用，很明顯的對(duì)比是柴油機(jī)負(fù)荷在28%時(shí)排氣溫度較VIC改造前低了將近60℃，在42%下負(fù)荷排氣溫度低于VIC改造之前57℃。對(duì)柴油機(jī)在部分負(fù)荷下的熱負(fù)荷有非常大的改善。氣缸內(nèi)的燃油經(jīng)過(guò)更充分的燃燒從而減少?gòu)U氣排量，特別是廢氣中有害氣體NOx的排量，減少約30%,從而減少對(duì)大氣的污染，使柴油機(jī)的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)值滿足國(guó)際防止空氣污染公約-IMO MARPOL73/78公約附錄Ⅵ。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)米勒正時(shí)圖 圖2 VIC正時(shí)圖

表1 瓦錫蘭12V32型柴油機(jī)氣門(mén)正時(shí)時(shí)間

表2 不同負(fù)荷下柴油機(jī)氣缸排氣溫度對(duì)比

4 增壓器改造對(duì)柴油機(jī)熱負(fù)荷的影響

柴油機(jī)一般增壓方式為定壓增壓器，定壓渦輪增壓在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)性能較差，在進(jìn)行增壓器改造之前鉆井平臺(tái)柴油機(jī)使用的是Napier 297型增壓器，此增壓器廢氣渦輪采用的軸向進(jìn)氣推動(dòng)廢氣渦輪旋轉(zhuǎn)，增壓器的轉(zhuǎn)速相對(duì)徑向進(jìn)氣的廢氣渦輪轉(zhuǎn)速要低，在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主機(jī)的燃燒性能不受影響，但是在低負(fù)荷（<50%）時(shí)，進(jìn)氣的增壓壓力偏低，使過(guò)量空氣系數(shù)低于全負(fù)荷時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)，同樣造成氣缸出口的排氣溫度升高，使柴油機(jī)機(jī)件的熱負(fù)荷增加，縮短柴油機(jī)機(jī)件使用壽命。

本次為了改善柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)在低負(fù)荷下的性能，特別是降低部分負(fù)荷下柴油機(jī)的熱負(fù)荷，選擇了在低負(fù)荷有較高轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣增壓壓力的ABB生產(chǎn)的TPS61-F33，從而提高柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)。改善低負(fù)荷下燃燒質(zhì)量和性能。ABB TPS61-F33增壓器具有以下特點(diǎn)：全負(fù)荷壓力比可以達(dá)到5.2，高渦輪性能，非常高的部分負(fù)載效率，壓氣端為：三級(jí)徑向高壓壓縮鋁制壓縮葉輪，質(zhì)量更輕，速度更高；廢氣端：采用增加流量高效混合式渦輪；增壓器同時(shí)擁有高度緊湊的設(shè)計(jì)。

在增壓器進(jìn)行改造之后，通過(guò)對(duì)各缸排溫對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在75%負(fù)荷時(shí)（此時(shí)VIC已經(jīng)不起作用）改造之后的柴油機(jī)各缸排氣溫度較改造之前平均減少20℃。降低燃燒溫度是降低廢氣中有害氣體NOx的必要條件，此次增壓器改造降低了各缸的燃燒溫度，從而降低了廢氣中NOx的排放與顆粒的生成。從表3可以看出柴油在不同負(fù)荷下廢氣中的NOx排放值均降低。明顯減少了廢氣中污染物的排放。

表3 增壓器改造后不同負(fù)荷下各參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

本次鉆井平臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行了VIC及增壓器的改造，通過(guò)改造后的不同負(fù)荷下各參數(shù)的對(duì)比，特別是VIC改造，明顯改善了部分負(fù)荷時(shí)的負(fù)荷性能，使柴油機(jī)各缸排氣溫度在低負(fù)荷下顯著下降，降低了柴油機(jī)的熱負(fù)荷，使柴油機(jī)機(jī)件工作在最佳狀態(tài)，延長(zhǎng)了柴油機(jī)的使用壽命，通過(guò)增壓器的改造改善了柴油機(jī)在不同負(fù)荷下的燃燒性能，不僅降低了不同負(fù)載情況下的各缸排氣溫度，而且減少了主機(jī)廢氣中有害氣體對(duì)空氣的污染。使排放標(biāo)準(zhǔn)更加符合IMO MARPOL73/78公約附錄Ⅵ《防止船舶造成的空氣污染規(guī)則》及其附件《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》。并重新取得了EIAPP（Engine International Air Pollution Prevention Certificate）證書(shū)。