MC輪發(fā)電柴油機(jī)排氣溫度高的原因分析及改進(jìn)措施

摘 要：船舶發(fā)電柴油機(jī)為全船用電設(shè)備提供正常營(yíng)運(yùn)生產(chǎn)所需要的電能，其工作時(shí)容易發(fā)生排氣溫度升高現(xiàn)象，易引起一系列故障，從而影響發(fā)電柴油機(jī)的使用壽命和船舶安全。本文從影響排溫的幾大因素出發(fā)，排查出MC輪發(fā)電柴油機(jī)排溫升高的原因，進(jìn)一步分析噴嘴環(huán)沖蝕的原因，并提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：發(fā)電柴油機(jī)；排氣溫度；噴嘴環(huán)；催化劑顆粒；自沖濾器

1 概 述

船舶發(fā)電柴油機(jī)的排氣溫度在一定程度上反映了缸內(nèi)負(fù)荷的大小與燃燒質(zhì)量的好壞，通常用來(lái)衡量柴油機(jī)熱負(fù)荷的大小，是柴油機(jī)運(yùn)行管理中需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的參數(shù)，也是柴油機(jī)性能參數(shù)分析的重要依據(jù)。排氣溫度過(guò)高，不僅嚴(yán)重影響柴油機(jī)的可靠性和安全性，而且還會(huì)降低柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

MC輪是我司1 100 TEU系列集裝箱船之一，其發(fā)電柴油機(jī)型號(hào)為MAN 7L16/24，額定功率770 kW，額定轉(zhuǎn)速1 200 rpm，等壓增壓，增壓器為MAN-TCR14/41036。在接船后，副機(jī)使用至6 000 h左右，排氣溫度明顯上升，最高升了約65 ℃，其中一臺(tái)副機(jī)的排溫?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2 排溫高原因分析

正常的排氣溫度取決于柴油機(jī)正常的燃燒。正常燃燒的基本條件是一定數(shù)量的燃油，在霧化良好的狀態(tài)下和足夠的空氣良好地混合，在燃燒室內(nèi)完全燃燒。任何不滿(mǎn)足這些條件的因素，均會(huì)造成排溫過(guò)高。因此，影響排氣溫度過(guò)高的原因，主要是由燃油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)造成的。下面就幾個(gè)主要方面加以分析：

1）燃油質(zhì)量差

燃油質(zhì)量是影響整機(jī)排氣溫度的重要因素，若燃油質(zhì)量不能滿(mǎn)足霧化要求，則會(huì)引起燃油霧化不良，燃燒惡化，排氣溫度升高。

該輪的發(fā)電柴油機(jī)與主機(jī)共用一個(gè)燃油供油單元，由于是新船，自動(dòng)化功能強(qiáng)，燃油黏度能穩(wěn)定控制在12Cst，進(jìn)機(jī)溫度在130 ℃左右，完全滿(mǎn)足良好霧化要求。對(duì)多批次燃油油樣進(jìn)行化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足ISO 8217：2010“船用殘?jiān)剂嫌图夹g(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)”。對(duì)燃油進(jìn)機(jī)前細(xì)濾器進(jìn)行了拆檢，濾器也無(wú)旁通現(xiàn)象，濾芯完好。因此，首先排除了由于進(jìn)入燃燒室的燃油質(zhì)量差，燃燒質(zhì)量惡化，而造成排氣溫度升高的原因。

2）供油及換氣定時(shí)異常

（1）供油定時(shí)滯后

如供油提前角過(guò)小，因著火前活塞開(kāi)始下行，燃燒室空間增大導(dǎo)致溫度和壓力已下降，錯(cuò)過(guò)了最佳燃燒點(diǎn)，燃油不能及時(shí)燃燒，導(dǎo)致爆壓降低，后燃增加，排氣溫度上升。

（2）換氣定時(shí)提前

如排氣閥提前打開(kāi)，氣缸內(nèi)還沒(méi)有完全燃燒，充分膨脹的燃?xì)饩瓦^(guò)早進(jìn)入排氣管，產(chǎn)生后燃。

按7L16/24柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，進(jìn)、排氣定時(shí)和噴油定時(shí)不能進(jìn)行單缸調(diào)整，只能通過(guò)進(jìn)排氣凸輪軸和高壓油泵凸輪軸進(jìn)行總調(diào)，檢查傳動(dòng)齒輪上的定位標(biāo)記，確認(rèn)定時(shí)沒(méi)有變化。用專(zhuān)用工具對(duì)各缸高壓油泵的升程進(jìn)行測(cè)量，與出廠記錄一致。拆開(kāi)高壓油泵的漏泄油管進(jìn)行檢查，也沒(méi)有明顯漏油。檢查進(jìn)排氣凸輪、噴油凸輪，以及進(jìn)、排氣頂桿，未見(jiàn)異常；各缸氣閥間隙檢查，均符合說(shuō)明書(shū)要求。因此，排除供油及換氣定時(shí)異常的原因。

（3）空冷器方面的原因

空冷器的傳熱主要是以對(duì)流、導(dǎo)熱的形式對(duì)來(lái)自增壓器的增壓空氣進(jìn)行冷卻?？绽淦骺諝鈧?cè)如堵塞，會(huì)造成阻力增大，進(jìn)氣總管的空氣壓力下降，進(jìn)氣量減少，造成排溫升高。淡水冷卻效果不好或空冷器空氣進(jìn)、出口旁通，會(huì)使進(jìn)氣總管空氣溫度升高，密度下降，也會(huì)造成排氣溫度升高。

對(duì)空冷器進(jìn)行了全面拆洗，拆洗前后，進(jìn)氣溫度、壓力沒(méi)有明顯變化，排溫也沒(méi)有變化。這說(shuō)明排溫高也不是由于空冷器臟堵或空氣旁通造成的。

（4）廢氣渦輪增壓器方面的原因

增壓器空氣濾網(wǎng)、壓氣機(jī)葉輪、擴(kuò)壓器通道等太臟，噴嘴環(huán)、軸氣封、工作葉輪等污染，工作葉片變形損傷，這些因素均可使增壓器效率變低，增壓壓力下降，引起發(fā)電柴油機(jī)整體排氣溫度升高。

通過(guò)上述檢查后，我們初步判斷是增壓器的問(wèn)題，聯(lián)系廠商對(duì)增壓器進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)噴嘴環(huán)導(dǎo)向葉片根部?jī)?nèi)側(cè)有明顯的沖蝕磨損（見(jiàn)圖1），其他沒(méi)有異常。換新噴嘴環(huán)（見(jiàn)圖2），排溫恢復(fù)正常。換新噴嘴環(huán)后的排溫見(jiàn)表2。

由此可以斷定，該發(fā)電柴油機(jī)排溫升高的原因是噴嘴環(huán)葉片沖蝕磨損，致使噴嘴環(huán)的流通面積增大，排氣流速降低，造成了增壓器效率大大降低。

3 噴嘴環(huán)導(dǎo)向葉片沖蝕磨損原因分析

1）高溫燃?xì)庵蓄w粒物的高速?zèng)_擊

MC輪發(fā)電柴油機(jī)現(xiàn)與主機(jī)一樣使用380Cst船用殘?jiān)剂嫌汀４萌剂嫌褪窃徒?jīng)常壓蒸餾、真空蒸餾后加催化劑分解、裂化的產(chǎn)物，因此燃料油中不但含有石油本身的雜質(zhì)，還含有煉化催化劑顆粒（REFINERY CATALYST FINES，簡(jiǎn)稱(chēng)CAT-FINES），其主要成分是鋁和硅，一般以氧化鋁Al2O3和氧化硅SiO2的形式存在，尺寸一般在5～50 μm，按照ISO 8217：2010“船用殘?jiān)剂嫌图夹g(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，燃油內(nèi)的可允許最大催化劑顆粒含量為60 ppm。CAT-FINES不僅會(huì)造成高壓油泵、油頭和缸套的磨料磨損，而且燃燒后仍然以非常堅(jiān)硬的耐磨顆粒的形式存在。

噴嘴環(huán)導(dǎo)向葉片形成的通道從進(jìn)口到出口呈收縮狀，具有一定壓力和溫度的廢氣經(jīng)過(guò)噴嘴環(huán)導(dǎo)向葉片，在噴嘴環(huán)導(dǎo)向葉片收縮的流道中加速，溫度和壓力下降，速度升高，部分壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使得流出噴嘴環(huán)后的廢氣速度更高。這種高速氣流作用在渦輪葉片上，帶動(dòng)增壓器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。夾雜在排氣中的顆粒物到達(dá)噴嘴環(huán)出口處時(shí)，速度很高，且顆粒最集中，這些顆粒物在離心力的作用下對(duì)導(dǎo)向葉片的根部?jī)?nèi)側(cè)（廢氣離心運(yùn)動(dòng)的外圓）產(chǎn)生嚴(yán)重的撞擊、沖刷，導(dǎo)致噴嘴環(huán)導(dǎo)向葉片根部產(chǎn)生沖蝕磨損，直到顆粒重量和尺寸減到足夠小，才能隨排氣排出增壓器。

2）排放等級(jí)要求提高后對(duì)柴油機(jī)排溫影響

據(jù)國(guó)際海事組織2008年修訂的MARPOL公約附則Ⅵ《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》（MEPC.176（58）決議）的第13條及《船用柴油機(jī)氮氧化物排放控制技術(shù)規(guī)則》（MEPC.177（58）決議），2011年以后出廠的柴油機(jī)排放等級(jí)已從TierⅠ提高到TierⅡ，為降低氮氧化物的排放量，柴油機(jī)制造商采取了噴油定時(shí)延后等措施，致使后燃加重，進(jìn)入增壓器的燃?xì)鉁囟壬?，排氣燃燒后生成的結(jié)晶物增多，使得增壓器噴嘴環(huán)產(chǎn)生沖蝕磨損的可能性加大。

3）噴嘴環(huán)的材質(zhì)及加工工藝

雖說(shuō)排氣中的顆粒物是造成噴嘴環(huán)產(chǎn)生沖蝕磨損的主要原因，但現(xiàn)代柴油機(jī)使用重油是柴油機(jī)專(zhuān)利方、生產(chǎn)方、使用者等訂協(xié)議予以肯定的，因此建議廠家從噴嘴環(huán)材質(zhì)、表面硬度和加工工藝等方面查找噴嘴環(huán)產(chǎn)生早期沖蝕磨損的原因。

4 改進(jìn)措施

MC輪發(fā)電柴油機(jī)排氣溫度出現(xiàn)升高后，姊妹船的發(fā)電柴油機(jī)也先后出現(xiàn)同類(lèi)故障。為徹底解決解決問(wèn)題，經(jīng)咨詢(xún)專(zhuān)利方、柴油機(jī)制造商，結(jié)合在使用中的經(jīng)驗(yàn)，決定采取以下措施：

1）加裝10 μm自沖濾器

由于燃油中催化劑顆粒的存在，不僅造成噴嘴環(huán)沖蝕磨損，還會(huì)夾在缸套和活塞環(huán)之間成為磨料，甚至可能嵌入缸套表面加劇磨損，還可能導(dǎo)致高壓油泵和油頭磨損，降低噴嘴環(huán)、缸套、活塞環(huán)、高壓油泵和油頭的使用壽命。參考GEA WESTFIALIA分油機(jī)技術(shù)資料，如果能將CAT-FINES的濃度降低至5 ppm以下，磨料顆粒直徑小于3 μm，柴油機(jī)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的使用就有了保障。燃油經(jīng)分油機(jī)良好分離后CAT-FINES的濃度可降低至15 ppm，供油單元燃油自沖濾器為25 μm，進(jìn)機(jī)燃油細(xì)濾器為25 μm，可見(jiàn)，15 ppm遠(yuǎn)大于5 ppm，25 μm遠(yuǎn)大于3 μm，因此需采取措施降低CAT-FINES的濃度，減小CAT-FINES顆粒物的尺寸。

為降低發(fā)電柴油機(jī)的故障率，根據(jù)MAN公司服務(wù)通函（SL2016.615）的建議，對(duì)副機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在副機(jī)燃油進(jìn)口支管前安裝絕對(duì)精度為10 μm（名義精度為6 μm）的波勒DN65自動(dòng)反沖洗濾器（見(jiàn)圖3），把過(guò)濾精度提高至10 μm，可將95%直徑大于10 μm的CAT-FINES顆粒物有效過(guò)濾掉。由于濾器過(guò)濾精度的提高，使燃油中的雜質(zhì)、淤渣的含量大幅度較少，改善了燃油的燃燒，使燃燒室積炭和排氣中的顆粒物減少，從而保護(hù)了柴油機(jī)油頭、高壓油泵、噴嘴環(huán)等部件出現(xiàn)早期磨損。

2）改進(jìn)優(yōu)化渦輪端干洗工具，定期干洗

為改善副機(jī)燃燒狀況，按說(shuō)明書(shū)要求，需每天對(duì)增壓器渦輪端進(jìn)行干洗，但實(shí)際操作中，由于原廠提供的渦輪端干洗工具（見(jiàn)圖4）的空氣進(jìn)口閥為DN25球閥。在沖洗時(shí)很難控制球閥開(kāi)度，開(kāi)度過(guò)小，無(wú)法進(jìn)行沖洗；開(kāi)度過(guò)大，增壓器極易出現(xiàn)喘振，增壓器轉(zhuǎn)速瞬間急劇下降，因此船員不敢進(jìn)行沖洗操作。為能進(jìn)行正常沖洗，對(duì)增壓器渦輪端干洗設(shè)備進(jìn)行改造，現(xiàn)將球閥改為DN25的針閥，開(kāi)度控制更方便（見(jiàn)圖5）。

3）加強(qiáng)燃油的凈化處理

CAT-FINES是親水性的，比重比較大，多聚集在油柜底部，定期對(duì)燃油沉淀、日用柜放殘可清除部分CAT-FINES；加強(qiáng)燃油分油機(jī)的管理，分離溫度不低于98 ℃，盡量降低燃油分油機(jī)的分離量，分油機(jī)的分離量只要能滿(mǎn)足主、副機(jī)使用量即可，但不大于最大分離量的15%，必要時(shí)采取2臺(tái)燃油分油機(jī)并聯(lián)使用。

4）避免發(fā)電柴油機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行

發(fā)電柴油機(jī)使用重油時(shí)盡可能不在低負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行，減少燃燒殘?jiān)漠a(chǎn)生。在低于20%MCR負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，由于排氣管和進(jìn)氣管、燃燒室和增壓器臟污，隨時(shí)都可能導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)惡化。為了防止柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步惡化，使用重油在負(fù)荷低于20%MCR狀態(tài)下運(yùn)行一段時(shí)間后，采取轉(zhuǎn)換使用輕油，或用不少于15 m的時(shí)間將柴油機(jī)負(fù)荷逐步提高到70%MCR并保持運(yùn)行一段時(shí)間，充分改善其運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)法改變現(xiàn)有燃油標(biāo)準(zhǔn)的情況下，一方面在燃油進(jìn)機(jī)前加裝10μm的自動(dòng)反沖洗濾器（據(jù)測(cè)算，大約一年左右的時(shí)間即可收回加裝自沖濾器的投資成本），對(duì)柴油機(jī)能起到很好的保護(hù)作用，大大延長(zhǎng)了噴油器、高壓油泵、缸套及增壓器噴嘴環(huán)等核心備件的使用壽命；另一方面，改變沖洗控制閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)模式由球閥閥芯改為針閥閥芯，方便操作沖洗，使廢氣渦輪端清洗效果明顯改善。采取以上2項(xiàng)改進(jìn)措施，及加強(qiáng)管理后，能保證柴油機(jī)安全、高效、可靠運(yùn)行，效果很明顯。發(fā)電柴油機(jī)排溫一直保持正常，運(yùn)行至12 000 h左右拆檢增壓器，噴嘴環(huán)的沖蝕磨損明顯改善，確保了發(fā)電柴油機(jī)的安全運(yùn)行。發(fā)電柴油機(jī)噴油器使用壽命也由原來(lái)的2 000 h延長(zhǎng)到6 000 h。

參考文獻(xiàn)

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[4] GEA Westfalia Separator CatFineMaster， Westfalia Separator Mineral oil systems from GEA.

作者簡(jiǎn)介：

石擁軍，高級(jí)輪機(jī)長(zhǎng)，（E-mail）shiyj@jjshipping.cn，13817511708