船舶柴油機節能減排技術

曹用順

（中國石油集團海洋工程有限公司船舶事業部，天津 300451）

船舶柴油機節能減排技術

曹用順

（中國石油集團海洋工程有限公司船舶事業部，天津 300451）

有效地控制好燃油消耗，將對船舶的經濟性、環保性產生重大影響。文章介紹了船舶柴油機節能減排的幾項技術措施：采用經濟航速，降低燃油消耗；采用兩級渦輪機增壓，提高柴油機的效率；采用VTA渦輪增壓技術，提高燃料燃燒的效率；使用共軌燃油噴射技術改進燃油噴射系統，提高柴油機功率，降低油耗。這些措施已在實際中應用，取得了良好的效果。

燃油；船舶柴油機；節能減排；技術措施

隨著燃油價格上漲及環保意識的加強，船舶的節能減排越來越受到人們的關注，因此有效地控制好燃油消耗將對船舶的經濟性、環保性產生重大影響，本文從船舶事業部船舶柴油機節能減排的角度出發，結合實際，從幾個方面探討船舶柴油機節能減排的有效措施。

1 船舶航行采用經濟航速

經濟航速是指利用燃油消耗量與航行速度的線性比例關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系到燃油消耗，是經濟和技術的綜合反映。

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

圖1 燃油與航速關系

從圖1可以看出，采用經濟航速，節能效果明顯。但是為了保證柴油機的正常運轉，避免主機長時間低負荷運轉，從而偏離設計工況太多，使增壓掃氣不足，產生燃燒惡化、運動部件磨損加劇等情況，比較理想的結合點應為航速降低10%左右。

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

表1 船舶在額定航速下與經濟航速下耗油量對比

從表1可知船舶采用經濟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，由于工作緊急，風浪大，任務艱巨，中油海281船基本上保持24 h備車狀態，通過上述標準計算，每年僅中油海281一條船可為船舶事業部節省大約1 460 t輕質燃油，如果船舶事業部所有船舶均采用經濟航速，那么每年可以為船舶事業部節省達上千萬元。按國家環保標準制訂的技術標準估算，二氧化碳、二氧化硫、煙塵的排放量也將大大降低，很好地達到了節能減排的效果，實現了國家、公司雙贏。

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

2.1 兩級渦輪增壓

以往的柴油機采用的是一級渦輪增壓技術，其產生的壓力相對較低，使壓縮進汽缸的空氣量有限，汽缸中的燃料不能充分燃燒。這不僅浪費了大量的燃料，也使柴油機的廢氣排放量偏高。瓦錫蘭集團和MAN柴油機公司都成功開發出新型的渦輪增壓技術，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。

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

式中ge——燃油消耗率；

Gt——柴油機每小時的耗油量/kg；

Ne——功率/kW。

這也就是說采用兩級渦輪增壓技術，在提高余熱利用率的同時使燃油消耗率降低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

渦輪增壓柴油機的最大優點是可實現小排量、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速高低，在柴油機低負荷和低速運行下，渦輪增壓器不能以最大的效率工作，因而壓縮至汽缸內的空氣量有限，不能使燃料充分燃燒。這是傳統渦輪增壓技術的嚴重缺陷。MAN柴油機 （Variable Turbine Area）渦輪增壓技術即VTA，有效地解決了這一問題。VTA技術使得柴油機處在任何負荷和速度運行時，都能根據燃油的噴入量自動、持續、精確地匹配壓縮空氣的進入量，解決了傳統渦輪增壓器只能在事先設定的發動機負荷點實現最大效率的問題。這大大提高了燃料燃燒的效率，節約了燃油，大幅削減了碳氫化合物、二氧化碳、煤煙的排放量。據測算，其燃油節約量為4 g/kW·h，以船舶事業部8000HP船舶為例，如果采用VTA技術，8000HP船舶每小時可節省大約27 kg燃油，據資料顯示全世界所有船舶的發動機都使用VTA技術，那么每年將減少排放約790萬t二氧化碳。MAN柴油機公司已經成功地將VTA技術應用到大型渦輪增壓器上，該渦輪增壓器將安裝在燃燒重質燃油的大型柴油機上。大連船用柴油機有限公司生產的6S50ME-B型柴油機和上海中船三井造船柴油機有限公司生產的SK80ME-C型柴油機，都將安裝采用VTA技術的高效廢氣渦輪增壓器。

3 使用共軌燃油噴射技術改進燃油噴射系統

為了節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鍵。目前有一種燃燒室燃油噴入量控制技術——電控共軌噴射技術。該技術的工作系統由高壓油泵、公共噴油管、噴油器、電控單元 （ECU）和管道傳感器組成，見圖3。與傳統燃油噴射系統相比，外觀結構上省去了凸輪軸、各缸獨立高壓油泵，省去了電子伺服調速器，省去了燃油泵齒條，共軌燃油噴射系統 （燃油、伺服）壓力靠高壓油泵上電控執行器控制，采用共軌技術 （燃油共軌、伺服油共軌），只需要設置少量的共用的2、3個齒輪驅動高壓油泵，兩個齒輪驅動伺服油泵。具體的工作原理為：在電控單元的控制下，高壓油泵產生的高壓將燃油送入公共油管，然后經公共油管進入高壓油管，最后，在噴油器的作用下，將燃油噴入燃燒室。使用該技術可以明顯提高柴油機功率和降低油耗，減少氧化氮排放。船舶事業部5000 HP以上船舶輔機基本上采用了電控共軌技術，主機還在進一步的改進之中。

傳感器是電控共軌系統獲取柴油機上工作狀況的主要途徑，在電控燃油系統中，通過各種傳感器檢測出發動機的實際運行狀態，控制柴油機共軌燃油系統的基本傳感器包括：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。

在電控共軌系統中，為了準確測量共軌內的壓力，需要在共軌上安裝壓力傳感器，傳感器損壞將會造成控制系統誤動作，必須保證各個傳感器的清潔和保養，尤其是在惡劣狀況下工作的傳感器，應予以特別關注。

電控共軌系統的市場潛力很大，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，而且都已裝船營運,在國內，目前中波公司率先購置裝備共軌式電控燃油噴射系統，隨后宜昌船舶柴油機廠、大連船用柴油機廠、上海滬東重機股份有限公司也于近年相繼引進了國外電控共軌燃油噴射設備及其柴油機的制造技術，但到目前為止，作為大型船舶柴油機燃燒控制部分的核心技術仍然掌握在一些發達國家手中。

4 結束語

在節能工作實踐中，船舶事業部構建了新型的節能管理模式，將技術節能方法與現代管理學理論有機結合起來，技術節能措施與管理節能措施雙管齊下，不僅增加了節能管理的科技含量與可持續性，也使中國石油海洋工程有限公司的節能管理工作上升到一個新水平。

結合中國石油海洋工程有限公司生產經營需求與目標，船舶事業部以經濟航速與經營管理為切入點，建立了完善的績效指標考核體系，建立長期積累與跟蹤動態調整機制，通過一系列的配套制度的制訂與實施，明確了技術節能與管理節能之間的目標與責任，實現了節能減排和生產經營的科學統一。

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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年畢業于集美大學輪機工程學院，現從事船舶技術工作。

2011-08-10