某超老齡船用發電柴油機提高輸出功率的措施

竇天君

摘要：超老齡船用發電柴油機隨著使用年限的增加，大多表現為排煙溫度高、不能重載運行，運行工況逐漸惡化，嚴重影響船舶營運的安全性和經濟性。本文以某超老齡船用發電柴油機為例，利用故障因素排查法對柴油機掃氣系統、燃油系統進行逐項排查，找出根本原因并進行適當的改裝后，發電柴油機輸出功率明顯提高。

關鍵詞：發電柴油機;排煙溫度高;增壓器;功率提高

0? 引言

某輪1994年下水，配備YANMAR M200L型發電柴油機3臺，額定功率450kW，標定轉速720r/min，增壓器型號VTR160。經過25年的使用該發電柴油機工況不佳，排煙溫度長時間保持在許用溫度的上限，經常導致排氣閥燒蝕、增壓器喘振等故障。

1? 故障現象

最近兩年以來，該輪三臺發電機最大可用功率僅為額定輸出功率的40%（約180kW/臺），平均排煙溫度超過400℃，在對三臺發電機均進行常規吊缸保養后，工況依然未能得到改善，這就導致了航行中需要雙機并車運行，長時間的低負荷運轉導致工況惡化趨勢加快，經濟性及安全性較低。

2? 故障分析

據筆者了解，該輪3臺發電機在常規吊缸保養期間，更換了進排氣閥桿及閥座、活塞頭、活塞環、各缸噴油嘴，檢查了進氣總管及排氣總管，均未發現異常，由此可以推斷導致發電柴油機平均排煙溫度高、輸出功率降低的原因不在燃燒室本身的硬件上，而是在于其外圍因素。引起發電柴油機排煙溫度高的外圍因素主要有以下兩點：①燃油供給及噴射;②掃氣壓力及掃氣溫度。

2.1 針對燃油供給及噴射

對供油油品、高壓油泵、噴油定時三方面進行檢查及調整。該輪發電柴油機近十年一直使用IFO80cSt油品，查閱最近五年的副機日志發現在相同負載情況下，排煙溫度沒有因為燃油批次的不同而發生明顯的變化，反而呈現為隨著時間的推移而逐漸惡化的趨勢，這可以排除由于不同批次油品問題導致工況變差的可能性;查閱檢修記錄，各缸高壓油泵柱塞偶件及噴油嘴使用時間均在說明書要求的范圍之內，隨機抽取一只缸拆檢高壓油泵及噴油器，并將柱塞偶件、出油閥及噴油嘴換新后試車，相同負載下該缸排煙溫度無明顯變化且與其他缸排煙溫度偏差較小;檢查三臺發電柴油機所有缸的噴油定時，發現個別缸噴油定時有輕微變化，但都在說明書允許的范圍之內，為了保險起見，將有變化的噴油定時調整至出廠數值后開車試驗，在相同負載情況下排煙溫度無明顯變化。由此可以判斷，燃油供給及噴射方面不是導致該柴油機排煙溫度高，輸出功率降低的主要因素。

2.2 針對掃氣壓力和掃氣溫度

查閱歷史記錄發現，在相近的工作環境及負載情況，掃氣溫度基本保持不變，掃氣壓力成逐漸下降的趨勢，但是下降趨勢非常不明顯，橫向對比五年前后的參數在同等負載下其掃氣壓力下降絕對值約為0.4Bar左右，測取各缸的示功圖并對比，最大壓縮壓力及爆壓各缸平均，這就能排出進排氣閥泄漏的可能。

綜合以上兩點說明掃氣壓力降低是引起整機排煙溫度高、不能重載運行的主要原因。引起掃氣壓力降低的原因有進氣總管堵塞、空冷器堵塞、增壓器故障等。在此之前，三臺發電柴油機增壓器拆檢并將轉子送廠檢驗，均未發現明顯異常;進氣總管在吊缸保養時也檢查過，未見異常;筆者將排查重點放在了空冷器上，拆檢空冷器并進行化學清洗，氣面散熱片校正，氣道疏通，裝機試車工況依然未得到明顯改善，至此故障的原因基本可以鎖定為增壓器掃氣效率低、供氣量不足。

由于船舶正處在營運之中，三臺增壓器整體拆檢進廠檢修需要耽誤船期，且耗資巨大，為了節約成本決定船員自行拆檢增壓器查找故障原因（增壓器剖面如圖1）。

拆檢發現增壓器轉子運轉靈活，轉子、噴嘴環及增壓器內部清潔無明顯磨損及積碳，僅表面覆蓋輕微煙灰，至此排出了因為增壓器內部臟污引起的掃氣壓力低的可能性。檢查噴嘴環及轉子無異常燒蝕及損傷后清潔裝復，按照說明書要求測量了相關數據（如表1）。

表1中的K值、L值及M值是增壓器拆檢及安裝中的三個重要數據，其中K值能直觀的說明軸承橫向位置是否正確。L值及M值能直觀的表明壓氣端葉片與進氣蝸殼的間隙是否符合要求，若其值較小，在增壓器運轉過程中壓氣端葉片有擦碰蝸殼的危險;若其值偏大，則掃氣效率降低。從表1中數據可以看出L值及M值均已達到或者輕微超過最大允許值，從而引起增壓器掃氣壓力降低。至此故障的原因基本鎖定為增壓器L值及M值過大，引起掃氣壓力降低，進而導致該原動機工況逐漸惡化、輸出功率逐年降低。

為什么L值及M值會接近極限數據呢？仔細檢查了該臺增壓器固定支架、蝸殼及進氣道，發現進氣道近壓氣葉片處及壓氣葉片背部本體平面有輕微的吹蝕痕跡（如圖2），其表現為平面的緩慢氣蝕的特征，筆者認為經過25年的使用，該增壓器已經達到壽命極限，為正常的磨損損耗。

3? 故障排除

該臺增壓器已經達到壽命極限，需要整體換新。但是考慮到該型號增壓器已經停產多年，市場供應奇缺且價格昂貴，同時該輪已經有25年的船齡，整條船舶已經到使用壽命的末期，更換三臺主發電柴油機增壓器其時間成本及經濟壓力都非常大。筆者考慮能否充分利用現有條件，以最小的成本換取良好的設備工況，且能滿足船舶的日常使用。L值及M值的增大是一個漸變且無法逆轉的過程，在無法改變L、M值的情況下，我們能否提高增壓器的轉速，以彌補因L、M值增大引起的掃氣損失呢？減小噴嘴環的口徑能提高增壓器的轉速，但這種方法是一把雙刃劍，噴嘴環口徑過小會導致增壓器超速、喘振等事故;口徑過大則會導致增壓器轉速降低，掃氣效率變差。受增壓器最大允許轉速及喘振的限制，在不引起喘振的情況下適當減小噴嘴環口徑，必然會導致該發電柴油機額定功率降低。該船發電柴油機已經使用25年，各部件已有不同程度的老化現象，已不允許在額定功率下運行，所以適當減少噴嘴環口徑以提高掃氣壓力的方案是可行的，只是需要考慮增壓器允許最大轉速及在常用功率范圍內增壓器是否會喘振。

由于船上無專業的增壓器測試及噴嘴環口徑計算設備，筆者只能根據經驗，采用枚舉法選配不同口徑的噴嘴環裝機并在常用功率范圍內進行試驗，以選出最佳口徑。該型號增壓器原配為口徑34.5mm的噴嘴環，筆者先后選取了口徑為29.3mm、30.55mm、31.5mm、32mm、33mm的噴嘴環進行裝機試驗，經過多次的拆裝并運行試驗，最終確定31.5mm為最佳噴嘴環口徑，采用該口徑噴嘴環后在常用功率范圍內增壓器轉速不超過許用最大轉速，無喘振現象，同等負載下掃氣壓力提高0.3Bar左右，最大輸出功率提升至310kW（提升率約70%），在整個可用輸出功率范圍內排溫平均降低約60℃、各缸示功圖正常，船舶定速航行期間單臺使用，經濟性及安全性都得到了顯著提高。

4? 總結

超老齡船舶由于設備老化已經處于視情維修階段，維修的主要目的由保持設計工況轉變為維持正常運轉、改善工況、延長使用壽命并保持較好的經濟性。由于航運蕭條，部分超老齡船舶依舊處于正常營運中，超老齡船舶所使用設備大部分已停產或者換代，備件短缺及備件昂貴是常態，這對于超老齡船舶輪機管理人員來說，充分利用現有條件換一個思路解決問題，或許會有更好的效果。

參考文獻：

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