船舶柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)

曹用順

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司船舶事業(yè)部，天津 300451）

船舶柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)

曹用順

（中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司船舶事業(yè)部，天津 300451）

有效地控制好燃油消耗，將對船舶的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性產(chǎn)生重大影響。文章介紹了船舶柴油機(jī)節(jié)能減排的幾項(xiàng)技術(shù)措施：采用經(jīng)濟(jì)航速，降低燃油消耗；采用兩級渦輪機(jī)增壓，提高柴油機(jī)的效率；采用VTA渦輪增壓技術(shù)，提高燃料燃燒的效率；使用共軌燃油噴射技術(shù)改進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)，提高柴油機(jī)功率，降低油耗。這些措施已在實(shí)際中應(yīng)用，取得了良好的效果。

燃油；船舶柴油機(jī)；節(jié)能減排；技術(shù)措施

隨著燃油價(jià)格上漲及環(huán)保意識的加強(qiáng)，船舶的節(jié)能減排越來越受到人們的關(guān)注，因此有效地控制好燃油消耗將對船舶的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性產(chǎn)生重大影響，本文從船舶事業(yè)部船舶柴油機(jī)節(jié)能減排的角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際，從幾個(gè)方面探討船舶柴油機(jī)節(jié)能減排的有效措施。

1 船舶航行采用經(jīng)濟(jì)航速

經(jīng)濟(jì)航速是指利用燃油消耗量與航行速度的線性比例關(guān)系來確定的船舶最佳航行速度，合理的航行速度可以降低燃油消耗。船舶航行速度直接關(guān)系到燃油消耗，是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的綜合反映。

船舶在航行的過程中應(yīng)根據(jù)任務(wù)的輕重緩急，選用合理的航行速度。如果任務(wù)允許，適當(dāng)降低航速，可以明顯地降低燃油消耗量。若航速降低10%，則主機(jī)功率下降27．1%，燃油消耗量減少19%；若航速降低20%，則主機(jī)功率下降48．8%，燃油消耗量減少36%，如圖1所示。

圖1 燃油與航速關(guān)系

從圖1可以看出，采用經(jīng)濟(jì)航速，節(jié)能效果明顯。但是為了保證柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免主機(jī)長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而偏離設(shè)計(jì)工況太多，使增壓掃氣不足，產(chǎn)生燃燒惡化、運(yùn)動(dòng)部件磨損加劇等情況，比較理想的結(jié)合點(diǎn)應(yīng)為航速降低10%左右。

下面以船舶事業(yè)部幾艘船舶為例，對相同航程（100 n）額定航速下與經(jīng)濟(jì)航速下燃油消耗量進(jìn)行分析比較，見表1。

表1 船舶在額定航速下與經(jīng)濟(jì)航速下耗油量對比

從表1可知船舶采用經(jīng)濟(jì)航速燃油單耗大幅降低。

中油海281船常年工作于南海北部灣及大亞灣地區(qū)，由于工作緊急，風(fēng)浪大，任務(wù)艱巨，中油海281船基本上保持24 h備車狀態(tài)，通過上述標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，每年僅中油海281一條船可為船舶事業(yè)部節(jié)省大約1 460 t輕質(zhì)燃油，如果船舶事業(yè)部所有船舶均采用經(jīng)濟(jì)航速，那么每年可以為船舶事業(yè)部節(jié)省達(dá)上千萬元。按國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)制訂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)估算，二氧化碳、二氧化硫、煙塵的排放量也將大大降低，很好地達(dá)到了節(jié)能減排的效果，實(shí)現(xiàn)了國家、公司雙贏。

2 采用兩級渦輪增壓及VTA(Variable Turbine Area）渦輪增壓技術(shù)

2.1 兩級渦輪增壓

以往的柴油機(jī)采用的是一級渦輪增壓技術(shù)，其產(chǎn)生的壓力相對較低，使壓縮進(jìn)汽缸的空氣量有限，汽缸中的燃料不能充分燃燒。這不僅浪費(fèi)了大量的燃料，也使柴油機(jī)的廢氣排放量偏高。瓦錫蘭集團(tuán)和MAN柴油機(jī)公司都成功開發(fā)出新型的渦輪增壓技術(shù)，通過使用兩級渦輪增壓器來增大壓力，增加汽缸中的空氣量，解決一級渦輪增壓器壓力不足的問題。

兩級渦輪增壓系統(tǒng)是由兩個(gè)大小不同的渦輪增壓器串聯(lián)組成。其工作原理是：利用船舶柴油機(jī)工作產(chǎn)生的廢氣的能量，驅(qū)動(dòng)體積較小、增壓度較高的渦輪增壓器 （第一級），然后再驅(qū)動(dòng)體積較大的、增壓度較低的渦輪增壓器 （第二級）。低壓比渦輪增壓器的壓縮機(jī)將周圍的空氣壓縮，然后經(jīng)過一個(gè)直接相連的冷卻器，將壓縮后的空氣傳送到高壓比渦輪增壓器的壓縮機(jī)中；在此之前被壓縮過的空氣再次被壓縮，再經(jīng)過一個(gè)空氣冷卻器，傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。經(jīng)過兩次壓縮，可以大大增加進(jìn)入汽缸的空氣量，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料燃燒更充分，大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和功率密度，并大幅減少有害氣體的排放量。該技術(shù)能大幅提高柴油機(jī)的效率，輸出功率和功率密度能夠提升近10%。根據(jù)公式：

式中g(shù)e——燃油消耗率；

Gt——柴油機(jī)每小時(shí)的耗油量/kg；

Ne——功率/kW。

這也就是說采用兩級渦輪增壓技術(shù)，在提高余熱利用率的同時(shí)使燃油消耗率降低10%。圖2為一級、二級渦輪增壓器。

2.2 VTA(Variable Turbine Area）渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓柴油機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)小排量、高功率、大扭矩，尤其是其扭矩輸出增加明顯。但由于渦輪介入程度取決于轉(zhuǎn)速高低，在柴油機(jī)低負(fù)荷和低速運(yùn)行下，渦輪增壓器不能以最大的效率工作，因而壓縮至汽缸內(nèi)的空氣量有限，不能使燃料充分燃燒。這是傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)的嚴(yán)重缺陷。MAN柴油機(jī) （Variable Turbine Area）渦輪增壓技術(shù)即VTA，有效地解決了這一問題。VTA技術(shù)使得柴油機(jī)處在任何負(fù)荷和速度運(yùn)行時(shí)，都能根據(jù)燃油的噴入量自動(dòng)、持續(xù)、精確地匹配壓縮空氣的進(jìn)入量，解決了傳統(tǒng)渦輪增壓器只能在事先設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大效率的問題。這大大提高了燃料燃燒的效率，節(jié)約了燃油，大幅削減了碳?xì)浠衔?、二氧化碳、煤煙的排放量。?jù)測算，其燃油節(jié)約量為4 g/kW·h，以船舶事業(yè)部8000HP船舶為例，如果采用VTA技術(shù)，8000HP船舶每小時(shí)可節(jié)省大約27 kg燃油，據(jù)資料顯示全世界所有船舶的發(fā)動(dòng)機(jī)都使用VTA技術(shù)，那么每年將減少排放約790萬t二氧化碳。MAN柴油機(jī)公司已經(jīng)成功地將VTA技術(shù)應(yīng)用到大型渦輪增壓器上，該渦輪增壓器將安裝在燃燒重質(zhì)燃油的大型柴油機(jī)上。大連船用柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的6S50ME-B型柴油機(jī)和上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的SK80ME-C型柴油機(jī)，都將安裝采用VTA技術(shù)的高效廢氣渦輪增壓器。

3 使用共軌燃油噴射技術(shù)改進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)

為了節(jié)省燃油和使燃油在燃燒室中能夠充分燃燒，控制噴入燃燒室的燃油量是關(guān)鍵。目前有一種燃燒室燃油噴入量控制技術(shù)——電控共軌噴射技術(shù)。該技術(shù)的工作系統(tǒng)由高壓油泵、公共噴油管、噴油器、電控單元 （ECU）和管道傳感器組成，見圖3。與傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)相比，外觀結(jié)構(gòu)上省去了凸輪軸、各缸獨(dú)立高壓油泵，省去了電子伺服調(diào)速器，省去了燃油泵齒條，共軌燃油噴射系統(tǒng) （燃油、伺服）壓力靠高壓油泵上電控執(zhí)行器控制，采用共軌技術(shù) （燃油共軌、伺服油共軌），只需要設(shè)置少量的共用的2、3個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)高壓油泵，兩個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)伺服油泵。具體的工作原理為：在電控單元的控制下，高壓油泵產(chǎn)生的高壓將燃油送入公共油管，然后經(jīng)公共油管進(jìn)入高壓油管，最后，在噴油器的作用下，將燃油噴入燃燒室。使用該技術(shù)可以明顯提高柴油機(jī)功率和降低油耗，減少氧化氮排放。船舶事業(yè)部5000 HP以上船舶輔機(jī)基本上采用了電控共軌技術(shù)，主機(jī)還在進(jìn)一步的改進(jìn)之中。

傳感器是電控共軌系統(tǒng)獲取柴油機(jī)上工作狀況的主要途徑，在電控燃油系統(tǒng)中，通過各種傳感器檢測出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，控制柴油機(jī)共軌燃油系統(tǒng)的基本傳感器包括：共軌壓力傳感器、氣流量傳感器、增壓壓力傳感器、水溫傳感器、燃油溫度傳感器、曲軸角度傳感器、油門位置傳感器等。

在電控共軌系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確測量共軌內(nèi)的壓力，需要在共軌上安裝壓力傳感器，傳感器損壞將會(huì)造成控制系統(tǒng)誤動(dòng)作，必須保證各個(gè)傳感器的清潔和保養(yǎng)，尤其是在惡劣狀況下工作的傳感器，應(yīng)予以特別關(guān)注。

電控共軌系統(tǒng)的市場潛力很大，目前，Wartaila和MAN-B&W兩大公司相繼推出船用大缸徑低速二沖程電控柴油機(jī)，而且都已裝船營運(yùn),在國內(nèi)，目前中波公司率先購置裝備共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)，隨后宜昌船舶柴油機(jī)廠、大連船用柴油機(jī)廠、上海滬東重機(jī)股份有限公司也于近年相繼引進(jìn)了國外電控共軌燃油噴射設(shè)備及其柴油機(jī)的制造技術(shù)，但到目前為止，作為大型船舶柴油機(jī)燃燒控制部分的核心技術(shù)仍然掌握在一些發(fā)達(dá)國家手中。

4 結(jié)束語

在節(jié)能工作實(shí)踐中，船舶事業(yè)部構(gòu)建了新型的節(jié)能管理模式，將技術(shù)節(jié)能方法與現(xiàn)代管理學(xué)理論有機(jī)結(jié)合起來，技術(shù)節(jié)能措施與管理節(jié)能措施雙管齊下，不僅增加了節(jié)能管理的科技含量與可持續(xù)性，也使中國石油海洋工程有限公司的節(jié)能管理工作上升到一個(gè)新水平。

結(jié)合中國石油海洋工程有限公司生產(chǎn)經(jīng)營需求與目標(biāo)，船舶事業(yè)部以經(jīng)濟(jì)航速與經(jīng)營管理為切入點(diǎn)，建立了完善的績效指標(biāo)考核體系，建立長期積累與跟蹤動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，通過一系列的配套制度的制訂與實(shí)施，明確了技術(shù)節(jié)能與管理節(jié)能之間的目標(biāo)與責(zé)任，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和生產(chǎn)經(jīng)營的科學(xué)統(tǒng)一。

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Several Techniques of Energy Saving and Emission Reduction for Marine Diesel Engine

CAO Yong-shun（Ship Division of China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China）

It has a great influence on economy and environmental protection of ships to effectively control fuel consumption.Several related measures for marine diesel engine are introduced in this paper,including （1）adopting economical ship speed to reduce fuel consumption; （2） adopting two-stage turbocharging to boost diesel engine efficiency;（3） applying VTA turbocharging to raise fuel combustion rate;（4） applying common rail fuel injection to improve fuel injection system,increase diesel machine power and reduce fuel consumption.These measures have been applied in practice and have got good results.

fuel;marine diesel engine;energy saving and emission reduction;technical measure

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0091－03

曹用順 （1986-），男，2008年畢業(yè)于集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，現(xiàn)從事船舶技術(shù)工作。

2011-08-10