40 000 DWT散貨船滿足TierIII的設備選型與系統布置

摘? ? 要：通過對目標船功能需求的分析，優選出40000DWT散貨船適合TierIII的技術方案，根據機艙布置合理規劃出設備的布置空間，以滿足主機和發電機排放達到規范要求，打造綠色低碳船舶，增強40000DWT散貨船的市場競爭力。

關鍵詞：主機；NOx排放；混合器；反應器

中圖分類號：U664.121 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Tier III Equipment Selection and System Layout Design in

Compliance with 40 000 DWT Bulk Carrier

CAO Yandong

（ Jiangmen Nanyang Ship Engineering Co.，Ltd.，? Jiangmen 529145 ）

Abstract： Prefer the Tier III technical scheme suitable for 40 000 DWT bulk carrier through the deeper analysis on the function requirements of the subject vessel. According to the engine room layout，? give a reasonable plan of space arrangement for Tier III equipment， so as to meet the arrangement of Tier III equipment required for main engine and generator to the latest Rules emission requirements for new ship buildings， and build more green low-carbon ships and increase the market competitiveness of 40 000 DWT class bulk carrier.

Key words： Main Engine; NOx Emission; Mixer; Reactor

1? ? ?前言

根據IMO MEPC（66）會議決議，在2016年1月1日之后建造的船舶在排放控制區域（ECA）航行，安裝的主機必須強制滿足NOx Tier III排放標準。

目前主機NOx排放滿足標準的主要技術途徑有兩種：選擇性催化還原（SCR）和廢氣再循環（EGR）。其中，SCR是NOx后處理技術，EGR是控制NOx生成。本文對這兩種方案進行綜合分析，確定適合本船配置的技術方案，并根據TierIII設備的配置和外形尺寸等，結合40 000 DWT散貨船的機艙布置，選出最合理的設備布置方案。

2? ? 技術途徑選擇

2.1? ?EGR和SCR的選擇

首先要對EGR和SCR進行初步對比分析：EGR系統主要由水處理單元、污水收集柜、NaOH儲存柜以及管系與控制系統組成，配套輔助設備較多且均集成在主機本體上，導致主機總體尺寸增大。根據初步放樣，配套EGR的主機會對本船機艙布置帶來困難，并且EGR的60%NOx減排效果，較SCR的80%～95%減排效果還稍差，同時目前市場上采用SCR技術途徑的也相對較多，技術也相對成熟，所以本文重點針對SCR系統進行實船布置。

2.2? SCR系統主要組成和選擇

SCR系統主要：由蒸發器和混合單元、SCR反應器、吹灰系統、尿素儲存柜、尿素供應單元、主機控制系統（ECS）組成。由于混合單元和SCR反應器的尺寸較大，因此關鍵是混合單元和SCR反應器在船上有合適的空間和位置進行布置。

SCR系統目前主要有兩種型式：一種是高溫高壓側SCR系統（簡寫為HPSCR），即反應器和混合管布置在增壓器前；另一種是低溫低壓側SCR系統（簡寫為LPSCR），即反應器和混合管布置在增壓器后。前者布置的空間有限，但可以獲得較高的反應溫度、NOx轉化效率較高；后者有相對寬敞的布置空間，但排氣溫度較低，需配置額外的燃燒器提高溫度，增大燃油消耗。考慮船上實際布置以及SCR技術的成熟度，選擇市場上應用較多的高壓SCR系統進行布置。對發電機組，由于目前市場上都是采用低壓SCR系統，故發電機采用低壓SCR進行布置。

主機HPSCR布置示意圖和發電機LPSCR布置示意圖，如圖1、2所示。

3? ? 主機HPSCR系統布置

3.1? 系統組成

主機HPSCR系統主要包括：SCR混合管、SCR反應器、尿素泵站單元、壓縮空氣單元、PLC控制柜、尿素柜（和發電機共用）等。由于SCR混合管和反應器的尺寸較大，需重點考慮這兩大設備的布置方案。

3.2? ?主要設備布置

系統設備布置如圖3和圖4所示。

從圖3、4可以看出：SCR混合管是布置在機艙上平臺右舷位置，SCR反應器是布置在下平臺艉部中間區域。本船機艙下平臺艉部區域由于布置了板冷，無法布置尺寸較大的反應器，而機艙上平臺右舷位置有較大空間可以布置反應器，但反應器布置后與右舷油艙壁距離過近，通道無法保證，故決定將上平臺右舷油艙壁向舷側方向平移兩檔約1.6 m，為反應器的布置留出了安裝空間；對于SCR混合管，經過反復放樣布置，最終選擇安裝在機艙下平臺的頂部區域，占據的空間較小，又保證了下平臺的通道。

關于尿素艙的布置，由于尿素溶液在高溫條件下易揮發，所以一般都要求在尿素艙布置冷卻海水管，并且尿素艙要和油艙和淡水/飲用水艙隔離。在設計之初，考慮在機艙上平臺右舷油艙位置隔離出一個尿素艙，但這樣會減少MGO儲存艙的艙容，同時與油艙較近，也不利于尿素的存放，需考慮加冷卻水管；后又考慮在機修間隔離出一個尿素艙，這又要與淡水艙隔開，導致機修間空間減小，同時也不利于尿素的存放。經過多次討論并綜合分析，最終決定在艉壓載艙里隔離出一個尿素艙，這樣尿素艙周圍被海水包圍，有利于尿素溶液的存放，不用再布置冷卻水管。

尿素艙艙容的計算，根據設備廠家提供的尿素消耗量，按主機+兩臺發電機的尿素消耗量：1.8+0.25 X 2=2.3 m3/天。

船舶在NOx排放控制區的行駛時間，按常規14天進行設計，尿素消耗量：2.3 X14=32.2 m3，所以50 m3左右的有效尿素艙容即可滿足一般使用要求，本船設計艙容為73.5 m3。

3.3 主機RSV、RTV、RBV閥件布置

（1）工作原理

Tier II模式下：RBV閥開啟，RSV和RTV閥關閉；主機排氣集管廢氣→經過RBV閥→增壓器→排氣總管。

Tier III模式下：RBV閥關閉，RSV和RTV閥開啟；主機排氣集管廢氣→經過RSV閥→SCR混合管→SCR反應器→經過RTV閥→增壓器→排氣總管。

對于主機排氣集管上RSV閥的布置，廠家可以按船廠要求布置在主機排氣集管艏部的端部位置，這樣對于船廠布置排氣集管到SCR混合管之間的排氣管路較為便利。

5S50ME-C9.7主機的增壓器布置在主機尾部，對于排氣集管和增壓器、RBV、RTV閥之間三通的布置，主機廠家設計初期是按圖5所示的常用布置型式進行布置。但布置在此處會涉及主機上掃氣箱位置結構大的調整，設計周期長，無法保證按時供圖。經和主機廠家以及MAN多次溝通，廠家提供了一種新的RBV閥內置在主機排氣集管里面，如圖6所示。

RTV閥可以以排氣集管為中心，根據管路布置在0～180°的方向上任意角度布置，也可根據船廠要求在排氣集管上進行位置的調整。經過內部綜合分析，采用上述設計方案。

4? ? 發電機LPSCR系統布置

根據設計要求，要考慮兩臺發電機排煙管進鍋爐以增加鍋爐的蒸汽產量，排煙管廢氣經SCR混合管/反應器后直接排出至大氣；NO.2和NO.3發電機SCR系統中混合管/反應器和旁通管為分體式設計，即SCR混合管/反應器和旁通管要分開布置； NO.1發電機SCR系統中混合管/反應器和旁通管為整體式設計。 NO.1發電機布置在偏左舷位置，加上整體式的SCR設備較高，從SCR出來的排煙管因受煙囪結構限制無法再進煙囪，考慮在左舷風機房里留出一部分空間為NO.1發電機布置排煙管。

發電機LPSCR系統的布置方案，如圖7所示。

5? ? 主機和發電機SCR空氣系統設計

主機和發電機無論在TierII還是在TierIII模式下，都需要消耗大量的空氣，根據設備廠家提供的資料：

排放II模式下：主機+1臺發電機空氣耗量：95+12.6=107.6 Nm3/h；

排放III模式下：主機+1臺發電機空氣耗量：180+45=225 Nm3/h；

主機SCR系統需工作空氣壓力7～8 bar，發電機SCR需工作空氣壓力7～10 bar。

初步設計有兩種方案：

方案一：單獨配置一套空壓機和空氣瓶以及干燥器，供主機和發電機的SCR系統專用，這是目前普遍采用的方式。

方案二：和船上現有的工作空壓機和空氣瓶以及干燥器共用，加大原來的空壓機和空氣瓶以及干燥器的容量。

這兩種方案綜合成本對比分析，見表1。

考慮SCR系統用氣特征，單獨配一套空壓機，同時以船上原來的工作空壓機作為備用，即采用方案一：單獨配置一套SCR系統專用空壓機、空氣瓶和干燥器，同時從機艙壓縮空氣系統中接一路壓縮空氣至該SCR空氣系統，作為備用。

6? ? 結束語

該系統涉及設備眾多，設備、管路布置復雜，涉及多專業協調溝通，經過反復研究討論，經歷時間較長，最終形成了具有特色的主機和發電機TierIIISCR系統的布置方案，在行業內具有一定的領先性，增加了本船的市場競爭力。

（1）主機和發電機SCR系統設備、管路布置得到了最優的布置方案，同時對周圍船體結構的修改也最小；

（2）尿素艙布置在艉壓載艙里，由于艙室周圍海水的存在，更有利于尿素溶液的存放，不用再在尿素艙里面布置冷卻海水管；

（3）發電機廢氣在TierII模式下能夠進鍋爐，增加了鍋爐蒸汽產量，為船舶航行提供了更加充足的蒸汽量；

（4）主機上的RBV和RTV閥集成在主機上，更有利于船上主機HPSCR系統管路的布置。

作者簡介：曹艷東（1981-），男，高級工程師。主要從事船舶輪機設計工作。

收稿日期：2022-03-11