滿足IMO直排Ⅲ標準的GE型柴油機組裝船技術研究

蔣勇剛 彭秀清 黃秋云 羅漢華 徐進初

摘? ? 要：本文以我公司為海油石油工程股份有限公司建造的管道挖溝動力定位工程船（簡稱挖溝船）為依托，研究滿足IMO直排Ⅲ標準的GE柴油發電機組的特點及裝船過程中存在的問題，結合實船設計建造經驗，總結了GE柴油機組裝船的技術要點。

關鍵詞：直排Ⅲ標準;裝船過程;技術要點

中圖分類號：U671.92 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Based on the pipeline trenching power positioning engineering vessel （abbreviated as trenching vessel） built by our company for China National Offshore Oil Corporation， this paper studies the related characteristics， the problems and difficulties in the onboard assembly process of diesel generator set meeting the Tier Ⅲ emission standard ， and summarizes the technical essentials of onboard assembly of the generator set combined with the actual ship design and construction experience.

Key words： Tier Ⅲ emission standard; Process of assembly on board; Technical essential

1? ? 引言

隨著國際社會對于環境保護和治理越來越重視，人們除了關注陸上各類工廠、汽車等污染氣體的排放外，船舶柴油機排放的污染氣體也是大氣中主要污染源之一。為此，歐美發達國家分別設置了船舶排放控制區，中國也制定了珠三角、長三角、環渤?？刂扑?。國際海事組織（IMO）對船用柴油機排放的NOX、SOX、PM污染物制定了控制措施，要求2016年1月1日以后完成龍骨鋪設的新造船的NOX排放達到TierⅢ。當前對于NOX排放控制，主要有SCR、EGR兩種技術。

依據挖溝船主要用于中國渤海及東海等排放控制海域進行海底管線膨脹彎安裝、挖溝、海底電纜敷設等作業，挖溝船的主發電機組經綜合考慮動力需求、機艙空間及排放要求，確定選用GE型柴油機作為發電機的動力。

2? ?GE型柴油機的特點

GE柴油機配置濕式油底殼，采用中冷、廢氣渦輪增壓、氣馬達啟動、直接噴射、不可逆轉形式，是一款4沖程活塞式、直列8缸中速柴油機，型號為8L250MDC。該型柴油機采用了前沿的排放控制技術，是世界第一款不需要加裝SCR系統（即選擇性催化還原反應）就能滿足IMO對NOX排放TIERⅢ要求的2400 kW中速柴油機。該型機在排放物的控制上除了采用EGR（廢氣再循環）技術外，在噴油上還采用高壓共軌來大幅度減小供油壓力隨發動機轉速變化的波動，使缸內溫度降低而NOX排放減小。

該型柴油機可以直接使用0#～或-10#輕柴油，也可以直接使用低硫油（進機粘度不低于1Cst），無需額外加裝低硫油冷卻器和回油冷卻器。該機型對于SOX的排放也能有效控制，具有緊湊、環保、高效和安裝維修便利等特點，簡化了船上布置和運營維修的難度，尤其對于機艙布局緊張的船舶可以有效降低機艙布置難度。

EGR配置有專用的冷卻器用于帶走再次參與循環燃燒的廢氣熱量，可以有效控制再循環燃燒的廢氣溫度，使廢氣中的酸性物質在EGR冷卻過程中匯集，通過泄放管路排走，提高缸套壽命。EGR冷卻器上設置有到排煙管的透氣管，用于及時排放冷卻器中的氣體以應對冷卻器的熱脹冷縮。EGR冷卻器具有耐高溫、耐腐蝕、抗震、不易積碳等特性。

3? ?GE柴油機裝船技術要點

3.1? 設備的布置安裝要求

該機型長6 125 mm、寬2 275 mm、高3 236 mm、軸心線距油底殼底面高958 mm、重24.78 t，將其與電球組裝于公共底座后總長為9 223 mm，如圖1所示。

該機型采用EGR技術直排已滿足TIERⅢ，不需要額外的SCR，也不用再增加其他噴灑洗滌設備。EGR冷卻器等已集成在機組上，使得柴油機更緊湊也更方便布置。該機型飛輪端上方有增壓器和進氣濾器，在與電球匹配時需要考慮電球與增壓器的干涉情況，若存在干涉則需要調整連接電球的方向。

柴油機與電球共同組裝在公共底座上，要求熱態拐檔差不超過0.05 mm， 因此在柴油機與電球對中時需要特別注意，應將一端調整為水平，從該端到另一端通過拂配調整好墊片以控制拐檔差;做完臺架試車后及時檢查拐檔差，若超差則需要重新對中調整墊片高度，對中過程中由于高彈對于柴油機與電球兩端軸有夾角、偏斜、間距補償要求，需要綜合兼顧，對中情況的符合度需要在臺架進行試驗驗證。

該機型較瘦長，在機艙布置中需要注意設備進艙的路線、時機和行車吊梁的設置，提前做好方案。該柴油發電機組與船上底座采用彈性減震器連接，要求基座面板加工后平面度誤差≤5 mm;該機組吊裝上船后需要根據減震器的下沉量再去拂配船體基座間的鋼墊片，主發電機組與船體安裝座的單個墊塊四周高差不超過0.5 mm，每臺發電機組任意兩個墊塊高度差不超過1.5 mm，確保拐檔差不超過0.05 mm。

該機組采用VULKAN品牌的T90型隔振器：每個隔振器使用的鋼墊片不多于2個，所有隔振器測量值之間的差值不超過 2 mm;單個隔振器在 TB1 /TB2 方向上（見圖2）的測量值偏差不大于0.6 mm、傾斜角不大于 0.5°;當設備載荷全部加載至隔振器時，調節限位螺栓逆時針旋轉至最上端，再順時針將限位螺栓旋轉三圈，使限位螺栓底平面與底板的距離為6 mm。

柴油機排氣膨脹節與排氣管之間應預留不少于5mm的安裝距離，即自由狀態下膨脹節與排氣管應有不少于5 mm的空間距離;總排氣管必須固定，不能將重量施加在排氣總管膨脹節及柴油機上;主發電機組對外連接的管系應采用彈性連接，每500 mm需設置一個固定鋼管夾。

該機型對外電氣接口都為接插式，接插器位于柴油機中部，為提升電氣元件壽命需綜合考慮電氣控制箱的位置及電纜的布置路徑。

3.2? 系統的裝船要求

3.2.1 通風系統

排氣系統再循環回燒過程中，雖然部分熱量被EGR冷卻器帶走了，但由于高溫廢氣在機器上循環滯留時間長、輻射熱量多，EGR冷卻器外表面的溫度高達60 C°。為了防止燙傷，在機器外高溫表面設置了隔熱毯，但并不能解決熱量輻射問題。因此，通風系統設計除了需要保證足夠的機器供氣量外，還需要適當增加換氣數量、次數和維持一定正壓，確保機艙其他設備在正常的溫度下運行。

機艙通風設計時，需考慮柴油機通風的參數：每臺主發電機的散熱量為94 kW;每臺主發電機運行所需的空氣量為13 140 m3/h;每臺主發電機排煙管的散熱量為0.3 L （kW） ，? ?L為排煙管長度。

3.2.2燃油系統

日用油箱高度（油箱底部距曲軸中心線）不小于2.5m，可依靠重力從日用油柜將燃油補給柴油機;設備自帶燃油輸送泵（流量不小于2.2 m3/h）及備用泵各1臺;機帶進機雙聯精濾器（過濾精度5μm）、機帶燃油溫度傳感器及燃油壓力傳感器、機帶高壓燃油共軌泵各1臺;高壓燃油泵至缸頭噴嘴采用雙層管，雙層管中間設有泄露報警和泄放口;供油外部管路上設置進機雙聯粗濾器（過濾精度300μm）、油水分離器及燃油預供泵;燃油進出機器的閥聯動（需遠離主發電機5 m以外）。

3.2.3滑油系統

該機型帶有濕式油底殼，要求預供滑油泵輸送流量不小于8.2m3/h、主濾器過濾精度15μm、進口機油流量101.7 m3/h、滑油進口溫度小于等于86 ℃、柴油機滑油末端壓力大于0.27 MPa。

機體自帶滑油輸送泵、機帶滑油濾器、滑油自清濾器、滑油冷卻器、滑油溫控閥、滑油溢流閥、滑油備用泵、外部管路散供安裝滑油預供泵，用戶只需連接滑油預供泵接口、及分油機接口、滑油注入口，即可完成整套滑油系統管路的安裝。

GE柴油機要求采用SAE40或SAE20W40機油。選擇具有去污力、分散性、抗氧化性、堿含量等性能良好且適宜于額定輸出、燃油類型和柴油機操作工況的潤滑油，這樣才能保證磨損最小、燃燒室沉積物最少、機油使用壽命長。

3.2.4啟動空氣系統

本機帶啟動空氣過濾器，啟動空氣壓力為3 MPa、啟動空氣消耗量（20 ℃、1個大氣壓下）為3.9 m3/次;機帶氣馬達工作壓力為6.2 Bar;機帶30 ～6.2 Bar減壓閥;從啟動空氣瓶出來的管路到汽水分離濾器的管路通徑為DN80。

3.2.5冷卻水系統（高低溫）

冷卻水系統采用了高、低兩套獨立的循環系統：高溫冷卻水系統為冷卻缸套及作為第一級中冷器（即EGR冷卻器，冷卻再回燒的廢氣）;低溫冷卻水系統為滑油及作為第二級中冷器（即增壓器冷卻器，冷卻進排氣溫度）。

高溫冷卻水系統采用混水型：冷卻水容量0.36 m3、水進機壓力0.4 MPa、出機溫度小于等于91 ℃、柴油機起動前冷卻水預熱溫度大于等于76 ℃、水溫控制閥設定溫度為71 ℃、機帶水泵額定流量65 m3/h、水膨脹水箱容積不小于0.115 m3、水膨脹水箱高度（水箱底部至水泵中心線）不小于3 m，建議每臺柴油機一個膨脹水箱。

低溫冷卻水系統：冷卻水容量0.027 m3、水泵出口壓力0.4 MPa、水溫控制閥設定溫度為38 ℃、膨脹水箱容積不小于0.115 m3、膨脹水箱高度不小于3 m。建議每臺柴油機一個膨脹水箱，最好將高低溫膨脹水箱設計成二合一，中間設置隔離板。

由于來自任何渠道的生水都可能含有引起腐蝕或水垢的元素，導致柴油機效率損失，因此對冷卻水應當進行處理使這些有害元素的影響降至最低。GE推薦的幾種品牌的添加劑在國內都無法采購到，其要求添加劑為基于亞硝酸鹽即可，實船使用的是DREW品牌的Maxigard冷卻水添加劑。

3.2.6排氣系統

主發電機組采用ABB品牌的渦輪增壓器，允許的排氣背壓不小于4.0 kpa、排氣流量（100%負荷時）417 m3/m、排氣溫度（100%負荷時）358.8 ℃。在設計廢氣鍋爐和消音器時，需注意排氣背壓的相關參數。

主發電機組NOx的排放直接達到了IMO TIERⅢ標準，相對其他品牌機型可節約包含SCR反應器、混合管、噴射泵、尿素艙、控制系統、洗滌系統等相關設備采購和維護管理費用，并節省船體空間使得機艙和煙囪布局更加簡潔。

在布置排氣系統時需注意：其曲軸箱透氣管并非與其他船一樣伸向油霧箱或主甲板，而是直接連至排煙總管上，其EGR冷凝器的透氣管需連接至排煙總管上。

3.2.7控制系統

該機組帶15 m接插電纜，每機3個電氣操作箱（ICB主發柴油機接線箱、PU主發電源單元、PSU主發電源供電單元） 需從機體移下來安裝于機旁，需綜合布置電箱基座、電纜路徑、設置電纜槽，避免安裝于公共底架上產生振動影響電氣元件使用壽命。

該機組控制系統設置有72個降負荷、停車報警點用于保護該機組，考慮到船舶使用需求，實際做了第一級報警及部分降負荷、第二級停車。

3.3 TIERⅢ排放實船試驗

該機型首次申請CCS的TIERⅢ證書，實船試驗是在CCS的見證以及第三方檢驗機構的協助下，在實船上進行驗證其排放情況。

試驗要求：（1）在排煙管上取2個檢測點，方便將主發電機排出的氣體進入檢測儀器中。同時，為了不破壞排煙管結構，在原排煙管末端接入一段工裝管，上方焊接兩個G1/2”的儀器接口焊接座;（2）將使用的柴油進行取樣化驗（約1 L）;（3）在試驗過程中，測量柴油機在25%，50%，75%，100%工況下的油耗;（4）在機器本體上找到技術案卷中提及的各個相關部件、傳感器的編號，并拍照留底。

測試采樣點設在距柴油機增壓器廢氣出口之后10倍以上管徑處，并距排氣系統出口的上部0.5 m或3倍于排氣管直徑（取大者）處;測試采樣點處的廢氣溫度至少為70 ℃，用于碳氫化合物測量的廢氣溫度至少為190 ℃。

取樣探頭為不銹鋼直管，末端封閉，內徑不大于取樣管路內徑、壁厚不大于1 mm;探頭的軸向上等間距取5個不同徑向平面，每個徑向平面管壁上開3個孔并呈120°角分布;取樣探頭伸入排氣管內長度，至少為排氣管內徑的80%。

測試在柴油機每一工況穩定后進行：每一測量點的柴油機轉速調整偏差應不大于額定轉速的±1%（怠速除外）;負荷調整偏差（測量過程平均扭矩與該工況規定扭矩的偏差）應不大于額定轉速下額定扭矩的±2%。

每一測量點至少穩定運轉5 min后，從柴油機排氣中連續取樣測量，將測量數據輸出記錄;分析廢氣記錄時間應不少于10 min，每分鐘記錄數據不少于3個，取10 min的平均值進行最后的NOx排放計算。此外，應按照試驗數據記錄表對每個測量工況點（柴油機的25%、50%、75%、100%工況）的所有數據進行詳細記錄。最終測量結果如表1所示。

經第三方廠家進行檢驗并分析，其NOx的排放為1.70 g/kW.h，小于2.26 g/kW.h，滿足IMO的要求，最終CCS頒發了柴油機國際防止空氣污染證書。

4? ?總結

通過對該機型特點及裝船技術要點的剖析，可知其在排放、油耗及系統設計方面較為先進，對于簡化機艙布置有很大幫助。該機型是CCS頒發的第一臺直排達到TierⅢ的中速柴油機，為挖溝船提供了一顆健康強勁的心臟。