船舶高壓SCR 系統設計及結構可靠性驗證

趙 超，王廷勇，王曉亮，王敬洲，戰庭軍，曾維武

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司 研發中心，山東 青島 266101)

0 引 言

國際海事組織（IMO）制定了MARPOL 附則VI《防止船舶造成空氣污染規則》，要求2016 年以后建造的船舶在排放控制區域（ECA）航行時應滿足Tier III 的排放標準[1]，即主機轉速小于130 r/min 時，NOX排放控制在3.4 g/kWh。基于更為嚴格的NOX排放標準，國內外主要從燃料選擇、燃燒控制及排氣后處理3 個方面推出了多種新技術。由于選擇性催化還原技術（SCR）具有NOX脫除效率高、加裝改造方便、設備投入成本低等優勢[2]，在船舶領域得到了廣泛應用。

基于其相對于渦輪增壓器位置的不同，SCR 系統分為高壓和低壓2 種[3]。其中，高壓SCR 系統與主機相鄰，位于渦輪增壓器前，對于二沖程低速船舶主機，該位置排氣溫度為350℃～450℃，壓力為2～4 bar。由于高壓SCR 系統與船舶主機直接相連，又串接在具有一定壓力的高溫排氣管路中，因此需要特別關注系統運行時的振動情況。

隨著國際環保公約的生效實施，國內研究機構及廠家對船舶廢氣SCR 系統設計優化方面開展了大量研究。林建輝等[4]通過CFD 軟件模擬導流器參數對SCR 內流場均勻度的影響，對船舶SCR 系統進行設計優化并開展試驗研究。楊智遠等[5]通過Fluent 軟件對SCR 系統吹灰裝置進行優化分析，得到最佳吹掃壓力和噴孔夾角。付立東等[6]運用FIRE 軟件模擬分析了噴嘴孔數、擴張管段長度以及噴嘴與催化劑入口距離等對還原劑混合均勻度的影響，優化了SCR 噴射系統結構參數。張韓西子等[7]對SCR 控制策略進行研究，利用Matlab 建立了催化器和開環、閉環控制模型，優化系統控制策略。在結構可靠性方面，SCR 系統作為船舶輪機的重要組成部分，其異常振動不僅會影響設備的正常運行，還會將能量通過管路支架傳遞至船體結構引起其他危害。早在19 世紀國內外學者已對管道系統的結構振動開展研究，主要集中在管道振動的理論分析和工程應用[8]。通過理論分析，明確管路結構模型的模態及動力響應。工程實踐領域的分析大都是改進系統與管道相連的設備以減輕管路系統的振動。在船舶航行中，管路的振動主要來源于船舶動力系統振動傳遞和管路內部流體沖擊[9]。

本文基于船舶主機參數，設計開發了高壓SCR 系統，并搭建臺架樣機。通過力學分析，確保結構設計的合理性，在此基礎上，通過模擬仿真及試驗測試，驗證SCR 系統結構可靠性。

1 系統設計

1.1 船舶主機參數

船舶主機為MAN-ES 6S60ME 二沖程低速主機，100%負荷下的功率為9934 kW，轉速為91.5 r/min，其主要參數如表1 所示。

表1 MAN 6S60ME 主機主要參數Tab.1 Main parameters of MAN 6S60ME engine

1.2 高壓SCR 系統設計

1.2.1 SCR 原理

船舶高壓SCR 通過還原劑與廢氣中NOX在催化劑的作用下發生催化還原反應，NOX轉化為N2，從而實現NOX減排，工藝流程如圖1 所示。

圖1 船舶高壓SCR 工藝流程簡圖Fig.1 Schematic diagram of High Pressure SCR

船用SCR 系統的還原劑選用40 wt %的尿素水溶液，此濃度的尿素溶液冰點較低，不易結冰，且安全、便于存儲，幾乎無毒。系統涉及的反應包括尿素分解反應及催化還原反應。

尿素熱解：

尿素水解：

1.2.2 SCR 系統組成及設計流程

SCR 系統組成主要包括：1）SCR 反應器（一般由吹灰器、后氧化催化器、消聲器等組成）；2）SCR 混合器（促進尿素水溶液與排氣混合）；3）尿素水溶液噴射器（噴槍或噴嘴）；4）壓縮空氣單元；5）尿素計量單元；6）尿素溶液儲罐；7）NOx 分析儀（后反饋用）；8）控制系統；9）輔助設備及管路等。

高壓SCR 系統設計流程如圖2 所示。

圖2 船舶高壓SCR 設計流程圖Fig.2 Diagram of high pressure SCR design

1.2.3 SCR 關鍵設備設計

基于船舶主機參數，設計高壓SCR 系統，系統核心設備包括SCR 反應器及混合器。

反應器內布置催化劑層，為催化還原反應提供空間。主機煙氣在渦輪增壓前的最大壓力為3.81 bar，設計壓力取5.0 bar，最高排氣溫度為427℃，設計溫度取500℃。反應器材質選用16Mo3，尺寸為Ф2220 mm×5300 mm，立式布置，SCR 反應器及煙道的保溫層厚度為200 mm，在環境溫度為25℃時，表面溫度不超過60℃，反應器外形如圖3 所示。

圖3 反應器設備外形圖Fig.3 Outline of reactor equipment

催化劑是整個系統的核心，催化劑的性能好壞直接決定著整個系統的脫硝效率。基于脫除效率，在反應器內部設置3 層催化劑，采用模塊化的波紋狀催化劑，催化劑模塊安裝在“井字形”支撐梁上，支撐梁的4 個邊設有銷塊，用以固定催化劑，在支撐格柵上設密封帶，橫向與豎向交叉密封帶，保證密封性。催化劑模塊頂部設有固定卡塊，能防止船體搖擺對催化劑的損壞。同時，為了使進入催化劑層煙氣分布更均勻，在反應器入口和第一層催化劑之間設置均布器。

混合器用于蒸發分解尿素溶液，并將產生的氨氣與柴油機排氣混合均勻，混合后均勻度不低于0.95。設計溫度500℃；設計壓力0.5 MPa；材質316 L；尺寸為Ф1320 mm×4000 mm。混合器外形如圖4 所示。

圖4 混合器外形圖Fig.4 Outline of Mixer equipment

混合器結構上分為入口、擴張段、腔室、收縮段、出口5 個部分。其中擴張段上設有噴槍接口，用于連接尿素溶液噴槍；腔室內設有擾流器，用于加強氣流擾動，達到氨氣與煙氣充分混合的目的。

1.3 SCR 管系及平臺設計

基于船舶主機排氣量設置系統管路，規格為DN800，為抵消主機排氣作用力以及膨脹節熱脹冷縮產生的作用力，在管道中設置滑動支撐、固定支撐、萬向型膨脹節、壓力平衡型膨脹節。同時，設計系統支架，總長度20 m，最大高度13 m，最大寬度4.2 m，以確保滿足系統結構強度要求，管系及支架外形圖如圖5 所示，支架材質為Q235。

圖5 管系及平臺外形圖Fig.5 Outline of pipe and support

2 SCR 系統力學分析

2.1 管系熱變形量計算

由于系統為高壓SCR，位于渦輪增壓器前，最高排氣溫度超過400℃，系統管系由于溫度不同會產生熱脹冷縮過程，管系熱膨脹計算：

式中： ΔL為管系熱膨脹量，mm；L為管路長度，m；ΔT為與環境溫差，℃； αexp為膨脹系數，mm/m℃·10-3。

2.2 固定點受力計算

在渦輪增壓前的主機排氣最大壓力超過3.5 bar，在SCR 系統固定點會受到煙氣作用力以及膨脹作用力，固定點受力計算式為：

式中：Fp為 最高操作壓力下煙氣作用力；Fs為膨脹節作用力；P為氣體壓力，bar；Ab為膨脹節截面積，mm2；CA為彈性系數，N/mm。計算求得固定點最大受力約為20 t。

2.3 反應器重力

反應器需滿足煙氣溫度和壓力的要求，材質選用16Mo3，尺寸為Ф2220 mm×5300 mm，立式布置，反應內設置催化劑3 層，對反應器設備進行重量核算，約為8.5 t。

3 結構可靠性分析

3.1 模擬仿真分析

為了確保設計合理性，通過Siemens UG 軟件，對支架整體框架結構進行有限元分析。

3.1.1 仿真模型建立

按照實際尺寸建立支架模型如圖6 所示，并進行網格劃分，支架底部及固定支撐點處設置為全約束，并施加作用力。

圖6 支架三維模型及邊界條件設定Fig.6 Three-dimensional model and boundary condition setting of support

3.1.2 結果分析

通過軟件計算，求得支架各點的應變和應力分布情況，如圖7 所示。

圖7 支架應變及應力分布圖Fig.7 Diagram of strain and stress distribution of support

可知，支架最大的應變和應力值分別為15.5 mm和161.6 MPa。基于GB50017-2003《鋼結構設計規范》的要求，應力余量和位移余量應分別控制在0.85 和1/400。經計算，應力余量161.6/235=0.688，位移余量15.5/10000=1/645，均低于控制值，證明支架設計滿足其結構強度要求。

3.2 振動試驗測試

為保障現有設備運行的安全，對SCR 系統及主機進行振動測試，振動測試設備如表2 所示。

表2 測試設備Tab.2 Test equipment

對主機上部及SCR 反應器中部進行布點，分別測試其振動情況，X方向代表縱向的振動，Y方向代表橫向振動，Z方向代表垂向振動。

為全面測試SCR 系統運行對主機振動的影響，主機分別在25%、50%、75%、85%及100%負荷下運行時，開展3 種工況下的振動測試。

工況1主機單獨運行，SCR 系統旁通；

工況2主機與SCR 系統同時運行，無尿素溶液供應，不發生脫硝反應。

工況3主機與SCR 系統同時運行，尿素溶液供應，發生脫硝反應。

主機在測點處的最大振動響應如表3 所示。

表3 主機測點處的最大振動響應Tab.3 The maximum vibration response of main engine at themeasuring point

由主機測點振動響應測試結果分析可知：

1）在25%負荷時，主機振動響應達到最大值。其中工況2 中的主機位置測點的振動響應值最大，為25.77 mm/s，與工況1 相比振動響應增大6.29 mm/s，增幅超過30%，振動響應增加明顯。

2）在25%、50%、75%、85%及100%負荷下，主機主要激勵頻率分別為5.75、7.25、8.25、8.75、15.25 Hz，表明本主機振動主要激勵為6 階橫向激勵，這與主機缸數相一致。

3）在25%、50%、75%和100%負荷下，主機測點在工況2 和工況3 振動響應偏差不超過4 mm/s，主機振動響應在工況2 與工況3 時基本一致，證明尿素的增加對主機振動影響很小。

反應器測點處的最大振動響應如表4 所示。

表4 反應器測點處最大振動響應變化Tab.4 The maximum vibration response of reactor at the measuring point

1）根據反應器測點處的振動響應結果可知，在5 種主機負荷下，反應器最大振動響應出現在100%負荷下，對應于工況3 時測點位置的橫向振動頻率為15.25 Hz，響應值為11.47 mm/s。

2）在5 種負荷下，測點在工況2 和工況3 振動響應均不超過12 mm/s，反應器振動響應在工況2 與工況3 時基本一致，證明尿素的增加對反應器振動影響很小。船舶主機配套SCR 系統運行時，會增加主機振動響應，尤其是主機在25%負荷下運行，其缸體位置振動響應達到最大值，為25.77 mm/s，增幅約為30%。為減小主機損傷，需減少主機在25%負荷下長時間運行，應通過快速提高轉速的方式避開較大的主機振動。主機在100%負荷下運行時，SCR 反應器的橫向振動響應達到最大值，為11.47 mm/s，需重點關注主機在高負荷運行時，SCR 反應器的振動情況。尿素的增加對主機及反應器振動影響很小，可以忽略。

4 結 語

本文基于MAN-ES 船舶主機開發了高壓SCR 系統，重點圍繞系統原理、組成、流程及關鍵設備開展設計，并搭建了臺架試驗樣機。

通過結構設計、力學分析以及模擬仿真，計算系統支撐平臺的應力余量和位移余量分別為0.688和1/643，均低于控制值，證明SCR 系統支撐平臺可承受船舶主機排氣作用力和膨脹節熱脹冷縮作用力，平臺設計完全滿足其結構強度要求，驗證了其結構的可靠性。