朱國龍

一、概述

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

船舶降速航行是各航運(yùn)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(huì)產(chǎn)生很好的節(jié)能效果，但偏離了最佳降速航行點(diǎn)不但在經(jīng)濟(jì)上沒有減少成本的作用，而且導(dǎo)致主機(jī)的最佳工況點(diǎn)偏移，縮短主機(jī)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(jié)合其自身長期從事機(jī)務(wù)管理的工作經(jīng)驗(yàn)，著重分析影響船舶經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)行的各種影響因素。尤其論述了如果通過對(duì)電噴主機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)長期穩(wěn)定的低速運(yùn)行，大幅度達(dá)到節(jié)能減排的效果。

二、電噴主機(jī)低速運(yùn)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(jiān)持發(fā)展與節(jié)能同步、開發(fā)與節(jié)約并舉的指導(dǎo)方針，以節(jié)能新技術(shù)、新工藝的引進(jìn)推廣為重點(diǎn)，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(shè)計(jì)的功率就不高，且隨著船齡的增加早就減速運(yùn)行，進(jìn)一步降速的空間不大。而另10艘SULZER 7RT-FLEX60C型電噴主機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為114轉(zhuǎn)/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(jī)船舶為主要對(duì)象，把降速航行作為減少該組船舶運(yùn)力過剩和運(yùn)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(duì)這10艘船的航行線路的調(diào)研統(tǒng)計(jì)和成本分析，目前確定主機(jī)運(yùn)行在80轉(zhuǎn)/分是比較合理的經(jīng)濟(jì)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(duì)于整個(gè)公司整個(gè)船隊(duì)而言就有可觀的成本效益，同時(shí)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(jī)帶來了一系列的問題，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

一是SULZER 7RT-FLEX60C型電噴型主機(jī)自降速以來，主機(jī)在額定功率的38%左右運(yùn)行，和傳統(tǒng)柴油機(jī)一樣運(yùn)行工況出現(xiàn)惡化，主機(jī)降速航行時(shí)主機(jī)工況偏離設(shè)計(jì)工況甚遠(yuǎn)，各種性能參數(shù)的匹配失調(diào)，導(dǎo)致?lián)Q氣、燃燒、增壓效能以及一系列危及主機(jī)工況正常的問題。長期在此惡劣條件下運(yùn)行，將使主機(jī)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(yán)重事故。

二是減速運(yùn)行半年多時(shí)間船上陸續(xù)報(bào)告主機(jī)離空冷器出口最遠(yuǎn)的NO.1、7缸的掃氣溫度偏高、活塞下部掃氣箱嚴(yán)重臟污，有大量成塊狀的油泥、NO.1、7缸缸套內(nèi)徑超標(biāo)后，船上又報(bào)告NO.1和NO.7缸掃氣箱多次著火。掃氣箱著火對(duì)主機(jī)造成嚴(yán)重危害：輕則降速、停車，嚴(yán)重時(shí)引起缸套裂紋、漏水引起增壓器損壞，甚至對(duì)人員造成傷害。多只缸套在汽缸油注油孔處開裂報(bào)廢，嚴(yán)重的影響船舶的安全航行，增加了大量的機(jī)務(wù)費(fèi)用。

針對(duì)以上急待解決的突出問題，我們經(jīng)過長時(shí)間的跟船調(diào)研和摸索分析，總結(jié)出RT-FLEX60C主機(jī)在設(shè)計(jì)上的不能滿足低速運(yùn)行的以下固有缺陷：

1.噴油提前角過小、排氣閥定時(shí)滯后、低速時(shí)氣缸熱負(fù)荷增加、后燃嚴(yán)重致使廢氣下穿或從掃氣口倒沖進(jìn)入掃氣箱，嚴(yán)重時(shí)造成掃氣箱著火。

2.增壓器運(yùn)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(dòng)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(yīng)量偏多。除造成汽缸油浪費(fèi)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(shí)致使掃氣溫度增加，增加了掃氣箱著火的可能性。

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

5.離空冷器出口最遠(yuǎn)的NO.1、7缸的掃氣溫度偏高、活塞下部掃氣箱嚴(yán)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(biāo)。

三、電噴主機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)改造

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

對(duì)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(jī)功率、航速、燃油消耗率之間的關(guān)系可由如下公式中得出： P1/V13=P2/V23

式中：

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

從上式可以導(dǎo)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(jì)算得知：如果航速降低10%，則主機(jī)功率下降27.1%，燃油消耗量減少19%；如果航速降低20%，則主機(jī)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(jì)航速，節(jié)能效果明顯，同時(shí)二氧化碳和氮化物的排放也大幅降低。

以此理論為基礎(chǔ)，圍繞著怎樣才能最大限度地使船舶主機(jī)滿足減速要求，即在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的的同時(shí)，又要確保主機(jī)的良好可持續(xù)運(yùn)營，我們對(duì)主機(jī)控制系統(tǒng)和部分設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整：

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

1.適當(dāng)提前供油定時(shí)

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

2. 適當(dāng)延后排氣閥關(guān)閉定時(shí)

適當(dāng)延后排氣閥關(guān)閉時(shí)刻，降低掃氣時(shí)氣缸內(nèi)的背壓，減少廢氣倒沖量，同時(shí)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(jī)汽缸油型號(hào)為CLU-3，其汽缸油供油量是隨著主機(jī)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的。主機(jī)降低負(fù)荷時(shí)，汽缸油供應(yīng)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(dá)調(diào)節(jié)整個(gè)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(shè)定為900bar，而且伺服油共軌壓力設(shè)定為200bar。隨著主機(jī)運(yùn)行時(shí)間的加長，伺服油共軌難免有泄漏，同時(shí)相應(yīng)共軌電磁閥也會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作卡阻現(xiàn)象，這將影響噴油定時(shí)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(duì)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(jī)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(fù)荷時(shí)柴油機(jī)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(jī)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(dǎo)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(shí)該主機(jī)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(duì)于離空冷器出口最遠(yuǎn)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(zhì)量是改善NO.1、7缸換氣環(huán)境的關(guān)鍵所在，根據(jù)對(duì)主機(jī)的掃氣箱通道現(xiàn)場勘查，進(jìn)行如下因地制宜的合理改造：

（1） 增壓空氣進(jìn)入掃氣通道的百葉窗出口處鋪設(shè)一段管徑為200mm的導(dǎo)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(hào)空冷器百葉窗后安裝兩塊向NO.7缸方向傾斜15°的導(dǎo)流擋板。

（3） 割除非結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)技術(shù)改造后的效果

通過以上的各種優(yōu)化調(diào)整，主機(jī)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(yán)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(fù)存在，同時(shí)減少了汽缸油的消耗；更重要的是沒有再次發(fā)現(xiàn)燃?xì)獾箾_的現(xiàn)象，徹底解決了同型號(hào)主機(jī)實(shí)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(jī)能工況良好地運(yùn)行在80轉(zhuǎn)/分。對(duì)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(jī)廠WARTSILA 公司表示，他們可以提供在透平前后加裝自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的技術(shù)以提高透平效率或改造增壓器噴嘴環(huán)為自動(dòng)可變的技術(shù)，以改善主機(jī)在低速條件下運(yùn)行狀況，但其所需的改裝費(fèi)用十分昂貴。實(shí)踐證明，我們采取的上述優(yōu)化方案施工簡單、運(yùn)行有效、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值和使用價(jià)值。

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

五、結(jié)束語

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