MC輪發電柴油機排氣溫度高的原因分析及改進措施

摘 要：船舶發電柴油機為全船用電設備提供正常營運生產所需要的電能，其工作時容易發生排氣溫度升高現象，易引起一系列故障，從而影響發電柴油機的使用壽命和船舶安全。本文從影響排溫的幾大因素出發，排查出MC輪發電柴油機排溫升高的原因，進一步分析噴嘴環沖蝕的原因，并提出改進措施。

關鍵詞：發電柴油機；排氣溫度；噴嘴環；催化劑顆粒；自沖濾器

1 概 述

船舶發電柴油機的排氣溫度在一定程度上反映了缸內負荷的大小與燃燒質量的好壞，通常用來衡量柴油機熱負荷的大小，是柴油機運行管理中需重點監測的參數，也是柴油機性能參數分析的重要依據。排氣溫度過高，不僅嚴重影響柴油機的可靠性和安全性，而且還會降低柴油機的經濟性。

MC輪是我司1 100 TEU系列集裝箱船之一，其發電柴油機型號為MAN 7L16/24，額定功率770 kW，額定轉速1 200 rpm，等壓增壓，增壓器為MAN-TCR14/41036。在接船后，副機使用至6 000 h左右，排氣溫度明顯上升，最高升了約65 ℃，其中一臺副機的排溫數據見表1。

2 排溫高原因分析

正常的排氣溫度取決于柴油機正常的燃燒。正常燃燒的基本條件是一定數量的燃油，在霧化良好的狀態下和足夠的空氣良好地混合，在燃燒室內完全燃燒。任何不滿足這些條件的因素，均會造成排溫過高。因此，影響排氣溫度過高的原因，主要是由燃油系統、燃燒系統、換氣系統造成的。下面就幾個主要方面加以分析：

1）燃油質量差

燃油質量是影響整機排氣溫度的重要因素，若燃油質量不能滿足霧化要求，則會引起燃油霧化不良，燃燒惡化，排氣溫度升高。

該輪的發電柴油機與主機共用一個燃油供油單元，由于是新船，自動化功能強，燃油黏度能穩定控制在12Cst，進機溫度在130 ℃左右，完全滿足良好霧化要求。對多批次燃油油樣進行化驗，化驗結果滿足ISO 8217：2010“船用殘渣燃料油技術規范標準”。對燃油進機前細濾器進行了拆檢，濾器也無旁通現象，濾芯完好。因此，首先排除了由于進入燃燒室的燃油質量差，燃燒質量惡化，而造成排氣溫度升高的原因。

2）供油及換氣定時異常

（1）供油定時滯后

如供油提前角過小，因著火前活塞開始下行，燃燒室空間增大導致溫度和壓力已下降，錯過了最佳燃燒點，燃油不能及時燃燒，導致爆壓降低，后燃增加，排氣溫度上升。

（2）換氣定時提前

如排氣閥提前打開，氣缸內還沒有完全燃燒，充分膨脹的燃氣就過早進入排氣管，產生后燃。

按7L16/24柴油機的設計，進、排氣定時和噴油定時不能進行單缸調整，只能通過進排氣凸輪軸和高壓油泵凸輪軸進行總調，檢查傳動齒輪上的定位標記，確認定時沒有變化。用專用工具對各缸高壓油泵的升程進行測量，與出廠記錄一致。拆開高壓油泵的漏泄油管進行檢查，也沒有明顯漏油。檢查進排氣凸輪、噴油凸輪，以及進、排氣頂桿，未見異常；各缸氣閥間隙檢查，均符合說明書要求。因此，排除供油及換氣定時異常的原因。

（3）空冷器方面的原因

空冷器的傳熱主要是以對流、導熱的形式對來自增壓器的增壓空氣進行冷卻。空冷器空氣側如堵塞，會造成阻力增大，進氣總管的空氣壓力下降，進氣量減少，造成排溫升高。淡水冷卻效果不好或空冷器空氣進、出口旁通，會使進氣總管空氣溫度升高，密度下降，也會造成排氣溫度升高。

對空冷器進行了全面拆洗，拆洗前后，進氣溫度、壓力沒有明顯變化，排溫也沒有變化。這說明排溫高也不是由于空冷器臟堵或空氣旁通造成的。

（4）廢氣渦輪增壓器方面的原因

增壓器空氣濾網、壓氣機葉輪、擴壓器通道等太臟，噴嘴環、軸氣封、工作葉輪等污染，工作葉片變形損傷，這些因素均可使增壓器效率變低，增壓壓力下降，引起發電柴油機整體排氣溫度升高。

通過上述檢查后，我們初步判斷是增壓器的問題，聯系廠商對增壓器進行了拆檢，發現噴嘴環導向葉片根部內側有明顯的沖蝕磨損（見圖1），其他沒有異常。換新噴嘴環（見圖2），排溫恢復正常。換新噴嘴環后的排溫見表2。

由此可以斷定，該發電柴油機排溫升高的原因是噴嘴環葉片沖蝕磨損，致使噴嘴環的流通面積增大，排氣流速降低，造成了增壓器效率大大降低。

3 噴嘴環導向葉片沖蝕磨損原因分析

1）高溫燃氣中顆粒物的高速沖擊

MC輪發電柴油機現與主機一樣使用380Cst船用殘渣燃料油。船用燃料油是原油經常壓蒸餾、真空蒸餾后加催化劑分解、裂化的產物，因此燃料油中不但含有石油本身的雜質，還含有煉化催化劑顆粒（REFINERY CATALYST FINES，簡稱CAT-FINES），其主要成分是鋁和硅，一般以氧化鋁Al2O3和氧化硅SiO2的形式存在，尺寸一般在5～50 μm，按照ISO 8217：2010“船用殘渣燃料油技術規范標準”的規定，燃油內的可允許最大催化劑顆粒含量為60 ppm。CAT-FINES不僅會造成高壓油泵、油頭和缸套的磨料磨損，而且燃燒后仍然以非常堅硬的耐磨顆粒的形式存在。

噴嘴環導向葉片形成的通道從進口到出口呈收縮狀，具有一定壓力和溫度的廢氣經過噴嘴環導向葉片，在噴嘴環導向葉片收縮的流道中加速，溫度和壓力下降，速度升高，部分壓力能轉換為動能，使得流出噴嘴環后的廢氣速度更高。這種高速氣流作用在渦輪葉片上，帶動增壓器轉子旋轉。夾雜在排氣中的顆粒物到達噴嘴環出口處時，速度很高，且顆粒最集中，這些顆粒物在離心力的作用下對導向葉片的根部內側（廢氣離心運動的外圓）產生嚴重的撞擊、沖刷，導致噴嘴環導向葉片根部產生沖蝕磨損，直到顆粒重量和尺寸減到足夠小，才能隨排氣排出增壓器。

2）排放等級要求提高后對柴油機排溫影響

據國際海事組織2008年修訂的MARPOL公約附則Ⅵ《防止船舶造成空氣污染規則》（MEPC.176（58）決議）的第13條及《船用柴油機氮氧化物排放控制技術規則》（MEPC.177（58）決議），2011年以后出廠的柴油機排放等級已從TierⅠ提高到TierⅡ，為降低氮氧化物的排放量，柴油機制造商采取了噴油定時延后等措施，致使后燃加重，進入增壓器的燃氣溫度升高，排氣燃燒后生成的結晶物增多，使得增壓器噴嘴環產生沖蝕磨損的可能性加大。

3）噴嘴環的材質及加工工藝

雖說排氣中的顆粒物是造成噴嘴環產生沖蝕磨損的主要原因，但現代柴油機使用重油是柴油機專利方、生產方、使用者等訂協議予以肯定的，因此建議廠家從噴嘴環材質、表面硬度和加工工藝等方面查找噴嘴環產生早期沖蝕磨損的原因。

4 改進措施

MC輪發電柴油機排氣溫度出現升高后，姊妹船的發電柴油機也先后出現同類故障。為徹底解決解決問題，經咨詢專利方、柴油機制造商，結合在使用中的經驗，決定采取以下措施：

1）加裝10 μm自沖濾器

由于燃油中催化劑顆粒的存在，不僅造成噴嘴環沖蝕磨損，還會夾在缸套和活塞環之間成為磨料，甚至可能嵌入缸套表面加劇磨損，還可能導致高壓油泵和油頭磨損，降低噴嘴環、缸套、活塞環、高壓油泵和油頭的使用壽命。參考GEA WESTFIALIA分油機技術資料，如果能將CAT-FINES的濃度降低至5 ppm以下，磨料顆粒直徑小于3 μm，柴油機安全、高效、經濟的使用就有了保障。燃油經分油機良好分離后CAT-FINES的濃度可降低至15 ppm，供油單元燃油自沖濾器為25 μm，進機燃油細濾器為25 μm，可見，15 ppm遠大于5 ppm，25 μm遠大于3 μm，因此需采取措施降低CAT-FINES的濃度，減小CAT-FINES顆粒物的尺寸。

為降低發電柴油機的故障率，根據MAN公司服務通函（SL2016.615）的建議，對副機燃油系統進行了改造，在副機燃油進口支管前安裝絕對精度為10 μm（名義精度為6 μm）的波勒DN65自動反沖洗濾器（見圖3），把過濾精度提高至10 μm，可將95%直徑大于10 μm的CAT-FINES顆粒物有效過濾掉。由于濾器過濾精度的提高，使燃油中的雜質、淤渣的含量大幅度較少，改善了燃油的燃燒，使燃燒室積炭和排氣中的顆粒物減少，從而保護了柴油機油頭、高壓油泵、噴嘴環等部件出現早期磨損。

2）改進優化渦輪端干洗工具，定期干洗

為改善副機燃燒狀況，按說明書要求，需每天對增壓器渦輪端進行干洗，但實際操作中，由于原廠提供的渦輪端干洗工具（見圖4）的空氣進口閥為DN25球閥。在沖洗時很難控制球閥開度，開度過小，無法進行沖洗；開度過大，增壓器極易出現喘振，增壓器轉速瞬間急劇下降，因此船員不敢進行沖洗操作。為能進行正常沖洗，對增壓器渦輪端干洗設備進行改造，現將球閥改為DN25的針閥，開度控制更方便（見圖5）。

3）加強燃油的凈化處理

CAT-FINES是親水性的，比重比較大，多聚集在油柜底部，定期對燃油沉淀、日用柜放殘可清除部分CAT-FINES；加強燃油分油機的管理，分離溫度不低于98 ℃，盡量降低燃油分油機的分離量，分油機的分離量只要能滿足主、副機使用量即可，但不大于最大分離量的15%，必要時采取2臺燃油分油機并聯使用。

4）避免發電柴油機長期低負荷運行

發電柴油機使用重油時盡可能不在低負荷下連續運行，減少燃燒殘渣的產生。在低于20%MCR負荷下長時間運行，由于排氣管和進氣管、燃燒室和增壓器臟污，隨時都可能導致柴油機運行狀態惡化。為了防止柴油機運行狀態進一步惡化，使用重油在負荷低于20%MCR狀態下運行一段時間后，采取轉換使用輕油，或用不少于15 m的時間將柴油機負荷逐步提高到70%MCR并保持運行一段時間，充分改善其運行狀態。

5 結束語

在無法改變現有燃油標準的情況下，一方面在燃油進機前加裝10μm的自動反沖洗濾器（據測算，大約一年左右的時間即可收回加裝自沖濾器的投資成本），對柴油機能起到很好的保護作用，大大延長了噴油器、高壓油泵、缸套及增壓器噴嘴環等核心備件的使用壽命；另一方面，改變沖洗控制閥的開度調節模式由球閥閥芯改為針閥閥芯，方便操作沖洗，使廢氣渦輪端清洗效果明顯改善。采取以上2項改進措施，及加強管理后，能保證柴油機安全、高效、可靠運行，效果很明顯。發電柴油機排溫一直保持正常，運行至12 000 h左右拆檢增壓器，噴嘴環的沖蝕磨損明顯改善，確保了發電柴油機的安全運行。發電柴油機噴油器使用壽命也由原來的2 000 h延長到6 000 h。

參考文獻

[1] 輪機工程手冊編委會. 輪機工程手冊， 中冊[M].北京： 人民交通出版社， 1994.

[2] 杜榮銘. 船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，1999.

[3] MAN Diesel & Turbo Service letter SL2016.615，SL2017.640

[4] GEA Westfalia Separator CatFineMaster， Westfalia Separator Mineral oil systems from GEA.

作者簡介：

石擁軍，高級輪機長，（E-mail）shiyj@jjshipping.cn，13817511708