小缸徑低速柴油機(jī)加裝EcoEGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置

陳婷婷， 黃秋云， 王 耀， 楊澤濱， 左小明

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

《國(guó)際防止船舶造成污染公約》(《MARPOL公約》)附則Ⅵ要求如下：

(1)Tier Ⅰ階段。對(duì)于2000年1月1日—2010年12月31日建造的船舶，其發(fā)動(dòng)機(jī)需要滿足氮氧化物(NOx)排放量(按NO2總加權(quán)排放量計(jì)算)的要求[1]，如表1所示。

表1 Tier Ⅰ階段對(duì)應(yīng)的NOx排放值

(2)Tier Ⅱ階段。對(duì)于2011年1月1日或以后建造的船舶，其發(fā)動(dòng)機(jī)需要滿足NOx排放量(按NO2總加權(quán)排放量計(jì)算)的要求[1]，如表2所示。

表2 Tier Ⅱ階段對(duì)應(yīng)的NOx排放值

(3)Tier Ⅲ階段。對(duì)于2016年1月1日或以后建造的船舶，其發(fā)動(dòng)機(jī)需要在NOx北美排放控制區(qū)域(Emission Control Area，ECA)內(nèi)滿足NOx排放量(按NO2總加權(quán)排放量計(jì)算)的要求[1]，如表3所示。對(duì)于北歐ECA內(nèi)的Tier Ⅲ階段排放，則是針對(duì)2021年1月1日或以后建造的船舶。

表3 Tier Ⅲ階段對(duì)應(yīng)的NOx排放值

主要針對(duì)某型火車滾裝船小缸徑低速柴油機(jī)加裝經(jīng)濟(jì)型廢氣再循環(huán)(Economical Exhaust Gas Recirculation，EcoEGR)系統(tǒng)進(jìn)行原理分析及實(shí)船應(yīng)用論述。

1 小缸徑低速柴油機(jī)加裝EcoEGR系統(tǒng)

項(xiàng)目EcoEGR系統(tǒng)主要包括氫氧化鈉儲(chǔ)存柜(加裝高低液位報(bào)警裝置，與機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)相連，低液位控制信號(hào)在主機(jī)停用EcoEGR系統(tǒng)時(shí)使用)、氫氧化鈉泵組(泵組運(yùn)行受收集柜單元(Receiving Tank Unit，RTU)出口pH值控制，在pH值低于6.5時(shí)啟動(dòng)加藥)、主機(jī)的EGR單元(EGR冷卻器、水霧捕集器(Water Mist Catcher，WMC))和RTU儲(chǔ)存罐、循環(huán)泵、EGR緩沖柜、水處理系統(tǒng)(Water Treatment System，WTS)(加裝質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%的船用油分濃度計(jì)、三通轉(zhuǎn)換閥)、EGR泄放艙(加裝高液位報(bào)警裝置，與機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)相連，高液位控制信號(hào)在主機(jī)停用EcoEGR系統(tǒng)時(shí)使用)、EGR廢渣艙(加裝高液位報(bào)警裝置，與機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)相連)。

1.1 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)

主機(jī)在Tier Ⅱ或Tier Ⅲ模式下運(yùn)行時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%或35%的氫氧化鈉溶液通過氫氧化鈉泵組從氫氧化鈉儲(chǔ)存柜中抽出，混合一定比例淡水，輸送至主機(jī)參與再循環(huán)廢氣的處理。經(jīng)處理的廢液如滿足再循環(huán)要求，RTU將其輸送回主機(jī)氫氧化鈉噴射口處再循環(huán)，不滿足則輸送回EGR緩沖柜，進(jìn)一步至WTS中處理。由WTS分離的廢渣排至EGR廢渣艙，分離的廢水如滿足質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%的相關(guān)要求則排至舷外，不滿足則通過三通轉(zhuǎn)換閥控制循環(huán)輸送回EGR緩沖柜。在EGR緩沖柜液位已滿時(shí)，廢液靠重力溢流至EGR泄放艙中儲(chǔ)存。EGR泄放艙的廢液和EGR廢渣艙的廢渣可通過耐腐蝕的油渣泵排至岸上。如后續(xù)該型船加裝重油系統(tǒng)和脫硫塔，則EGR泄放艙的廢液可經(jīng)過脫硫塔的WTS處理并達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%的相關(guān)要求后排至舷外。

項(xiàng)目采用2臺(tái)主機(jī)，其EcoEGR系統(tǒng)管路與單臺(tái)EcoEGR系統(tǒng)較為相似，主要區(qū)別：左右氫氧化鈉泵組分別從同一個(gè)氫氧化鈉儲(chǔ)存柜中抽取氫氧化鈉溶液，泵送至各自關(guān)聯(lián)的主機(jī)；從各主機(jī)RTU出來的廢液?jiǎn)为?dú)回至共用的EGR緩沖柜中。主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)

1.2 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路

主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路如圖2所示。在主機(jī)控制系統(tǒng)收到Tier Ⅲ模式運(yùn)行指令時(shí)，EcoEGR系統(tǒng)投入運(yùn)行，截止閥(Shut-Off Valve，SOV)和EGR鼓風(fēng)機(jī)節(jié)流閥(Blower Throttle Valve，BTV)打開。排氣總管的廢氣經(jīng)SOV與氫氧化鈉溶液預(yù)噴至EGR單元中，經(jīng)歷第二次氫氧化鈉溶液噴射，進(jìn)一步凈化去除油灰、硫分等，形成相對(duì)干凈的廢氣，再經(jīng)冷卻器進(jìn)行冷卻，經(jīng)WMC進(jìn)一步處理。離開EGR單元的廢氣經(jīng)EGR鼓風(fēng)機(jī)加壓，與來自渦輪增壓器的新鮮空氣成比例充分混合送至掃氣箱中(箱中裝備檢測(cè)O2體積分?jǐn)?shù)的傳感器探頭)。在氣缸進(jìn)氣閥打開時(shí)，混合的新舊氣體被帶入活塞上部區(qū)域。在活塞上部產(chǎn)生燃燒反應(yīng)時(shí)，混合空氣的O2體積分?jǐn)?shù)(16%～18%)比常規(guī)新鮮空氣的O2體積分?jǐn)?shù)(21%)低，再加上燃燒溫度降低，導(dǎo)致在氣缸中還原氣體生成氧化物質(zhì)較少，因此NOx的排放體積分?jǐn)?shù)降低，達(dá)到Tier Ⅲ階段的NOx排放控制要求。新鮮空氣在從渦輪增壓器中加壓輸送至掃氣箱冷卻器進(jìn)行冷卻的過程中，增加1套氣缸旁通閥(Cylinder Bypass Valve，CBV)，該閥門的作用：系統(tǒng)不需要的部分新鮮空氣可通過其旁通回至排氣總管中。與常規(guī)主機(jī)排氣系統(tǒng)對(duì)比，EcoEGR系統(tǒng)在廢氣進(jìn)入渦輪增壓器的管路上增加廢氣旁通閥(Exhaust Gas Bypass Valve，EGBV)，該閥門的作用：在渦輪增壓器不需要過多廢氣驅(qū)動(dòng)時(shí)，可通過EGBV及管路旁通回至渦輪增壓器出口處，再排至大氣中。O2傳感器的功能：來自掃氣箱的混合空氣通過管路輸送至氧氣分析箱的3個(gè)O2檢測(cè)器中分別分析O2體積分?jǐn)?shù)值，并作出對(duì)比，兩兩之間的檢測(cè)值差不能大于0.3%，此時(shí)的O2體積分?jǐn)?shù)才是系統(tǒng)顯示的數(shù)值。若O2體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)出現(xiàn)問題，則EcoEGR系統(tǒng)不能運(yùn)行。

圖2 主機(jī)EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路

在主機(jī)控制系統(tǒng)收到Tier Ⅱ模式運(yùn)行指令時(shí)，EcoEGR系統(tǒng)機(jī)內(nèi)管路與Tier Ⅲ模式較為相似，主要區(qū)別：再循環(huán)廢氣的O2體積分?jǐn)?shù)和控制系統(tǒng)不同。在Tier Ⅱ模式下的EcoEGR系統(tǒng)中，再循環(huán)廢氣的O2體積分?jǐn)?shù)為18%～20%(10%～15%的廢氣再循環(huán)至掃氣箱中)，高于Tier Ⅲ模式下EcoEGR系統(tǒng)的16%～18%(35%～45%的廢氣再循環(huán)至掃氣箱中)。兩者控制系統(tǒng)的區(qū)別：各控制閥的開啟/開度控制狀態(tài)不同，如表4所示。

表4 Tier Ⅱ模式與Tier Ⅲ模式對(duì)應(yīng)的控制閥狀態(tài)

1.3 應(yīng)急轉(zhuǎn)換

循環(huán)廢氣的O2體積分?jǐn)?shù)較低，加上控制系統(tǒng)調(diào)整，使Tier Ⅲ模式下的EcoEGR系統(tǒng)的SFOC比Tier Ⅱ模式下的EGR系統(tǒng)的SFOC低2～4 g/(kW·h)。

在EcoEGR系統(tǒng)失效時(shí)，主機(jī)由Tier Ⅲ模式或Tier Ⅱ模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為Tier Ⅱ模式下的低效率運(yùn)行方式，屬于應(yīng)急工況下的運(yùn)行。

2 實(shí)船布置

某型火車滾裝船的EcoEGR系統(tǒng)設(shè)備布置如圖3所示：1套共用的氫氧化鈉儲(chǔ)存柜和1套共用的EGR緩沖柜(材質(zhì)均為不銹鋼316L)布置在機(jī)艙中間平臺(tái)處，位于船中線上。2套氫氧化鈉泵組布置在機(jī)艙底層、船中方向；2臺(tái)加裝EcoEGR系統(tǒng)的主機(jī)布置在機(jī)艙底層，參照船中線對(duì)稱布置；1套共用的WTS(具備高/低硫油處理功能)布置在機(jī)艙底層的分油機(jī)間內(nèi)；1個(gè)6.85 m3的EGR廢渣艙(碳鋼特涂)布置在WTS下方，方便WTS的分離機(jī)直接排渣；1個(gè)7.79 m3的EGR泄放艙(碳鋼特涂)布置在機(jī)艙雙層底內(nèi)。

圖3 某型火車滾裝船EcoEGR系統(tǒng)設(shè)備布置

EGR緩沖柜和氫氧化鈉儲(chǔ)存柜須布置在比氫氧化鈉泵組高的地方，以保證氫氧化鈉泵組吸口為正壓狀態(tài)，并須保持管路具有一定斜度，以便介質(zhì)中的氣泡可及時(shí)逸出。EGR緩沖柜的布置須比EGR泄放艙高，以便EGR緩沖柜的介質(zhì)可僅依靠重力溢流至EGR泄放艙。但EGR緩沖柜的布置高度須考慮主機(jī)RTU的排出壓頭能力，不得高于RTU。氫氧化鈉管路布置應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)存水彎；如不可避免，建議在存水彎處增加泄放口，以用于在系統(tǒng)不工作時(shí)泄放腐蝕介質(zhì)，并應(yīng)具有泄放過程中的防腐蝕措施。WTS應(yīng)布置在EGR廢渣艙上方，WTS分離的廢渣可通過垂直管路泄放至EGR廢渣艙中。鑒于氫氧化鈉為腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，EGR緩沖柜、氫氧化鈉儲(chǔ)存柜等與其接觸的結(jié)構(gòu)艙柜、管路、閥門、泄放盤等均須采用不銹鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)艙柜可選用碳鋼加特涂方案。項(xiàng)目管路墊片選用特氟龍材質(zhì)，以滿足防腐蝕要求。壓力管路應(yīng)選用Ⅰ級(jí)管，并應(yīng)盡可能選用對(duì)焊型式，以減少可能的泄漏。項(xiàng)目在氫氧化鈉儲(chǔ)存柜附近設(shè)置1套洗眼器，以滿足規(guī)范對(duì)化學(xué)品布置的要求。

由于EcoEGR系統(tǒng)對(duì)氫氧化鈉溶液具有使用溫度要求，再加上氫氧化鈉溶液本身具有儲(chǔ)存溫度要求，因此在氫氧化鈉儲(chǔ)存柜中設(shè)置電加熱器，以保證氫氧化鈉溶液溫度維持在20 ℃以上。

3 Tier Ⅲ階段取證

主機(jī)項(xiàng)目獲取Tier Ⅲ階段排放證書，一般有2種方案：A.由主機(jī)廠在工廠試驗(yàn)過程中直接申請(qǐng)Tier Ⅲ階段排放證書；B.主機(jī)廠在工廠試驗(yàn)中獲取主機(jī)排放的柴油機(jī)國(guó)際防止空氣污染證書(Engine International Air Pollution Prevention Certificate，EIAPP)，再由船廠在航行試驗(yàn)過程中試驗(yàn)并取得Tier Ⅲ階段排放證書。對(duì)于船廠來說，A方案較為方便，風(fēng)險(xiǎn)較小，船廠只需要負(fù)責(zé)將設(shè)備安裝、連接到位，并在后期復(fù)核參數(shù)指標(biāo)即可；B方案存在不確定性，若第一次試航未能滿足取證要求，將會(huì)面臨第二次試航風(fēng)險(xiǎn)和增加工時(shí)及修改工作量等。

針對(duì)A方案，在試驗(yàn)前需要用標(biāo)定氣瓶校準(zhǔn)相關(guān)檢測(cè)設(shè)備并進(jìn)行泄漏檢查；在柴油機(jī)排氣管上確定廢氣取樣點(diǎn)并安裝相關(guān)取樣管，待柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，按試驗(yàn)程序調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷值，通過排放分析儀進(jìn)行柴油機(jī)廢氣排放測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄。試驗(yàn)結(jié)束，相關(guān)船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)將對(duì)應(yīng)的分析數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)核。若審查通過，則可獲取主機(jī)的Tier Ⅲ階段排放證書。取證報(bào)驗(yàn)工作不僅可與柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)一起聯(lián)合執(zhí)行，而且可分開測(cè)試。

4 結(jié) 語

隨著《MARPOL公約》NOx排放限制要求和限制區(qū)域越來越廣，越來越多船舶的廢氣系統(tǒng)具備Tier Ⅲ階段處理能力。某型火車滾裝船選用小缸徑低速柴油機(jī)加裝EcoEGR系統(tǒng)，是船舶所有人、設(shè)計(jì)院、船廠和曼恩(MAN)公司勇于創(chuàng)新的一種嘗試。主要論述EcoEGR系統(tǒng)的原理、實(shí)船應(yīng)用等信息，為今后小缸徑低速柴油機(jī)加裝EcoEGR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造等提供相關(guān)支持和借鑒。