船用低速柴油机降功率节能改装技术及应用

汪 钰,臧春杰

(1.中船海洋动力技术服务有限公司，上海 200136；2.沪东重机有限公司，上海 200136)

船用低速柴油机降功率节能改装技术及应用

汪 钰1,臧春杰2

(1.中船海洋动力技术服务有限公司，上海 200136；2.沪东重机有限公司，上海 200136)

文章以沪东重机有限公司承接的某型集装箱主机降功率改装项目为依托，通过对目标主机性能分析，动、静态现场勘验，结合新机桨匹配方案，选定新的额定功率点，经过计算机建模，性能仿真设计，通过更换增压器、增加压缩比、更换喷油器等调整方案，制定出目标主机降功率改装方案，并通过改装后的试航调试、试运行，确认改装效果良好。

船用低速柴油机；降功率改装；节能

Abstract:Taking the project of converting the container ship’s main engine by power derating as example，the converting plan was made for the destination host by analysis to the performance of destination host，field inquisition to the dynamic and the static，selection of the power rating combined the matching plan of the new propeller，modeling with computer，simulation design and some adjusting plans for replacing supercharger，increasing reduction ratio and replacing fuel injector。Through debugging on trial trip and testrun，the conversion proved good effects.

Keywords：marine low-speed diesel engine；power derating conversion；energy-saving

近年来，随着全球经济危机的持续发酵，航运业受到了运营成本过高和运力过剩的双重冲击，航运企业普遍采用船舶低速航行策略来应对困局。但是，主机低速运行又是一把双刃剑，在节省燃油消耗的同时，对主机运行性能和使用寿命有较大不利影响，比如低速航行带来的缸套磨损加剧、风机损坏、烟道堵塞等风险，大大增加了主机的维护成本，甚至威胁船舶航行安全。

为解决低速运行带来的种种弊端，沪东重机也提出了不少节能改造方案，如主机降功率、电子注油器改装、选配新型喷油器、停增性能优化改造。其中主机降功率辅以新型喷油器是一种实用且有效的主机节能技术。从全球市场获悉，不少国外船东选择了这种节能技术并付诸实施，效果良好。然而，任何事件都要以辩证的思维去看，在取得节能经济效益的同时，主机的最大额定功率下降了。因此在主机改装后，改装船舶原有的最大航速会有一定的降低。

目标主机(6S60MC MK5)为节省燃油消耗，采用低速(40%)运行方式，导致主机运行性能不佳，造成锅炉、增压器结碳，活塞头结垢等，并寻求主机降功率使用解决方案。

1 主机节能改装技术介绍

1.1喷油器改造技术

针对配置传统喷油器的柴油机，通过应用滑阀式喷油技术，解决了传统喷油器的存油、滴漏问题，消除了柴油机长期低速运转带来的喷孔堵塞的隐患。滑阀式喷油技术有效地应对了柴油机低速运行要求，减少了废气烟道的积碳，降低了燃油消耗。

1.2降功率改造技术

针对降速航行船舶，因为推进动力需求变小，可通过应用降功率改造技术，在原有柴油机配置的基础上进行零部件的局部改造，并进行性能的优化，可以达到在无需更换柴油机的情况下，根据减小的推进动力需求，配置了1台“新”的功率较小的柴油机的目标。

2 降功率改装技术应用

2.1客户需求分析

2.1.1 主机信息

目标改造主机为1996年日本三井生产的MAN B&W 6S60MC MK5 型柴油机(6缸机，缸径600 mm)。其功率为11 680 kW、转速为100 r/min，该功率点设计油耗率172 g/(kW·h)，最高爆发压力14.0 MPa，平均有效压力1.8 MPa。 配置1台NA70/T0726P(最大转速为12 400 r/min)型号增压器。目前主机常用功率点为 5 800 kW、78 r/min，对应的增压器转速为7 000 r/min、扫气压力为0.28～0.285 MPa。

该主机安装在一条单机单桨的球艏型集装箱船，由于航运市场低迷，贸易量急剧下降，所以船东对于航速要求大幅度降低，迫切希望降速降功率航运以减少运营成本。

2.1.2 改装要求

1) 为了节约成本，经过螺旋桨厂家对船体阻力的计算，其建议将原来螺旋桨(4叶，螺距5 873 mm、直径6 750 mm)改为4叶新桨(螺距5 500 mm、直径6 600 mm)。

2) 改装后，主机在运行期间(78 r/min左右)，辅助风机不必运转，主机气缸排气温度控制在370 ℃以下，同时废气还能满足日常的蒸汽需求(900 kg/h)。

2.2改装方案制定

2.2.1 新额定功率选择

根据螺旋桨生产厂家提供的新螺旋桨推进功率与主机功率的匹配关系，可以得到主机的轻桨推进特性线，再考虑重桨推进特性因素，获得主机推进特性，如图1所示。

图1 主机推进特性

在降负荷选择区域内，选择最低的功率点作为新的SMCR点，对应的海况裕度，主机裕度和SMCR点数据见表1。

2.2.2 性能参数设计

表1 主机新的SMCR点

确定了柴油机新的额定功率点(7 000 kW、89r/min)后，为获得良好的配机性能，需要重新设计主机特性参数：主机压缩比和增压技术数据。新额定功率下，预估的技术参数见表2。

表2 新的SMCR点技术数据

2.3油耗评估

根据图2所示目标主机改装前后油耗特性图，可列出相应的改装前后燃油油耗率对比数据，具体数据见表3。由表3知，改装后的燃油消耗率比改装前在全负荷范围内下降了2.23%～3.35%。

图2 目标主机改装前后油耗率特性图

表3 目标主机改装前后燃油油耗率对比

1)相同输出功率条件下，改造前功率点5 759 kW/79 r/min，燃油消耗率为179.5 g/(kW·h)，24 h油耗24.8 t；改造后功率点5 759 kW/83.4 r/min，燃油消耗率为171.6 g/(kW·h)，24 h油耗23.7 t ；每天可以节省燃油0.7 t，改造后油耗降低了4.4%。

2)相同航速条件下，主机转速为79 r/min时，改造前所需功率5 759 kW，燃油消耗率为179.5 g/(kW·h)，24 h油耗为24.8 t；改造后所需功率4 895 kW，燃油消耗率为171.6 g/(kW·h)，24 h油耗为20.3 t ；每天可以节省燃油4.5 t，改造后油耗降低了18.3%。

2.4主机静、动态评估

为制定详细改造方案，策划主机静态、动态现场勘测方案，并组织服务工程师分步实施。

1)主机静态评估。根据检查方案，对主机关键零部件进行了全面检查，包括活塞头、缸套、存气垫片尺寸检查；活塞头在缸套中的位置检查；原始增压器NA70/T0726P本体尺寸及安装尺寸复核；并确认更换增压器后相关接口尺寸是否需要调整。

2)主机动态评估。组织服务工程师以跟航方式，获取柴油机运行性能参数，并根据该柴油机平台实验数据绘制功率评估曲线，在此基础上通过增压器转速、油门齿条格数，螺旋桨推进特性和柴油机负荷图3种方式评估柴油机输出功率。见表4。

表4 主机动态评估数据

通过对表4设计重桨情形下的油耗与平台实验的油耗比较，可以看出所选择的耗油量还是比较合理的。另外，由于无法评估油泵泄露对齿条读数的影响，且由于油泵柱塞、套筒的磨损引起船上的燃油泄露量将大于台架值，所以将导致油门齿条评估方法评估的功率偏大，综合考虑目前柴油机的状况，我们认为基于增压器转速评估方法评估并计算的油耗比较接近实际情况，即221.1 g/(kW·h)将作为改造前的油耗值。

2.5现场施工及试航

2.5.1 增压器更换

主机原增压器NA70/T0726P不能满足使用要求，需更换为新型的TPL73-B12增压器，更换方案设计需要遵循以下原则。

1) 需满足原有增压器可复装的要求。

2) 增压器与排气集管、空冷器、废气出口的连接管设计需要遵循原设计。

3) 需要考虑气流稳定性和增压器负载。

改装前后状态对比见图3。

图3 增压器前后废气温度

2.5.2 燃烧室容积调整

根据预设计以及计算机仿真、分析计算，为满足主机性能要求，主机压缩比需由改装前的 18.5 增加到 20.8。具体改装方案是通过更换主机活塞杆下方安装的存气垫片方式来减小燃烧室容积。即将改装前 20 mm存气垫片更换成 37 mm 存气垫片。

设计更换存气垫片需要考虑以下2点。

1) 拆下原存气垫片，测量其外围6点厚度尺寸，确认公差在0.01 mm 以内,确定其两平面平行度良好。

2) 主机设计上，导向衬套与十字头销为过盈配合，过盈量为0.02 mm ，无法正常取出。需要设计导向衬套取出工艺。

2.5.3 滑阀式喷油器更换

主机原先使用的传统喷油器需要更换成滑阀式喷油器，这种设计可以减少存油容积，提高喷射性能、雾化效果，改善燃烧状况，达到节油效果。

1) 滑阀式喷油器选型。考虑日本三井经常改动专利设计，我们通过现场测绘，结合专利设计，最终完成喷油器选型。

2) 缸盖喷油器孔扩孔。由于喷油器喷嘴型号变大，现场安装时，对缸盖喷油器孔人工扩孔，由D12改为D14，设计了一套导向装置和专用刀具，用电钻带动刀具实现缸盖扩孔，并通过实验验证了其可行性。

2.6试航及调试

完成零部件改造后，在船舶标准设计压载状态下进行试航，并调整柴油机性能，使其各项性能参数尽可能靠近设计状态，以获得较好的燃油经济性。实船调试容易受到海况环境的影响，发动机转速以非螺旋桨特性对应输出功率，稳定性也不如台架。实船调试主要是进行增压器匹配验证试验和爆发压力的调整，经数据测量和爆发压力调整后，确认扫气压力和排气温度符合设计要求。调整后实测性能数据见表5。

表5 主机试航实测性能数据

2.6.1 主机性能数据

在试航期间，我们通过PMI气缸压力测试设备测量了主机缸内压力和计算出了输出轴功率，并且记录了各项压力数值，将这些实际运行的数值绘制成主机性能图，并与设计值进行比较，具体见图4。

从图4可以看出柴油机的扫气压力、压缩压力的性能值与设计的基本相符，爆压相对偏离较大。针对该问题，我公司通过分析数据，发现油泵的VIT(可变喷油正时)机构失灵，直接导致爆压无法得到有效调整，所以建议船东今后整体维修油泵，恢复VIT的功能，可以进一步优化主机数据和降低油耗。

图4 柴油机缸压及扫气压力分布

2.6.2 船舶油耗的改善

1)试航记录数据。在主机性能优化调整后，我们测量、记录了主机在常用转速度点(78 r/min)使用重油情况下的燃油消耗情况。

根据表5记录数值，通过分析、计算可知该船主机燃油油耗为21.2 t/d，而改装前船东提供的主机燃油消耗为25.9 t/d，改装前较改装后燃油消耗降幅达到了18% 。考虑到海况、风向、船舶吃水等因素会影响油耗的测量，今后还需要船东通过多航次的测量来综合评估柴油机改装的节油效果。

2)试运行数据。经3个月的运营验证，目前柴油机在更低航速下运行时，排气温度大幅下降，扫气压力明显改善，节油效果良好，整体改造达到了预期目标。改造前主机转速78 r/min时，船舶航速14.5 kn，日耗油量25.9 t；改造以后，主机转速不变的情况下，航速降低到13.9 kn，日耗油量20.2 t，按该船年运行260 d，燃油4 000 元/吨计算，年油费节省592.8万元。如果航速降低到75 r/min，航速进一步降低到13.7 kn，日耗油量仅有18.2 t，年油费节省达800.8万元。

从结果可以看出，通过柴油机降功率并匹配轻桨等改造后，柴油机可以满足船舶在更低航速下航行的需求，能有效降低船舶运营成本。

2.7改装后轴系扭振、主机排放测量、遥控系统设定

考虑到降功率改造将影响原有的轴系扭振，我们通过理论推算和实船测量的方式确定了主机新的转速禁区。另外，还根据法规要求，实船测量主机的排放，为我们下一步争取获取排放证书奠定了基础。设定负荷程序、设定共振转速。

3 结束语

本文以沪东重机有限公司承接的主机降功率改装项目为依托，以公司长期制造柴油机累计实践经验为基础，通过设计更换增压器、调整压缩比、更换喷油器，制定了一种主机降功率改装方案。并通过现场零部件改装、试航、调试验证了方案设计的可行性，完成了国内首条船的主机降功率改装项目。经过一年的试运行，并通过船东航行记录数据证实：主机运行正常，取得了非常好的节油效果，改装项目达到了预期的目标。

启事《中国修船》征稿启事

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《中国修船》编辑部

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.009

汪钰(1983-)，男，河南开封人，工程师，学士，主要从事船舶轮机工程工作。

2017-06-20