趙 超，王廷勇，王曉亮，王敬洲，戰(zhàn)庭軍，曾維武

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司 研發(fā)中心，山東 青島 266101)

0 引 言

國際海事組織（IMO）制定了MARPOL 附則VI《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》，要求2016 年以后建造的船舶在排放控制區(qū)域（ECA）航行時應(yīng)滿足Tier III 的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，即主機(jī)轉(zhuǎn)速小于130 r/min 時，NOX排放控制在3.4 g/kWh。基于更為嚴(yán)格的NOX排放標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外主要從燃料選擇、燃燒控制及排氣后處理3 個方面推出了多種新技術(shù)。由于選擇性催化還原技術(shù)（SCR）具有NOX脫除效率高、加裝改造方便、設(shè)備投入成本低等優(yōu)勢[2]，在船舶領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

基于其相對于渦輪增壓器位置的不同，SCR 系統(tǒng)分為高壓和低壓2 種[3]。其中，高壓SCR 系統(tǒng)與主機(jī)相鄰，位于渦輪增壓器前，對于二沖程低速船舶主機(jī)，該位置排氣溫度為350℃～450℃，壓力為2～4 bar。由于高壓SCR 系統(tǒng)與船舶主機(jī)直接相連，又串接在具有一定壓力的高溫排氣管路中，因此需要特別關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行時的振動情況。

隨著國際環(huán)保公約的生效實(shí)施，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)及廠家對船舶廢氣SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面開展了大量研究。林建輝等[4]通過CFD 軟件模擬導(dǎo)流器參數(shù)對SCR 內(nèi)流場均勻度的影響，對船舶SCR 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化并開展試驗(yàn)研究。楊智遠(yuǎn)等[5]通過Fluent 軟件對SCR 系統(tǒng)吹灰裝置進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最佳吹掃壓力和噴孔夾角。付立東等[6]運(yùn)用FIRE 軟件模擬分析了噴嘴孔數(shù)、擴(kuò)張管段長度以及噴嘴與催化劑入口距離等對還原劑混合均勻度的影響，優(yōu)化了SCR 噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。張韓西子等[7]對SCR 控制策略進(jìn)行研究，利用Matlab 建立了催化器和開環(huán)、閉環(huán)控制模型，優(yōu)化系統(tǒng)控制策略。在結(jié)構(gòu)可靠性方面，SCR 系統(tǒng)作為船舶輪機(jī)的重要組成部分，其異常振動不僅會影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還會將能量通過管路支架傳遞至船體結(jié)構(gòu)引起其他危害。早在19 世紀(jì)國內(nèi)外學(xué)者已對管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動開展研究，主要集中在管道振動的理論分析和工程應(yīng)用[8]。通過理論分析，明確管路結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)及動力響應(yīng)。工程實(shí)踐領(lǐng)域的分析大都是改進(jìn)系統(tǒng)與管道相連的設(shè)備以減輕管路系統(tǒng)的振動。在船舶航行中，管路的振動主要來源于船舶動力系統(tǒng)振動傳遞和管路內(nèi)部流體沖擊[9]。

本文基于船舶主機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了高壓SCR 系統(tǒng)，并搭建臺架樣機(jī)。通過力學(xué)分析，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，在此基礎(chǔ)上，通過模擬仿真及試驗(yàn)測試，驗(yàn)證SCR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 船舶主機(jī)參數(shù)

船舶主機(jī)為MAN-ES 6S60ME 二沖程低速主機(jī)，100%負(fù)荷下的功率為9934 kW，轉(zhuǎn)速為91.5 r/min，其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 MAN 6S60ME 主機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of MAN 6S60ME engine

1.2 高壓SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 SCR 原理

船舶高壓SCR 通過還原劑與廢氣中NOX在催化劑的作用下發(fā)生催化還原反應(yīng)，NOX轉(zhuǎn)化為N2，從而實(shí)現(xiàn)NOX減排，工藝流程如圖1 所示。

圖1 船舶高壓SCR 工藝流程簡圖Fig.1 Schematic diagram of High Pressure SCR

船用SCR 系統(tǒng)的還原劑選用40 wt %的尿素水溶液，此濃度的尿素溶液冰點(diǎn)較低，不易結(jié)冰，且安全、便于存儲，幾乎無毒。系統(tǒng)涉及的反應(yīng)包括尿素分解反應(yīng)及催化還原反應(yīng)。

尿素?zé)峤猓?/p>

尿素水解：

1.2.2 SCR 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)流程

SCR 系統(tǒng)組成主要包括：1）SCR 反應(yīng)器（一般由吹灰器、后氧化催化器、消聲器等組成）；2）SCR 混合器（促進(jìn)尿素水溶液與排氣混合）；3）尿素水溶液噴射器（噴槍或噴嘴）；4）壓縮空氣單元；5）尿素計(jì)量單元；6）尿素溶液儲罐；7）NOx 分析儀（后反饋用）；8）控制系統(tǒng)；9）輔助設(shè)備及管路等。

高壓SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 船舶高壓SCR 設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Diagram of high pressure SCR design

1.2.3 SCR 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)

基于船舶主機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)高壓SCR 系統(tǒng)，系統(tǒng)核心設(shè)備包括SCR 反應(yīng)器及混合器。

反應(yīng)器內(nèi)布置催化劑層，為催化還原反應(yīng)提供空間。主機(jī)煙氣在渦輪增壓前的最大壓力為3.81 bar，設(shè)計(jì)壓力取5.0 bar，最高排氣溫度為427℃，設(shè)計(jì)溫度取500℃。反應(yīng)器材質(zhì)選用16Mo3，尺寸為Ф2220 mm×5300 mm，立式布置，SCR 反應(yīng)器及煙道的保溫層厚度為200 mm，在環(huán)境溫度為25℃時，表面溫度不超過60℃，反應(yīng)器外形如圖3 所示。

圖3 反應(yīng)器設(shè)備外形圖Fig.3 Outline of reactor equipment

催化劑是整個系統(tǒng)的核心，催化劑的性能好壞直接決定著整個系統(tǒng)的脫硝效率。基于脫除效率，在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置3 層催化劑，采用模塊化的波紋狀催化劑，催化劑模塊安裝在“井字形”支撐梁上，支撐梁的4 個邊設(shè)有銷塊，用以固定催化劑，在支撐格柵上設(shè)密封帶，橫向與豎向交叉密封帶，保證密封性。催化劑模塊頂部設(shè)有固定卡塊，能防止船體搖擺對催化劑的損壞。同時，為了使進(jìn)入催化劑層煙氣分布更均勻，在反應(yīng)器入口和第一層催化劑之間設(shè)置均布器。

混合器用于蒸發(fā)分解尿素溶液，并將產(chǎn)生的氨氣與柴油機(jī)排氣混合均勻，混合后均勻度不低于0.95。設(shè)計(jì)溫度500℃；設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa；材質(zhì)316 L；尺寸為Ф1320 mm×4000 mm?；旌掀魍庑稳鐖D4 所示。

圖4 混合器外形圖Fig.4 Outline of Mixer equipment

混合器結(jié)構(gòu)上分為入口、擴(kuò)張段、腔室、收縮段、出口5 個部分。其中擴(kuò)張段上設(shè)有噴槍接口，用于連接尿素溶液噴槍；腔室內(nèi)設(shè)有擾流器，用于加強(qiáng)氣流擾動，達(dá)到氨氣與煙氣充分混合的目的。

1.3 SCR 管系及平臺設(shè)計(jì)

基于船舶主機(jī)排氣量設(shè)置系統(tǒng)管路，規(guī)格為DN800，為抵消主機(jī)排氣作用力以及膨脹節(jié)熱脹冷縮產(chǎn)生的作用力，在管道中設(shè)置滑動支撐、固定支撐、萬向型膨脹節(jié)、壓力平衡型膨脹節(jié)。同時，設(shè)計(jì)系統(tǒng)支架，總長度20 m，最大高度13 m，最大寬度4.2 m，以確保滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，管系及支架外形圖如圖5 所示，支架材質(zhì)為Q235。

圖5 管系及平臺外形圖Fig.5 Outline of pipe and support

2 SCR 系統(tǒng)力學(xué)分析

2.1 管系熱變形量計(jì)算

由于系統(tǒng)為高壓SCR，位于渦輪增壓器前，最高排氣溫度超過400℃，系統(tǒng)管系由于溫度不同會產(chǎn)生熱脹冷縮過程，管系熱膨脹計(jì)算：

式中： ΔL為管系熱膨脹量，mm；L為管路長度，m；ΔT為與環(huán)境溫差，℃； αexp為膨脹系數(shù)，mm/m℃·10-3。

2.2 固定點(diǎn)受力計(jì)算

在渦輪增壓前的主機(jī)排氣最大壓力超過3.5 bar，在SCR 系統(tǒng)固定點(diǎn)會受到煙氣作用力以及膨脹作用力，固定點(diǎn)受力計(jì)算式為：

式中：Fp為 最高操作壓力下煙氣作用力；Fs為膨脹節(jié)作用力；P為氣體壓力，bar；Ab為膨脹節(jié)截面積，mm2；CA為彈性系數(shù)，N/mm。計(jì)算求得固定點(diǎn)最大受力約為20 t。

2.3 反應(yīng)器重力

反應(yīng)器需滿足煙氣溫度和壓力的要求，材質(zhì)選用16Mo3，尺寸為Ф2220 mm×5300 mm，立式布置，反應(yīng)內(nèi)設(shè)置催化劑3 層，對反應(yīng)器設(shè)備進(jìn)行重量核算，約為8.5 t。

3 結(jié)構(gòu)可靠性分析

3.1 模擬仿真分析

為了確保設(shè)計(jì)合理性，通過Siemens UG 軟件，對支架整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

3.1.1 仿真模型建立

按照實(shí)際尺寸建立支架模型如圖6 所示，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，支架底部及固定支撐點(diǎn)處設(shè)置為全約束，并施加作用力。

圖6 支架三維模型及邊界條件設(shè)定Fig.6 Three-dimensional model and boundary condition setting of support

3.1.2 結(jié)果分析

通過軟件計(jì)算，求得支架各點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力分布情況，如圖7 所示。

圖7 支架應(yīng)變及應(yīng)力分布圖Fig.7 Diagram of strain and stress distribution of support

可知，支架最大的應(yīng)變和應(yīng)力值分別為15.5 mm和161.6 MPa。基于GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，應(yīng)力余量和位移余量應(yīng)分別控制在0.85 和1/400。經(jīng)計(jì)算，應(yīng)力余量161.6/235=0.688，位移余量15.5/10000=1/645，均低于控制值，證明支架設(shè)計(jì)滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3.2 振動試驗(yàn)測試

為保障現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行的安全，對SCR 系統(tǒng)及主機(jī)進(jìn)行振動測試，振動測試設(shè)備如表2 所示。

表2 測試設(shè)備Tab.2 Test equipment

對主機(jī)上部及SCR 反應(yīng)器中部進(jìn)行布點(diǎn)，分別測試其振動情況，X方向代表縱向的振動，Y方向代表橫向振動，Z方向代表垂向振動。

為全面測試SCR 系統(tǒng)運(yùn)行對主機(jī)振動的影響，主機(jī)分別在25%、50%、75%、85%及100%負(fù)荷下運(yùn)行時，開展3 種工況下的振動測試。

工況1主機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，SCR 系統(tǒng)旁通；

工況2主機(jī)與SCR 系統(tǒng)同時運(yùn)行，無尿素溶液供應(yīng)，不發(fā)生脫硝反應(yīng)。

工況3主機(jī)與SCR 系統(tǒng)同時運(yùn)行，尿素溶液供應(yīng)，發(fā)生脫硝反應(yīng)。

主機(jī)在測點(diǎn)處的最大振動響應(yīng)如表3 所示。

表3 主機(jī)測點(diǎn)處的最大振動響應(yīng)Tab.3 The maximum vibration response of main engine at themeasuring point

由主機(jī)測點(diǎn)振動響應(yīng)測試結(jié)果分析可知：

1）在25%負(fù)荷時，主機(jī)振動響應(yīng)達(dá)到最大值。其中工況2 中的主機(jī)位置測點(diǎn)的振動響應(yīng)值最大，為25.77 mm/s，與工況1 相比振動響應(yīng)增大6.29 mm/s，增幅超過30%，振動響應(yīng)增加明顯。

2）在25%、50%、75%、85%及100%負(fù)荷下，主機(jī)主要激勵頻率分別為5.75、7.25、8.25、8.75、15.25 Hz，表明本主機(jī)振動主要激勵為6 階橫向激勵，這與主機(jī)缸數(shù)相一致。

3）在25%、50%、75%和100%負(fù)荷下，主機(jī)測點(diǎn)在工況2 和工況3 振動響應(yīng)偏差不超過4 mm/s，主機(jī)振動響應(yīng)在工況2 與工況3 時基本一致，證明尿素的增加對主機(jī)振動影響很小。

反應(yīng)器測點(diǎn)處的最大振動響應(yīng)如表4 所示。

表4 反應(yīng)器測點(diǎn)處最大振動響應(yīng)變化Tab.4 The maximum vibration response of reactor at the measuring point

1）根據(jù)反應(yīng)器測點(diǎn)處的振動響應(yīng)結(jié)果可知，在5 種主機(jī)負(fù)荷下，反應(yīng)器最大振動響應(yīng)出現(xiàn)在100%負(fù)荷下，對應(yīng)于工況3 時測點(diǎn)位置的橫向振動頻率為15.25 Hz，響應(yīng)值為11.47 mm/s。

2）在5 種負(fù)荷下，測點(diǎn)在工況2 和工況3 振動響應(yīng)均不超過12 mm/s，反應(yīng)器振動響應(yīng)在工況2 與工況3 時基本一致，證明尿素的增加對反應(yīng)器振動影響很小。船舶主機(jī)配套SCR 系統(tǒng)運(yùn)行時，會增加主機(jī)振動響應(yīng)，尤其是主機(jī)在25%負(fù)荷下運(yùn)行，其缸體位置振動響應(yīng)達(dá)到最大值，為25.77 mm/s，增幅約為30%。為減小主機(jī)損傷，需減少主機(jī)在25%負(fù)荷下長時間運(yùn)行，應(yīng)通過快速提高轉(zhuǎn)速的方式避開較大的主機(jī)振動。主機(jī)在100%負(fù)荷下運(yùn)行時，SCR 反應(yīng)器的橫向振動響應(yīng)達(dá)到最大值，為11.47 mm/s，需重點(diǎn)關(guān)注主機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行時，SCR 反應(yīng)器的振動情況。尿素的增加對主機(jī)及反應(yīng)器振動影響很小，可以忽略。

4 結(jié) 語

本文基于MAN-ES 船舶主機(jī)開發(fā)了高壓SCR 系統(tǒng)，重點(diǎn)圍繞系統(tǒng)原理、組成、流程及關(guān)鍵設(shè)備開展設(shè)計(jì)，并搭建了臺架試驗(yàn)樣機(jī)。

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析以及模擬仿真，計(jì)算系統(tǒng)支撐平臺的應(yīng)力余量和位移余量分別為0.688和1/643，均低于控制值，證明SCR 系統(tǒng)支撐平臺可承受船舶主機(jī)排氣作用力和膨脹節(jié)熱脹冷縮作用力，平臺設(shè)計(jì)完全滿足其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的可靠性。