某海洋平臺廢氣渦輪增壓中冷柴油機提高性能探究

甘景建

摘要：廢氣渦輪增壓中冷柴油機廣泛應用于海上油氣開發，在柴油機運行過程中，增壓后空氣溫度下降可以提高進氣空氣密度，進而提高柴油機功率以及效率。通過現場運行分析發現，隨著柴油機功率提高和空冷器換熱效率下降，增壓空氣溫度上升，而柴油機低溫水出口溫度設定為50℃不變，導致了柴油機性能降低。本研究通過理論分析、實驗等方式對該柴油機進氣溫度可變性進行分析研究，尋求最佳進氣溫度以提高主機燃油效率、降低排氣溫度及污染物排放。

Abstract： Exhaust gas turbocharged intercooled diesel engine is widely used in offshore oil and gas development. During the operation of diesel engine， the decrease of supercharged air temperature can improve the intake air density， and then improve the power and efficiency of diesel engine. Through field operation analysis， it is found that with the increase of diesel engine power and the decrease of air cooler heat exchange efficiency， the charge air temperature increases， while the low temperature water outlet temperature of diesel engine is set at 50 ℃， which leads to the reduction of diesel engine performance. In this study， the variability of intake air temperature of the diesel engine is analyzed and studied by means of theoretical analysis and experiment， so as to find the best intake air temperature to improve the fuel efficiency of the main engine and reduce the exhaust temperature and pollutant emission.

關鍵詞：海洋平臺;渦輪增壓;柴油機;性能提升

Key words： offshore platform;turbo;diesel engine;performance improvement

中圖分類號：TK421.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0088-03

0 ?引言

在柴油機運行過程中，隨中冷器前進水溫度的升高，中冷器冷卻效率下降，造成進氣溫度的提高，發動機最大功率會下降。隨著渦輪增壓器空冷器的長時間運轉，空冷器水路臟堵、換熱效率的下降、環境溫度的變化等影響，繼續維持原定的低溫水出口溫度為50℃會使增壓空氣的溫度升高。

增壓空氣的溫度升高會造成：

①在柴油機功率高的情況下，易產生增壓器的喘振;

②使氣缸中的工作氣溫相應升高，與工作氣體相接觸的零件如噴油器、活塞、活塞環、氣缸套和氣缸蓋等所承受的熱負荷增加;

③將使氣體密度減少，油耗增加，柴油機功率不能充分發揮;

④會造成柴油機排氣溫度急劇升高，造成渦輪葉片強度下降，零件不耐用，機械負荷增加引起事故。

通過查閱參數表及空氣物性表可知：

①在給定的增壓的壓力下，增壓空氣每下降10℃，它的密度就增大3%，當空氣燃料消耗率都保持不變時，柴油機的功率就能提高3-5%。

②不僅如此，發動機效率也隨增壓空氣溫度下降而上升。從實踐中可知，增壓空氣溫度每下降10℃，效率提高約0.5%。

③降低進氣溫度還可以降低發動機的熱負荷和排氣溫度。

④同時降低了氮氧化物的排放。

1 ?冷卻系統設置變化對柴油機的影響分析

1.1 柴油機冷卻流程分析

通過對該柴油機冷卻水系統的分析表明，混水段的冷卻水（溫度60-70℃）和中冷器出口冷卻水（15-35℃）通過全流量三通溫控閥被低溫水泵泵入機體，并聯分兩路分別流入機油冷卻器和空冷器，冷卻后匯入低溫水出口主管路中。全流量三通閥的取溫點在該出口主管路上。該平臺主機冷卻水流程如圖1所示。

該平臺固定該全流量三通閥的控制溫度為50℃。如果想改變進氣溫度，必須改變該控制溫度。理論上低溫水進機溫度能達15℃（溫控閥全開時）至70℃（溫控閥全關時）。通過更改空冷器冷卻水進口溫度來調節進氣溫度理論上是可行的。本人通過與主機廠家工程師的溝通，也得到廠家沒有規定控制溫度為50℃的條款。

1.2 更改冷卻系統參數對其它系統的影響分析

1.2.1 對潤滑系統的影響

主機低溫水主要是空冷器和機油冷卻器的冷卻水源，而且共用進水通道和回水通道。想要改變進氣溫度就要改變低溫水進口溫度，那樣會影響主機滑油的溫度，影響主機潤滑工況，滑油粘度過高增加零件潤滑阻力以及增大與潤滑件的溫差從而導致熱應力的增大，減少主機備件的使用時間。理論上由于滑油溫控閥的存在，改變低溫水進口溫度對主機進機滑油溫度影響很小，可以在主機滑油要求的范圍內。實驗過程中，在改變冷卻水進口溫度（從40℃一直調整到33℃）后，滑油溫度依然維持在61℃，在主機要求的滑油正常溫內。

1.2.2 對其他備用主機的影響以及整個冷卻水流程的影響

高溫水的入口為混水段和高溫水出口混合而成。主機的高溫水冷卻與低溫水冷卻基本上算相互獨立。正在運行主機的高溫水理論上水溫無變化（一般高溫水進口溫度達83-91℃，遠遠高于混水段溫度60-70℃，以及由于機體內部的高溫水溫控閥作用），低溫水的改變不會影響高溫水的過冷或過熱。實驗當把低溫水進口溫度調整為現階段最低溫度時（由于中冷器冷卻效果不佳，該溫度在實驗時只能降到33℃，中冷器冷卻效果好時能做到進口溫度15℃）。正在運行主機的高溫水水溫均無明顯變化，實驗證明低溫水的改變對高溫水冷卻側無影響。

實驗發現，該主機混水段溫度由63.4℃升至72℃。由于混水段的水要為備用主機的低溫水預熱器提供備用主機預熱的作用。溫度升高也不會影響備用主機的正常備車?；焖螠囟壬仙脑驗榭绽淦鲹Q熱增加，冷卻水所帶熱量增多。

綜上分析，柴油機進氣溫度存在較大的調節范圍，對其它系統影響可以忽略。

2 ?進氣溫度變化對柴油機性能影響研究

廢氣渦輪增壓器轉速與主機功率有關，隨著主機功率的提升，廢棄渦輪轉速上升，隨之掃氣壓力上升，掃氣溫度隨之上升。為保障掃氣溫度保持一個恒定理想數值，這時就需要將低溫水進口溫度下調?？绽淦骺諝獬隹跍囟确蠐Q熱器經驗公式：Tc=T2-nc（T2-Tls）。Tc為空冷器空氣出口溫度，T2為空冷器空氣進口溫度，nc為冷卻系數，一般取0.7～0.9，Tls為冷卻水進口溫度?？绽淦骺諝膺M口溫度也就是壓縮機出口溫度T2，T2符合絕熱壓縮公式：

T1為渦輪進口溫度，P2/P1為壓縮比，K為絕熱指數取1.4，ηmk為壓氣機效率，τ代表向外散熱系數冷卻系數，一般取1.04-1.1。

夏季主機功率30-50%，取夏季樂亭地區（該主機所在地區）最高溫度32℃計算，其余時間取樂亭地區全年平均溫度10℃。冬季主機功率為80%，取樂亭地區冬季平均溫度0℃到10℃。換熱效率取80%。根據以上數據、公式，可以算出大致的主機常用工況下功率在需要的某掃氣溫度與進口溫度的關系。

通過計算結果分析可知，隨著環境溫度的升高，在固定掃氣溫度所需的低溫冷卻水會隨著環境溫度的升高而降低。隨著所需掃氣溫度的降低，所需低溫水也降低。為了保障良好的冷卻效果，除了保障空冷器的冷卻效果，剩下的就得靠海水中冷器的冷卻效果。中冷器的冷卻能保障低溫水范圍在15-35℃，在中冷器正常情況下可以完成上述空冷器掃氣溫度40-60℃變化范圍。在夏季由于海水溫度的升高，中冷器的冷卻效果不佳，且隨著中冷器的使用冷卻效果會越來越差，不能完成上述掃氣溫度范圍。

2.1 掃氣溫度分析

在夏季高溫高濕的環境下就要考慮壓縮后的空氣經空冷器后的析水問題。在夏季高溫時（樂亭地區夏季高溫可達35℃，相對濕度接近100%，取最惡劣天氣），則可以讀出這時空氣中含水量為0.036公斤水/公斤干燥空氣。此時主機的功率在50%，掃氣箱壓力為1.1bar，則絕對壓力為2.1bar，從空氣焓濕圖中近似讀出水露點為49℃。如果將掃氣溫度設定在40℃時，從空氣焓濕圖中近似可以得出空氣中只能容納0.022公斤水/公斤干燥空氣。這樣就會有0.014公斤/公斤干燥空氣將以冷凝水的形式出現。水是不可壓縮的，容易造成氣缸過壓，進入滑油中使滑油乳化，進入氣缸后甚至會造成低溫腐蝕，應避免空氣中的液態水進入氣缸。

2.2 掃氣壓力分析

中冷器上有常開泄放口，能使增壓空氣經冷卻后析出的水流出，優勢就是能避免上述析出水對主機造成的不良影響問題，缺點就是浪費了寶貴的增壓空氣。通過分析和合理的設定掃氣箱溫度保障了在掃氣壓力下無論天氣怎樣變化都不會有空氣中的水析出，此時就能將常開泄放口加上快速球閥，每兩個小時巡檢打開一次檢查是否有水就可以了，避免了增壓空氣的浪費，提高了進氣效率。

2.3 主機啟動困難問題

三臺主機在冬季啟動時均存在不同程度的啟動困難問題。該平臺為柴油原油雙燃油主機，啟動時先用柴油模式啟動而后切為原油模式。實驗發現，在啟機時通過將低溫水入口溫度調至65℃（該溫度浮動，調至混水段的最高溫度）使主機啟動變得容易。啟動成功并帶負載后再將恢復到原來的掃氣溫度。該平臺使用的是劣質燃油，芳香烴的含量較高的原油，經過分油機及增壓單元加熱加壓后供主機使用，在嘗試將低溫水入口溫度調至最高直接用原油啟動主機的方案后，實驗效果較好，可滿足正常啟動要求。

3 ?進氣溫度對主機性能的影響

在全負荷工況，由于驅動渦輪的氣缸排氣能量的改變會使渦輪增壓器的響應特性發生變化，增壓壓力將隨掃氣溫度的降低而下降。氣缸壓縮終止壓力與增壓壓力有很大關系，增壓壓力是空氣在氣缸壓縮行程中的初始壓力。因而，增壓壓力的提高會使氣缸壓縮終止壓力增大。提高此參數通常會提高柴油機氣缸指示效率。降低掃氣溫度有可能降低增壓壓力。當主機的進氣溫度從55℃降低到51.5℃時，因為在主機功率維持3800kW左右保持恒定，排除功率對掃氣壓力的影響。室外溫度也保持基本恒定，影響也可以排除。隨著掃氣溫度的下降，掃氣壓力基本上保持在1bar，沒有下降。所以在非滿負荷下，掃氣溫度的降低基本不會影響氣缸排氣能量，從而對掃氣壓力的下降的影響不大，所以不會因為掃氣壓力的下降導致主機氣缸指示功率的下降。

隨著掃氣溫度降低，進氣密度將會增大，從而提高氣缸充量系數。充量系數的提高會改善燃油的霧化質量和燃油與空氣的混合程度，并將縮短物理滯燃期。對增壓空氣進行冷卻從而降低掃氣溫度，可以提高進缸空氣密度，增加主機的進氣量，并降低受熱零件的熱負荷，是強化主機的有效措施。在降低掃氣溫度后，主機的掃氣溫度從55℃降低到51.5℃。因為在主機功率維持3800kW左右保持恒定，排除功率對排氣溫度的影響。室外溫度也保持基本恒定，對排氣影響也可以排除。由于主機掃氣溫度溫度的降低，使主機排氣溫度顯著下降，有效的降低了熱負荷。改變掃氣溫度至50.5℃，所得的結論和上述結論基本一致。

對燃燒消耗的影響。由于平臺燃油流量計損壞，不能顯示油耗。但通過V-7001液位變化顯示耗油程度，但不能量化。在缺乏燃油流量計的情況下，通過在基本相同功率，相同工況，相同環境下，做日用燃油罐對應的相同液位變化取時間來體現燃料的消耗量。在掃氣溫度差3.5℃時，在相同液位變化下，掃氣溫度溫度更低的耗時更長且在此時的平均功率高100kW。說明在掃氣溫度溫度更低時耗油更低。

4 ?工況良好主機與工況惡化主機的對比結論

對比工況較好的主機A與即將大修工況不好的主機C相同功率下進行進氣溫度降低1℃的各缸排溫對比如表1所示。由表可知，在功率下掃氣溫度每降低1℃，單缸溫度下降明顯，并且工況越差的主機降溫效果更佳明顯。分析可知，工況較差的主機燃燒不充分，熱負荷大，通過降低進氣溫度來降低其燃燒及負載效果明顯。通過改善進氣溫度就能使原本工況較差的主機在較的熱負載下運行，增強了其穩定性。

5 ?結論

本研究解決了諸如環境溫度低狀態下的啟機難問題、啟機時用原油代替柴油問題（每次啟機消耗柴油1m3，一年節約10萬元）、臨近大修主機運行工況較差問題及提高其運行穩定性以及降低其熱負荷問題、按理論計算將每年節省原油近40噸（理論增壓空氣溫度每下降10℃，效率提高約0.5%。50%負載時進氣溫度約降低4-7℃，80%負載時進氣溫度約降低6-10℃）、不良工況下主機因環境溫度升高而造成的功率無法達到正常狀況的改善、取得良好的節能減排效果、解決了掃氣箱進冷凝水問題以及減少了增壓空氣的浪費、降低了因主機熱負荷高造成的諸多不良影響等問題。

該技術具有很高的推廣性，海上平臺及海洋船舶的柴油機應用很高，不同廠家的柴油機應該有相應的最佳進氣溫度或者其范圍，通過改變冷卻水的流量或者降低冷卻水的溫度使空冷器始終保持良好的工作狀態以達到良好的進氣溫度。無論從油耗還是排放上都能達到良好的效果，并提高柴油機的穩定性及可靠性。

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