船舶柴油機低負荷運轉的問題與對策

山東國際海運公司 孟慶泉 徐 峰

航運市場的嚴冬自2008年8月份至今仍未見任何好轉，許多船東在如此殘酷的市場情況下苦不堪言，另外占營運成本比例最大的燃油成本飛速提高，更是雪上加霜。基于這種情況，很多船廠都選用了經濟型設計，用來降低油耗。但是，對于已經投入使用的數量巨大的營運船來講，降低燃油消耗顯然不能再通過高昂的設計和改造來實現，為了降低營運成本，大多數船舶都選用降速航行來達到目的。

船用主機長期在低負荷情況下運轉不可避免地會產生一些非正常設計工況下工作而引起的故障，本文中作者根據多年船上工作經驗，分幾種情況闡述大型船用主機長期低負荷運行可能遇到的問題，分析問題產生的原因，并提出相應的對策。

一、船舶柴油機低負荷運轉易出現的問題

實踐證明大多數主機部件不做任何改變，可以在25%至30%額定負荷下穩定運行，但長期運轉會影響主機工況，因此需要在管理上采取一定措施，確保機器能夠正常運行。如果主機長期運行在25%額定負荷以下，甚至在10%額定負荷以下，則需要對某些部件進行改造，否則可能會造成主機工況迅速惡化甚至機件損壞。

主機低負荷運轉時可能遇到的問題：（1）燃燒質量降低造成主機燃燒室部件、增壓器噴嘴環和葉片、廢氣爐煙管和煙囪積炭加重，嚴重時會造成煙筒著火，可能造成廢氣爐管子因局部過熱變形而漏水；（2）主機汽缸潤滑情況變壞；（3）主機輔助鼓風機出現故障；（4）主機軸承潤滑不良；（5）主機低溫腐蝕；（6）主機掃氣箱止回閥損壞；（7）汽缸下部掃氣室油渣增加，掃氣箱著火；（8）主機長期低負荷運轉使運動部件磨損加劇，維修保養周期縮短，增加維修費用和備件費用。

二、船舶柴油機低負荷運轉時產生問題的原因分析

（1）燃燒質量降低造成主機燃燒室部件、增壓器噴嘴環和葉片、廢氣爐煙管和煙囪積炭加重：由于轉速低，每個工作循環的注油量少，使得噴油霧化質量變差；同時，由于負荷小，遠離廢氣渦輪增壓器的最佳工作點，效率會大幅度降低，增壓壓力低，從而導致燃燒不充分；低負荷運轉時，汽缸和排氣閥漏氣量加大，壓縮壓力減小，汽缸內溫度減低也會引起后燃。由于燃燒不好形成積炭在活塞、活塞環、增壓器噴嘴環、透平葉輪和廢氣管路管子內沉積，加劇了活塞環、活塞和缸套的磨損，影響汽缸密封使漏氣加劇，主機排出背壓加大增壓器效率進一步降低，使得主機工況逐漸惡化。

（2）主機汽缸過度潤滑：對于機械式汽缸油注油器，由于汽缸油的注油率是和轉速成正比的，而負荷的減少和轉速的三次方成正比，若注油器設定不變，主機低負荷運轉時的注油量會超出該負荷下的需要量，這樣會顯著增加主機燃燒室部件的積炭，增加運動件的磨損。對于ALPHA電子汽缸油注油器，當主機負荷大于25%額定負荷時，汽缸油的注油率隨負荷減小而減小；但在主機負荷小于25%額定負荷時，注油率不隨負荷減小而減少，這時汽缸油的注油量會偏大。

（3）主機輔助鼓風機故障：當主機低于40%額定負荷運轉時，輔助鼓風機可能長期運轉，如果保養檢查不及時，會使泄放孔堵塞，從而造成馬達軸和軸封磨損。如果輔助鼓風機長期在接近停止運轉的主機負荷下運轉，輔助鼓風機馬達工作電流會較大，當主機負荷變化時還可能造成頻繁啟動，容易造成鼓風機馬達繞組因過熱而燒壞。

（4）軸承潤滑問題：由于轉速低，軸承動力潤滑油膜建立相對困難，油膜容易被破壞，在低轉速下軸瓦的應力點也會發生變化，容易在油楔邊沿產生疲勞破壞。

（5）低溫腐蝕問題：由于低負荷運轉時汽缸平均溫度會較低，如果掃氣溫度控制不好，會產生冷凝水并和燃燒產物中的SO2反應生成亞硫酸，造成汽缸套低溫腐蝕。

（6）掃氣箱止回閥損壞：低負荷運轉時，由于掃氣壓力低，活塞運行中會產生壓力波，可能造成掃氣箱止回閥頻繁開關，容易使止回閥損壞。

（7）由于低轉速運轉時未燃燒的炭粒增加，且汽缸漏泄加重，加上過量潤滑，導致掉到汽缸下部的掃氣室油性顆粒增加，如果檢查和清理不及時，容易出現掃氣箱著火事故。

（8）由于長期低負荷運轉造成燃燒不良，產生積炭，同時由于轉速降低，運動件相對運動速度降低，汽缸潤滑條件惡化，使活塞、活塞環和缸套的磨損加劇，軸瓦和軸的磨損也會變大，使得保養周期縮短維修費用增加。由于燃燒不好，排溫高，燃燒室、增壓器噴嘴環和鍋爐管子的積炭增加，使得高溫腐蝕加劇，也會造成機件的壽命縮短。

三、船舶柴油機低負荷運轉應對措施

1.主機在45%額定負荷以上運轉時

針對船舶柴油機低負荷運轉時可能出現的上述問題，根據我們多年的工作經驗及相關理論，建議采取以下方面的應對措施：考慮選擇合適的經濟航速，盡量使主機長期運轉在45%額定負荷以上，這種負荷下廢氣量能夠使主機渦輪增壓器正常運轉，主機輔助鼓風機不會啟動，而且能夠保證輔助鍋爐有足夠的廢氣量來產生船舶需要的蒸汽，不必使輔鍋爐點火運行，以免產生額外的鍋爐油耗。在這種情況下，主機不需要采取特別措施，只是簡單地采取如下運轉管理措施就可保證正常工作：（1）適當減少汽缸油注油量，防止過度潤滑；定期進行掃氣箱污油取樣化驗，分析污油的剩余堿值間接判斷汽缸油注油率是否合適；根據掃氣口檢查結果判斷注油量是否合適；（2）保持掃氣溫度45～50 ℃，盡量提高冷卻水溫度，減少低溫腐蝕；（3）每天保證主機在設計工況下運轉1～2 h，沖洗增壓器和廢氣爐，防止煙灰沉積；（4）增加主機和增壓器的參數監控頻次，注意廢氣鍋爐前后壓差的變化，以判斷廢氣鍋爐煙管的臟污程度，如壓差過大，應及時清潔；（5）增加主機掃氣口的檢查次數和清潔次數；（6）大風浪天航行，主機轉速和負荷劇烈變化時，采取措施防止主機輔助鼓風機頻繁啟動。

2.主機在30%額定負荷以下運轉時

當主機長期運轉在30%額定負荷以下時，除了采取上述常規措施外，還應采取如下措施：（1）經常檢查輔助鼓風機的運轉狀況，尤其是檢查泄放孔有沒有堵塞，定期檢修輔助鼓風機，防止主機輔助鼓風機頻繁啟動。（2）汽缸潤滑：對ALPHA電子注油器，可以使用直徑小的活塞或減小柱塞行程，對機械式注油器可以根據掃氣口檢查結果適當調小注油量。為保證潤滑注油率不能太小，汽缸油的剩余堿值就會偏大，尤其是20%負荷以下時，為減少積炭產生又能保證良好的潤滑，考慮采用低堿值汽缸油；因為如果汽缸油注油率過大，汽缸油的剩余堿值會偏大，在燃燒室內和排氣通道內會增加堅硬的白色沉積物，會加速運動件的磨損率，如果注油率過低則不利于汽缸良好潤滑。（3）改善燃燒質量：對于有兩臺以上增壓器的主機，可以考慮切除一臺增壓器，以增加剩余增壓器的工作效率，從而增加掃氣壓力；可以采用變噴嘴環的增壓器和廢氣旁通，增加主機低負荷時的掃氣壓力；改進噴油器噴油嘴的設計，比如更換直徑較小的噴油嘴，改善霧化質量；適當調整噴油提前角，減少后燃的發生。可以考慮在連桿大端增加墊片，提高壓縮比；如果長期在低負荷下運轉還可以考慮更換增壓器改變主機最佳工況匹配點，提高主機整體效率。（4）增加白合金軸瓦的檢查頻率，用內窺鏡對軸承狀況進行附加檢查，注意觀察軸承溫度的變化。（5）到港后打開廢氣鍋爐道門進行檢查，防止煙灰過量沉積及燃燒造成鍋爐管局部過熱而燒毀。（6）經常進行主機掃氣口檢查和掃氣道清潔，尤其注意檢查清潔止回閥有無裂紋，開關是否靈活。

四、結語

主機在低負荷運轉時，工況會發生改變，只要采取合理措施就能有效避免主機發生故障，保證主機正常運轉。同時，在不改變機件的情況下，船東應盡量采取保持主機在40%額定負荷以上運轉的策略，同時給予船舶合理的指導，加強管理，避免因降速航行而對主機產生不良影響。