MAN 二沖程柴油機部分負荷/低負荷優化方法

李金華

（江門市南洋船舶工程有限公司，江門 529145）

1 前言

減少船舶CO2排放并盡可能降低推進主機在各種負荷下的燃油消耗，是船舶設計和建造的重要目標。但是，減少CO2排放及降低油耗率通常會導致船舶航速下降，因此在降低柴油機負荷的情況下對主機在部分負荷/低負荷下進行負荷優化，使SFOC 達到最優，進而給營運船舶帶來較好的經濟性。

我司與日本NISSHIN 船東簽約的10 艘39 000 DWT和12 艘39 300 DWT 靈便型非運木散貨船，船東對航速沒有特別的要求。本文介紹這二型船主機部分負荷/低負荷的優化過程，對比主機廢氣所產生的蒸汽量、燃油消耗率以及采用EGB 的部分負荷/低負荷優化方法。

2 部分負荷/低負荷優化方法

主機的NOx 排放值，是由25%、50%、75%、100%負荷下的NOx 排放值以不同權重所得的綜合值，即IMO Cycle = 5%*NO x（25） + 11%*NO x（50） + 55%*NO x（75）+ 29%*NO x（100）。

從上述計算公式可知：低負荷區的NOx 排放值所占權重較小，因此可以利用上述關系來改善不同負荷下的油耗：減少部分負荷的油耗、適當增加高負荷區的油耗，使整機的NOx 排放值不變。

2.1 SFOC 優化負荷范圍

高負荷——（85% ～ 100%）SMCR

部分負荷——（50% ～ 85%）SMCR

低負荷——（25% ～ 70%）SMCR

2.2 部分負荷/低負荷優化的方法

（1）廢氣旁通（EGB）

EGB 優化方法只需安裝一套帶蝶閥的廢氣旁通管道及簡單的控制電路，適用于ME/ME-C 和MC/MC-C/ME-B 型柴油機。其控制和安裝簡單、成本低、可靠、效果也不錯；

（2）可變噴嘴環（VT）

VT 優化方法需要安裝特殊的渦輪增壓器來改變增壓器噴嘴環的面積，在柴油機低負荷范圍內噴嘴環的面積最小，當柴油機負荷增加到大約80%以上時面積開始逐漸增加，直至柴油機100%負荷時達到最大。此優化方法的SFOC在低負荷下降低、在高負荷下較高，適用于ME/ME-C 和MC/MC-C/ME-B 型柴油機。其成本高、增壓器結構復雜，廣泛應用于VLCC等大型船舶；

（3）性能參數調整（ECT）

ECT 優化方法是利用可變排氣閥正時和噴射剖面的可能性，只改變Pmax 和柴油機控制參數。但優化效果不是很好，且只適用于ME-C 型全電噴柴油機。

3 EGB 優化

3.1 EGB 優化原理

EGB 的原理就是在配機的時候采用偏小的高效增壓器，并通過改善主機在部分負荷/低負荷的掃氣壓力來改善燃氣情況，降低燃油消耗。但主機運行到90%負荷以上時，由于增壓器偏小，為了防止增壓器超速，將大約6%的廢氣通過與排氣箱連接的支管被旁通（不經過增壓器）到排氣總管直接排到大氣中。

當主機在100%負荷時EGB 全部打開，在大約85%負荷時EGB 開始關閉并在70%負荷以下時完全關閉。對于部分負荷優化（負荷低于85%），相對于高負荷SFOC 將減小；對于低負荷（負荷低于70%），相對于部分負荷SFOC 將進一步減小；在高負荷范圍，SFOC 將增加。

根據EGB 的負荷優化原理，船隊就可以綜合考慮貨運周期要求、貨運單價、燃油價格靈活調整主機負荷，以達到降低貨運成本的目的。

3.2 EGB 的控制模式

3.2.1 掃氣壓力控制

當主機運行在100%負荷條件下，由于主機的掃氣壓力太高，EGB 閥完全打開，此時廢氣不通過增壓器而是通過EGB 的旁通管直通至大氣中；而在部分負荷（約85%左右的負荷）情況下，掃氣壓力開始降低，EGB 閥的開度開始減小，并在負荷低于70%的時候完全關閉。此時廢氣全部通過增壓器，使掃氣壓力增大，燃油能在燃燒室進行充分的燃燒，因此降低了主機在部分負荷/低負荷時的SFOC。EGB 旁通閥的開/關以及開度的控制，是通過期望的主機掃氣控制曲線進行的（見圖1）。

圖1 掃氣控制曲線

掃氣壓力控制曲線是在車間臺架試驗中設定的，臺架試驗當天的環境條件將影響控制曲線。冬天會導致較高的掃氣壓力，而夏天則會使掃氣壓力低于ISO。因此在同一系列中的柴油機將有不同的掃氣控制曲線，其取決于是在哪一個季節進行的車間臺架試驗，這將給制造廠、船東和主機操作者之間造成混亂。

在熱帶條件下高溫運行時，掃氣壓力從ISO 的PSCAV 降到熱帶和PSCAV（見圖1）。為了補償掃氣壓力的損失，要求避免開啟EGB 閥，從而使掃氣壓力更接近PSCAV 控制曲線，但這樣會降低廢氣的溫度，影響廢氣鍋爐的蒸汽量。

3.2.2 負荷控制

為了解決用掃氣壓力控制EGB受環境條件的影響，在主機進行車間臺架試驗時，采用柴油機負荷來控制EGB 閥的開度，在系統參數里設置好EGB 開度的最大及最小位置。EGB 打開或關閉過程由柴油機控制系統ECS 的掃氣控制單元（SCU）來控制，SCU 是ECS總網絡的一部分，SCU 的主操作面板（MOP）和多用途控制器（MPC）的設置，必須在車間臺架試驗時完成。EGB 的負荷控制模式，能夠在較低負荷下通過匹配更好的增壓器來減少SFOC，也能夠在極低的溫度環境下運行主機。EGB 負荷控制模式可參考MAN Diesel &Turbo 的Operation Recommendation 0743765-3.4 文件。

4 實船應用

我司開發設計的12 艘393 000 DWT 系列靈便型非運木散貨船安裝的5S50 ME-B9.3 主機（Tier Ⅱ，MCR 8 900 kW/117 r/min，SMCR 6 050 kW/99 r/min，45 38 kW / 89.9 r/min），采用了部分負荷/低負荷帶EGB的優化方法。

4.1 部分負荷/低負荷優化與高負荷的對比

部分負荷/低負荷優化的燃油消耗率、對應的理論航速及日油耗比較，見表1；負荷優化對應的燃油消耗率曲線，見圖2。

表1 不同負荷下的燃油消耗率/航速/日油耗對比表

圖2 負荷優化對應的燃油消耗率曲線

4.2 負荷優化的效果

EGB 旁通管道的實船布置，見圖3。EGB 蝶閥、傳感器及控制系統由MAN 的專利廠家隨機提供，船廠只安裝EGB 蝶閥之后的旁通管。

從表1 及圖2 可以看出：（1）對于部分負荷優化，大約從80%SMCR 開始燃油消耗率將減小，大約在65%SMCR 時燃油消耗率最低，其航速為14 kn、主機日油耗為14.9 t。對比此功率時不作優化的日油耗為15.2 t，每天減少0.3 t；對于低負荷優化，大約從75%負荷開始燃油消耗率將減小，大約在65%SMCR 時燃油消耗率最低，航速為14 kn、主機日油耗為14.7 t，而對應此功率的不作優化的油耗為15.2 t，每天減少0.5 t；在65% SMCR 以下負荷，低負荷優化的燃油消耗率比部分負荷優化低2 g/kW.h、比高負荷模式低5 g/kW.h。

我們將此型主機低負荷優化方法應用到10 艘39 000 DWT和12艘39 300 DWT靈便型非運木散貨船，22 次航行試驗測試的平均燃油消耗率是158.2 g/kW.h（理論計算值是159.4 g/kW.h），達到了該型主機臺架試驗規定的燃油消耗率要求，這樣的油耗差異對一艘具有15 年船齡的船舶來說，經濟性是相當可觀的。

圖3 EGB 旁通管道的實船布置

5 結束語

隨著航運業不景氣及燃油價格升高，絕大多數的船東選擇大功率主機，并采用部分負荷/低負荷優化來降低燃油消耗率。此外，主機處于低負荷時其汽缸滑油的使用量也將減少。雖然，減小主機功率降低了航速，但對航程和航行周期沒有嚴格要求的情況下，則會帶來節約燃油和汽缸滑油的經濟效益。

EGB 的開啟降低了掃氣壓力和廢氣量，從而使主機的服務功率（CSR）及廢氣鍋爐的設計點降到50%～80%SMCR，這兩者的同時降低將使廢氣鍋爐的蒸汽量減少，特別是在寒冷的冬天，降低負荷會帶來船上蒸汽量不足。為此，為了增加鍋爐的蒸汽量，在實船設計上可將主發電機所產生的廢氣接入鍋爐，通常接入兩臺發電機的排氣管投入成本不大。正常航行時，通常運行一臺發電機（原動機為600 kW 左右）將產生約200 kg/h 的蒸汽，可以彌補一定的蒸汽不足；另一種方法是安裝一臺發電機廢氣經濟器，利用發電機產生的近400 ℃廢氣將經濟器的水加熱到80 ℃～100 ℃，然后通過高溫水輸送泵及管路將高溫水壓入燃油-廢氣組合鍋爐繼續加熱至飽和蒸汽，以補充廢氣量。

部分負荷/低負荷從75%的功率點開始，燃油消耗逐步降低，而船舶能效設計指數 EEDI 經船級社最終認可值是4.53，比IMO 要求的基準值（6.17）降低約26.6%，因此完全滿足該法規的要求，已達到了相關法規Ⅱ階段（2020 年以后）的要求。