小缸径低速柴油机加装EcoEGR系统设计与布置

陈婷婷， 黄秋云， 王 耀， 杨泽滨， 左小明

(中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715)

0 引 言

《国际防止船舶造成污染公约》(《MARPOL公约》)附则Ⅵ要求如下：

(1)Tier Ⅰ阶段。对于2000年1月1日—2010年12月31日建造的船舶，其发动机需要满足氮氧化物(NOx)排放量(按NO2总加权排放量计算)的要求[1]，如表1所示。

表1 Tier Ⅰ阶段对应的NOx排放值

(2)Tier Ⅱ阶段。对于2011年1月1日或以后建造的船舶，其发动机需要满足NOx排放量(按NO2总加权排放量计算)的要求[1]，如表2所示。

表2 Tier Ⅱ阶段对应的NOx排放值

(3)Tier Ⅲ阶段。对于2016年1月1日或以后建造的船舶，其发动机需要在NOx北美排放控制区域(Emission Control Area，ECA)内满足NOx排放量(按NO2总加权排放量计算)的要求[1]，如表3所示。对于北欧ECA内的Tier Ⅲ阶段排放，则是针对2021年1月1日或以后建造的船舶。

表3 Tier Ⅲ阶段对应的NOx排放值

主要针对某型火车滚装船小缸径低速柴油机加装经济型废气再循环(Economical Exhaust Gas Recirculation，EcoEGR)系统进行原理分析及实船应用论述。

1 小缸径低速柴油机加装EcoEGR系统

项目EcoEGR系统主要包括氢氧化钠储存柜(加装高低液位报警装置，与机舱监测报警系统相连，低液位控制信号在主机停用EcoEGR系统时使用)、氢氧化钠泵组(泵组运行受收集柜单元(Receiving Tank Unit，RTU)出口pH值控制，在pH值低于6.5时启动加药)、主机的EGR单元(EGR冷却器、水雾捕集器(Water Mist Catcher，WMC))和RTU储存罐、循环泵、EGR缓冲柜、水处理系统(Water Treatment System，WTS)(加装质量分数为0.001 5%的船用油分浓度计、三通转换阀)、EGR泄放舱(加装高液位报警装置，与机舱监测报警系统相连，高液位控制信号在主机停用EcoEGR系统时使用)、EGR废渣舱(加装高液位报警装置，与机舱监测报警系统相连)。

1.1 主机EcoEGR系统

主机在Tier Ⅱ或Tier Ⅲ模式下运行时，质量分数为50%或35%的氢氧化钠溶液通过氢氧化钠泵组从氢氧化钠储存柜中抽出，混合一定比例淡水，输送至主机参与再循环废气的处理。经处理的废液如满足再循环要求，RTU将其输送回主机氢氧化钠喷射口处再循环，不满足则输送回EGR缓冲柜，进一步至WTS中处理。由WTS分离的废渣排至EGR废渣舱，分离的废水如满足质量分数为0.001 5%的相关要求则排至舷外，不满足则通过三通转换阀控制循环输送回EGR缓冲柜。在EGR缓冲柜液位已满时，废液靠重力溢流至EGR泄放舱中储存。EGR泄放舱的废液和EGR废渣舱的废渣可通过耐腐蚀的油渣泵排至岸上。如后续该型船加装重油系统和脱硫塔，则EGR泄放舱的废液可经过脱硫塔的WTS处理并达到质量分数为0.001 5%的相关要求后排至舷外。

项目采用2台主机，其EcoEGR系统管路与单台EcoEGR系统较为相似，主要区别：左右氢氧化钠泵组分别从同一个氢氧化钠储存柜中抽取氢氧化钠溶液，泵送至各自关联的主机；从各主机RTU出来的废液单独回至共用的EGR缓冲柜中。主机EcoEGR系统如图1所示。

图1 主机EcoEGR系统

1.2 主机EcoEGR系统机内管路

主机EcoEGR系统机内管路如图2所示。在主机控制系统收到Tier Ⅲ模式运行指令时，EcoEGR系统投入运行，截止阀(Shut-Off Valve，SOV)和EGR鼓风机节流阀(Blower Throttle Valve，BTV)打开。排气总管的废气经SOV与氢氧化钠溶液预喷至EGR单元中，经历第二次氢氧化钠溶液喷射，进一步净化去除油灰、硫分等，形成相对干净的废气，再经冷却器进行冷却，经WMC进一步处理。离开EGR单元的废气经EGR鼓风机加压，与来自涡轮增压器的新鲜空气成比例充分混合送至扫气箱中(箱中装备检测O2体积分数的传感器探头)。在气缸进气阀打开时，混合的新旧气体被带入活塞上部区域。在活塞上部产生燃烧反应时，混合空气的O2体积分数(16%～18%)比常规新鲜空气的O2体积分数(21%)低，再加上燃烧温度降低，导致在气缸中还原气体生成氧化物质较少，因此NOx的排放体积分数降低，达到Tier Ⅲ阶段的NOx排放控制要求。新鲜空气在从涡轮增压器中加压输送至扫气箱冷却器进行冷却的过程中，增加1套气缸旁通阀(Cylinder Bypass Valve，CBV)，该阀门的作用：系统不需要的部分新鲜空气可通过其旁通回至排气总管中。与常规主机排气系统对比，EcoEGR系统在废气进入涡轮增压器的管路上增加废气旁通阀(Exhaust Gas Bypass Valve，EGBV)，该阀门的作用：在涡轮增压器不需要过多废气驱动时，可通过EGBV及管路旁通回至涡轮增压器出口处，再排至大气中。O2传感器的功能：来自扫气箱的混合空气通过管路输送至氧气分析箱的3个O2检测器中分别分析O2体积分数值，并作出对比，两两之间的检测值差不能大于0.3%，此时的O2体积分数才是系统显示的数值。若O2体积分数检测出现问题，则EcoEGR系统不能运行。

图2 主机EcoEGR系统机内管路

在主机控制系统收到Tier Ⅱ模式运行指令时，EcoEGR系统机内管路与Tier Ⅲ模式较为相似，主要区别：再循环废气的O2体积分数和控制系统不同。在Tier Ⅱ模式下的EcoEGR系统中，再循环废气的O2体积分数为18%～20%(10%～15%的废气再循环至扫气箱中)，高于Tier Ⅲ模式下EcoEGR系统的16%～18%(35%～45%的废气再循环至扫气箱中)。两者控制系统的区别：各控制阀的开启/开度控制状态不同，如表4所示。

表4 Tier Ⅱ模式与Tier Ⅲ模式对应的控制阀状态

1.3 应急转换

循环废气的O2体积分数较低，加上控制系统调整，使Tier Ⅲ模式下的EcoEGR系统的SFOC比Tier Ⅱ模式下的EGR系统的SFOC低2～4 g/(kW·h)。

在EcoEGR系统失效时，主机由Tier Ⅲ模式或Tier Ⅱ模式自动转换为Tier Ⅱ模式下的低效率运行方式，属于应急工况下的运行。

2 实船布置

某型火车滚装船的EcoEGR系统设备布置如图3所示：1套共用的氢氧化钠储存柜和1套共用的EGR缓冲柜(材质均为不锈钢316L)布置在机舱中间平台处，位于船中线上。2套氢氧化钠泵组布置在机舱底层、船中方向；2台加装EcoEGR系统的主机布置在机舱底层，参照船中线对称布置；1套共用的WTS(具备高/低硫油处理功能)布置在机舱底层的分油机间内；1个6.85 m3的EGR废渣舱(碳钢特涂)布置在WTS下方，方便WTS的分离机直接排渣；1个7.79 m3的EGR泄放舱(碳钢特涂)布置在机舱双层底内。

图3 某型火车滚装船EcoEGR系统设备布置

EGR缓冲柜和氢氧化钠储存柜须布置在比氢氧化钠泵组高的地方，以保证氢氧化钠泵组吸口为正压状态，并须保持管路具有一定斜度，以便介质中的气泡可及时逸出。EGR缓冲柜的布置须比EGR泄放舱高，以便EGR缓冲柜的介质可仅依靠重力溢流至EGR泄放舱。但EGR缓冲柜的布置高度须考虑主机RTU的排出压头能力，不得高于RTU。氢氧化钠管路布置应尽可能避免出现存水弯；如不可避免，建议在存水弯处增加泄放口，以用于在系统不工作时泄放腐蚀介质，并应具有泄放过程中的防腐蚀措施。WTS应布置在EGR废渣舱上方，WTS分离的废渣可通过垂直管路泄放至EGR废渣舱中。鉴于氢氧化钠为腐蚀性化学物质，EGR缓冲柜、氢氧化钠储存柜等与其接触的结构舱柜、管路、阀门、泄放盘等均须采用不锈钢材质，结构舱柜可选用碳钢加特涂方案。项目管路垫片选用特氟龙材质，以满足防腐蚀要求。压力管路应选用Ⅰ级管，并应尽可能选用对焊型式，以减少可能的泄漏。项目在氢氧化钠储存柜附近设置1套洗眼器，以满足规范对化学品布置的要求。

由于EcoEGR系统对氢氧化钠溶液具有使用温度要求，再加上氢氧化钠溶液本身具有储存温度要求，因此在氢氧化钠储存柜中设置电加热器，以保证氢氧化钠溶液温度维持在20 ℃以上。

3 Tier Ⅲ阶段取证

主机项目获取Tier Ⅲ阶段排放证书，一般有2种方案：A.由主机厂在工厂试验过程中直接申请Tier Ⅲ阶段排放证书；B.主机厂在工厂试验中获取主机排放的柴油机国际防止空气污染证书(Engine International Air Pollution Prevention Certificate，EIAPP)，再由船厂在航行试验过程中试验并取得Tier Ⅲ阶段排放证书。对于船厂来说，A方案较为方便，风险较小，船厂只需要负责将设备安装、连接到位，并在后期复核参数指标即可；B方案存在不确定性，若第一次试航未能满足取证要求，将会面临第二次试航风险和增加工时及修改工作量等。

针对A方案，在试验前需要用标定气瓶校准相关检测设备并进行泄漏检查；在柴油机排气管上确定废气取样点并安装相关取样管，待柴油机运转稳定，按试验程序调整柴油机转速和负荷值，通过排放分析仪进行柴油机废气排放测试和数据记录。试验结束，相关船舶检验机构将对应的分析数据上传至系统中进行复核。若审查通过，则可获取主机的Tier Ⅲ阶段排放证书。取证报验工作不仅可与柴油机台架试验一起联合执行，而且可分开测试。

4 结 语

随着《MARPOL公约》NOx排放限制要求和限制区域越来越广，越来越多船舶的废气系统具备Tier Ⅲ阶段处理能力。某型火车滚装船选用小缸径低速柴油机加装EcoEGR系统，是船舶所有人、设计院、船厂和曼恩(MAN)公司勇于创新的一种尝试。主要论述EcoEGR系统的原理、实船应用等信息，为今后小缸径低速柴油机加装EcoEGR系统的设计、建造等提供相关支持和借鉴。