可控進氣渦流技術對某船柴油發電機組動態性能影響分析

楊亞男， 徐雪波， 陳 峰

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

0 引 言

柴油發電機組在現代船舶電站中應用廣泛，其動態性能是柴油發電機組重要性能之一，機組的動態性能是否滿足指標對于機組的成套至關重要，更是實現船舶電網品質指標的重要保障之一。在我國相關標準中，船舶電站柴油發電機組的動態性能指標是用轉速描述的(ISO和DN標準則是用頻率描述的)。

某船柴油發電機組由TBD620V12型柴油機和三相同步發電機組成，按合同要求其動態性能須滿足相關標準中柴油發電機組II級精度等級要求：機組的瞬態調速率應≤7%，轉速穩定時間應≤3 s。在實船系泊試驗期間，出現機組動態性能指標不能滿足合同指標的現象，其轉速穩定時間比出廠試驗時的時間要長。在分析問題原因和進一步解決問題的同時，對該型柴油機的進氣系統進行深入解析，以下將對問題的具體分析和解決過程進行闡述。

1 機組動態性能試驗現象及原因分析

1.1 機組主要特點

TBD620V12型柴油機為直噴式廢氣渦輪增壓中冷V型12缸機，是國內引進德國DEUTZ公司TBD604BV12的國產化機型，采用4氣門雙進氣道結構，其氣缸蓋上設有2個彼此獨立的不同形式的進氣道：直(切向)進氣道、渦流氣道。在直進氣道的入口設有氣流控制閥門，閥門的開關由增壓空氣壓力控制，被稱為“HALLO高低負荷最優化可控渦流(controllable inlet swirl system)” 技術。同時，該型柴油機還采用R-K雙循環冷卻系統、 HEINZMANN HELNOS I系列數字電子調速器等。該柴油發電機組從出廠到裝船調試已累計運行約125 h，額定功率為1 251 kW，額定轉速為1 500 r/min，空載轉速整定在1 540 r/min。

1.2 機組動態性能試驗

1.2.1 試驗條件和方法

機組試驗在實船建造系泊試驗階段進行。機組在機艙安裝完畢，其燃油管系、滑油管系、淡水管系、海水管系、進氣排氣管路、通風管道等各保障系統安裝完整正確并正常運轉，試驗負載為智能干式負載箱，試驗時的轉速記錄采用WDS-C動態轉速測量儀，轉速信號從飛輪端接出。試驗按照相關標準電力系統試驗要求進行，機組在額定負載工況下運轉穩定后突卸全部負載，穩定運行一段時間(一般在10 s以上)，然后按照0-60%-100%分2級突加至100%額定負載。

1.2.2 試驗現象

試驗中，柴油機在突加0-60%負載階段，轉速穩定時間為3.5～4.0 s，不滿足機組動態性能指標≤3 s，在調整HEINZMANN HELNOS I數字電子調速器的PID參數并采取排氣管安裝隔熱裝置、調整清潔增壓器進氣濾器位置等措施后，轉速穩定時間勉強達到指標3 s。調整前后的轉速記錄波形圖分別如圖1和圖2所示，而柴油機出廠試驗和電站陸上聯調試驗轉速穩定時間均為2.8～2.9 s，優于實船系泊試驗結果。

圖1 機組突加60%負載轉速穩定時間3.8 s(調整前)

圖2 機組突加60%負載轉速穩定時間3.1 s(調整后)

1.3 試驗現象原因分析

現場檢查柴油機油門執行器與油泵的連接機構、執行器驅動電流均正常，執行器無卡滯，分析原因主要有2個方面。

(1) 環境因素差異。環境因素的改變會造成空氣密度的變化。出廠試驗、陸上聯調試驗均為空曠車間環境，環境溫度30 ℃左右；船上系泊試驗階段在7-8月，柴油機進氣采用艙內進氣方式，副機艙試驗環境為45～50 ℃，高溫下空氣密度變小，工作循環進氣量變少，造成機組的動態性能與出廠、聯調試驗有所差異，在機組上的排氣管包扎隔熱裝置也是為了消除這一不利因素。

(2) 試驗方法差異。柴油機出廠試驗負載為水負載，負載誤差較大，且與實船試驗方法在試驗時間上有差異，該試驗是在機組突卸100%負載后3～5 s內突加60%負載測得的轉速恢復時間。此時增壓器的轉速滯后特性導致了增壓器仍在高效率區工作，而機組突卸負載后空載運行時間越長，根據增壓器工作模式與柴油機負荷匹配的特性,其將逐漸工作在低效率區,此時突加負載，柴油機循環空氣供給量較少，氣缸內燃燒不充分，導致機組的動態性能受到影響。

通過上述分析可以看出：機組的動態性能不能充分發揮的原因是柴油機突加負載后工作循環內空氣供給量不足，船上采取的調整清潔增壓器進氣濾器位置等措施并不是解決問題的根本辦法，一旦柴油機工作環境惡劣或運行時間變久，動態性能就會受到影響，柴油機進氣系統仍存在不利因素影響機組動態性能，需進一步深入研究柴油機進氣系統。

2 機組可控渦流進氣系統結構與原理分析

2.1 基本結構

圖3為TBD620V12型柴油機氣缸單元的氣缸蓋剖視圖[1]，2個進氣門和2個排氣門連同氣門座圈和氣門導管等一起裝在氣缸蓋上，氣門傳動裝置由挺柱、推桿、搖臂、搖臂支架和閥橋組成。噴油器位于保護套管內，在其周圍有循環水冷卻。冷卻水和機油經過平板密封墊上的導管從機體引入氣缸蓋。每個氣缸蓋有2個進氣道，為前直(切)向后螺旋(渦流)的雙進氣道結構，簡化圖如圖4所示。直進氣道裝有可調節氣道流通面積的閥門，根據所要求的發動機運行模式，直進氣道的氣流閥門開度由增壓空氣壓力控制的調節桿隨負荷的變化自動調節。

圖3 TBD620V12型柴油機氣缸單元的氣缸蓋剖視圖

圖4 前直向后螺旋(渦流)雙進氣道結構

現場實物進氣管路外部如圖5所示，圖中柴油機進氣總管進入氣缸前分為2路進氣歧管，進氣歧管2即為直進氣道，金屬軟管用于連通進氣總管和壓力開關，與壓力開關連接的金屬導軌同時連接各氣缸進氣歧管2的閥門。

圖5 TBD620V12型柴油機進氣管路外部視圖

2.2 原理分析

TBD620V12型柴油機采用進氣渦流調節主要是為了解決長期低負荷運行帶來的積炭、增壓器污染、燃油油耗等問題。柴油機燃燒室內的氣流特性和噴霧特性以及兩者的優化匹配對其燃燒過程有重要的影響。柴油機在低負荷工況時，噴油壓力降低，燃油噴霧性能變差，要求有較強的進氣渦流運動加強油霧與空氣的混合，此時直進氣道的氣流閥門在彈簧作用下關閉，空氣主要由螺旋進氣道進入，從而產生較強的進氣渦流，形成良好的可燃混合氣，利于低負荷工況下的燃燒，使燃油油耗和煙度同時降低，此時空氣流量較??；柴油機在高負荷工況時，噴油壓力提高，霧化較好，混合氣形成所需求的渦流比降低，此時空氣流量需求增大，在柴油機-增壓器合理匹配的前提下，增壓空氣壓力將增大推動直氣道控制氣流閥門活塞的力以與彈簧力平衡直至氣流閥門打開，空氣從螺旋氣道和直氣道一同進入，進氣流量變大，渦流比降低，滿足燃油充分燃燒需求。

迄今已有大量的試驗仿真證實了這種可控進氣渦流結構改進柴油機低負荷運行的有效性，起到了控制排放和降低油耗的作用，且幾乎不影響柴油機的穩定性和可靠性，并總結出進氣渦流強度隨發動機轉速和負荷而變的最佳匹配[2]，如圖6所示，在低速高負荷時為強渦流，在高速及中、低速部分負荷時為弱渦流。

不過迄今對這種可控主輔雙進氣道的分析結論僅是在仿真試驗基礎上的經驗，而實際上受到諸如燃油噴射壓力、燃燒室形狀甚至排氣管結構等因素的影響[3]，目前相關科研尚未得出一個合適的理論模型， 只是通過試驗驗證直觀想象和理論分析的正確性。目前仍有高壓噴射在強進氣渦流下受到限制的相關理論和研究[4]，也進一步證明了該技術在某些情況下的局限性。

圖6 柴油機進氣最佳渦流分布圖

3 可控氣流閥門開閉對比試驗

分析可控進氣渦流技術的原理和進氣最佳渦流分布的相關研究結果，明確柴油發電機組在突加0～60%負載這一動態過程中處在圖6的低渦流比區，此時柴油機工作循環內氣缸內噴油量迅速增加，需要大流量的助燃空氣，直流氣道的閥門應處于開啟狀態。因此，進一步進行氣流閥門開閉對比試驗，并對比油門執行器開度響應、轉速響應、穩定時間等數據。

3.1 可控閥門正常關閉

試驗前，電子調速器PID參數已通過多次試驗調整為油門執行器最佳響應速度狀態(比例67%、積分30%、微分95%)，暫時關閉柴油機控制器的增壓空氣壓力-燃油限制和轉速-燃油限制。柴油機突加0～60%負荷，通過柴油機控制器調試軟件DcDesk2000記錄油門執行器及轉速響應曲線，如圖7所示，油門執行器設定位置和實際位置均迅速升至最大值100%，轉速卻遲遲不能恢復至設定轉速，轉速穩定時間為4.2 s，在試驗中柴油機的直進氣道氣流閥門拉桿一直處于閥門關閉狀態。

圖7 突加60%負載執行器及轉速響應曲線(閥門關閉)

3.2 可控閥門強制開啟

調速器參數設置不變，柴油機的增壓空氣壓力-燃油限制和轉速-燃油限制正常工作，強制開啟增壓空氣壓力開關，氣流閥門開啟，油門執行器及轉速響應曲線如圖8所示，油門執行器設定位置和實際位置受增壓空氣壓力-燃油限制和轉速-燃油限制，由10.3%快速升至68%后緩慢至最大油門，即使在燃油限制下，柴油機轉速恢復速度明顯變快，此時轉速穩定時間為2.8 s。兩次對比試驗數據記錄如表1所示。

圖8 突加60%負載執行器及轉速響應曲線(閥門開啟)

表1 氣流閥門開閉對比試驗記錄

經過反復多次氣流閥門開啟試驗驗證，試驗結果均相似，最終調整柴油機動態性能達到較理想狀態，轉速記錄波形圖如圖9所示，轉速穩定時間為2.5 s。

圖9 機組突加60%負載轉速穩定時間2.5 s(閥門開啟)

3.3 試驗數據對比分析及結論

從對比試驗現象看，在柴油機突加0～60%負載時，油門開度響應迅速達到最大值，空氣流量需求迅速增大，此時增壓器和氣流閥門均應快速反應，增壓空氣壓力增大，閥門應開啟，而此時，在增壓器固有轉速滯后特性導致突變工況性能匹配不佳的情況下，閥門無法開啟而導致空氣流量不足，柴油機運行工況偏離了柴油機負荷-渦流比最佳匹配設計曲線，此時這種進氣渦流可控的優勢沒有了，反而使機組的動態性能受到限制，而閥門被強制開啟后，滿足了柴油機高速高負荷時大進氣量低渦流比的要求。

3.4 改進建議

通過以上試驗和分析，針對機組動態性能受限制不能達標的情況，提出了以下幾點改進建議：

(1) 改進增壓器動態匹配性能。柴油機與增壓器匹配性能改進的理論計算和試驗調整驗證的實際工作量較大，僅限在柴油機前期設計制造工作中進行，原型機增壓器匹配是經過大量計算和試驗驗證的，在機組已經成套實船安裝的階段，輕易修改會造成不利影響，需謹慎操作。

(2) 改進出廠試驗及陸上電站聯調的試驗負載。智能干式負載較水電阻負載具有一體化可移動、穩定性好、精度高、可擴容等優點[5]，試驗負載的準確性有利于提前發現問題并及時修正改進，為實船試驗節省時間，縮短試驗周期。

(3) 在特殊工況下越控增壓壓力控制閥門開閉功能。在柴油機控制系統突加負載工況下，通過程序判斷和越控，強制打開氣流閥門，雙進氣道同時打開，使空氣流量與噴油量匹配，機組動態性能發揮至最佳。實船已采取臨時措施實現氣流閥門開啟。

4 結 語

通過對TBD620V12型柴油機進氣系統結構和原理的分析以及試驗對比，找出機組動態性能發揮不佳的影響因素，指出可控進氣渦流技術在柴油發電機組動態性能發揮中的局限性，并提出改進建議。實船通過試驗數據分析和實船現場改進，已順利通過柴油發電機組的動態性能船檢驗收，并可以為其他船舶同類問題的分析和解決提供參考借鑒。