船用二沖程柴油機二級增壓技術應用分析

霍旭穎

上海船舶運輸科學研究所有限公司 艦船自動化系統事業部, 上海 200135)

0 引 言

當前,航運界正在大力發展低碳環保的綠色船舶技術。船用二沖程柴油機作為船舶的主推進設備,承擔了主要的節能減排任務。目前針對二沖程柴油機節能減排技術的研究主要集中在使用替代燃料、優化燃燒室工作效率和提升整機工作效率等方面,基于二級增壓的掃氣技術還沒有在船用二沖程柴油機上得到實際應用。因此,本文以二沖程柴油機二級增壓掃氣技術為基礎,對其在節能減排方面的潛在應用進行分析,對其經濟效益進行測算,證明該技術能在發揮環保作用的同時,提升船舶的經濟效益。

1 技術現狀

廢氣渦輪增壓器是二沖程柴油機排氣和掃氣系統的核心部件,其將柴油機廢氣的技術功轉換為機械能,驅動增壓器側葉輪運轉,從而獲得壓縮空氣,實現對燃燒室的循環掃氣。同時,廢氣渦輪增壓器能通過增大注入氣缸的空氣的密度,使燃油得到充分燃燒,從而增大氣缸的輸出功率。

二沖程低速柴油機的增壓器通常采用單級增壓系統,最高增壓比可達4.5～5.0。在不改變現有的柴油機進排氣設計壓力的情況下,將單級增壓系統改為二級增壓系統能產生一定的節能效果。本文以WinGD 6X72-B柴油機為例,對其二級增壓系統進行分析。柴油機的基本參數見表1。

表1 柴油機的基本參數

該柴油機裝配有1臺增壓器和1臺空氣冷卻器,為單級增壓系統。采用WinGD公司提供的計算軟件GTD 2.17.0.1計算出該柴油機的性能和運行參數,其中單級增壓器運行參數見表2。

表2 單級增壓器運行參數

為方便論述,取環境溫度為29 ℃,大氣壓力為101 kPa,排氣口處的絕對壓力為104 kPa;增壓器增壓側的多變指數為1.48,增壓效率為83%;廢氣透平側的多變指數為1.27,透平效率為83%。

2 二級增壓中間冷卻系統

圖1為二級增壓中間冷卻系統架構圖。柴油機的二級增壓系統含有高壓增壓器和低壓增壓器,廢氣先后經過一級透平和二級透平膨脹做功產生軸功,分別驅動二級壓縮渦輪和一級壓縮渦輪運轉。空氣先經過低壓增壓器初步增壓,再經過中間冷卻器冷卻,隨后進入高壓增壓器繼續增壓,接著經過后冷卻器冷卻,最后進入柴油機掃氣箱。

圖1 二級增壓中間冷卻系統架構圖

圖2為二級增壓中間冷卻p-V圖,其中:p為壓力;V為體積。若采用單級壓縮系統,消耗的功相當于面積613″46(即圖2中各點的連線所圍面積,下同);若采用二級增壓系統,消耗的功相當于面積61256與面積52′345之和。采用二級增壓系統節省的功相當于面積2′23″32′。[1]

圖2 二級增壓中間冷卻p-V圖

在二級增壓中,單位氣體所需的總功率為

(1)

當二級增壓的升壓比相等時,二級增壓所需總功率最小,此時式(1)可轉化為

(2)

將表2中的柴油機掃氣參數代入式(1)和式(2)中,計算得到二級增壓中間冷卻所需功率見表3。通過對比可發現,采用二級增壓和中間冷卻技術相比采用一級增壓技術,能節約6.6%～12.1%的壓縮功率。

表3 二級增壓中間冷卻所需功率

3 節余廢氣的運用

通過上述計算發現,采用二級增壓和中間冷卻技術能減少壓縮功耗。經過計算,若將廢氣技術功完全用來進行二級增壓,最大能增加約10%的掃氣壓力,增加的幅度與柴油機的負荷呈正比,負荷越大,掃氣壓力增加的幅度越大。增大增壓器壓力能直接增大氣缸的平均有效壓力,從而增大柴油機的功率范圍[2]。由于增大氣缸壓力會面臨柴油機的機械極限和熱負荷極限的限制,該方式需要在柴油機廠進行全面設計之后才能實施,本文暫不展開分析。

下面以不改變二沖程柴油機動力循環的設計為前提條件,從3個方面對多余廢氣的利用進行設計和計算。

3.1 利用廢氣的技術功

圖3為二級增壓系統和動力透平發電示意圖。將柴油機的廢氣旁通至動力透平發電,多余廢氣發電計算結果見表4。由表4可知,當負荷在70%以上時,該技術方案能回收2.9%～4.9%的電能。若取柴油發電機組的油耗為185 g/(kW·h),每年設備的運轉時間為300 d,主機經常使用的負荷為總負荷的75%,則每年可節省發電用油約865.8 t。船用重燃油的二氧化碳轉換系數為3.114[3]65,這樣每年可減少約2 696 t二氧化碳排放。通過一系列計算可看出,該方案有較高的經濟和環保價值。

圖3 二級增壓系統和動力透平發電示意圖

表4 多余廢氣發電計算結果

船舶能效設計指數(Energy Efficiency Design Index,EEDI)是衡量船舶碳排放控制性能的一個重要指標[3]17。將動力透平在柴油機負荷為總負荷的75%時產生的能量代入EEDI計算公式中,在公式中其他參數均不改變的情況下,可計算得到船舶僅采用該技術方案能使EEDI減小約4.6%。

3.2 提取廢氣的熱能

圖4為二級增壓系統和廢氣鍋爐。在柴油機廢氣進入增壓器之前,先通過廢氣鍋爐提取其部分熱能,這樣能減少增壓器的產出。表5為提取部分廢氣熱能產生蒸汽量與掃氣參數計算結果。只要不影響主機的正常使用,該節能方案就是可行的。

圖4 二級增壓系統和廢氣鍋爐

表5 提取部分廢氣熱能產生蒸汽量與掃氣參數計算結果

影響廢氣鍋爐蒸汽產量的主要因素是廢氣溫度和廢氣量,廢氣溫度和廢氣量又與柴油機的負荷有關。在這里:當柴油機負荷在總負荷的60%以上時,廢氣鍋爐能按10%～11%的比例從廢氣中提取熱能;當柴油機負荷低于總負荷的60%時,廢氣鍋爐提取熱能的比例會快速增大。柴油機負荷越低,廢氣鍋爐提取熱能的比例就越大。提取的熱能增加必然會使增壓器的壓縮空氣產量減少,因此在低負荷階段要關掉廢氣鍋爐,以保證柴油機正常運行。

利用主機的廢氣產生蒸汽并不能在計算船舶EEDI時獲得優勢,但對于加熱需求較大的船舶而言,該方案能增加熱源供給。

3.3 制造壓縮空氣進行氣膜減阻

氣膜減阻技術是通過向船舶底部的氣膜槽內注入壓縮空氣,將水與船底板隔開,由此減小船體阻力,這樣能獲得5%～10%的節能效果[4]。若二級增壓和中間冷卻系統在滿足柴油機運行需求的同時,能制造出更多的壓縮空氣用來進行氣膜減阻,則更為有利。為直觀地表達該能力,本文用1 h內在水下10 m處制造50 cm厚的氣膜的面積大小衡量該能力。在空氣承受10 m水壓的情況下,若氣膜在溫度為300 K時的密度約為2.245 kg/m3,可計算得到用于進行氣膜減阻的空氣量和造膜面積見表6。

表6 用于進行氣膜減阻的空氣量和造膜面積計算結果

氣膜減阻系統消耗能量最多的過程是空氣壓縮。采用柴油機增壓器替代空氣壓縮機獲得大量壓縮空氣,能直接降低船舶電站負荷,從而減少船舶運行能耗,提升船舶的經濟性。需注意的是,氣膜易受浪涌的破壞而使減阻效果下降。因此,迅速恢復被破壞的氣膜能在一定程度上降低該不利因素的影響。表6中可供氣模減阻系統使用的壓縮空氣量遠超過其需求量,這為氣模減阻系統穩定、持續發揮節能效果提供了有力支持。

當僅采用氣膜減阻節能系統時,若該系統能減小8%的主機功率,則將其代入EEDI計算公式中,在公式中其他參數不變的情況下,可計算得到采用該技術方案能使EEDI減小約11%。

4 二級增壓技術對船用二沖程柴油機的影響

二級增壓技術能同時改變船用二沖程柴油機的增壓掃氣系統和廢氣排氣系統,影響面很大,下面對其進行深入分析。

4.1 對增壓系統的影響

二級增壓系統中各級壓縮過程的壓縮機出口溫度為

(3)

式(3)中:To為壓縮機出口溫度;Ti為壓縮機入口溫度。

二級增壓過程中的各級增壓比小于一級增壓過程,這使得二級增壓過程中的空氣出口溫度低于一級增壓過程。該結果會減小空冷器兩側的平均溫差,從而降低換熱效率。為此,必須增大柴油機換熱器熱交換面的面積,同時增加冷卻水量,只有如此才能保證二級增壓系統正常運行。

本文所述柴油機滿負荷運行時的增壓器出口溫度為220 ℃,空冷器冷卻水量為180 m3/h,冷卻負荷為7 270 kW。采用二級增壓系統之后,低壓增壓器和高壓增壓器的出口溫度為112.5 ℃,雖然總冷卻負荷降低到了約6 000 kW,但因熱交換過程中的溫差顯著減小,冷卻器總熱交換面的面積和總冷卻水量均增大50%才滿足二級增壓系統正常運行的需求,這會給柴油機的設計和布置帶來很大麻煩。

4.2 對柴油機排氣處理系統的影響

4.2.1 智能控制廢氣再循環系統

智能控制廢氣再循環(Intelligent Control by Exhaust Recyclin, iCER)系統是一種柴油機廢氣處理系統。該系統對部分柴油機廢氣進行清洗、冷卻,并將其送入增壓器中與新鮮空氣混合增壓,供柴油機燃燒使用。該系統能減少燃燒空氣的含氧量,使燃燒室內的最高溫度下降,從而減少氮氧化物的產生。圖5為二級增壓系統和iCER。

圖5 二級增壓系統和iCER

iCER是低壓系統,只與二級增壓系統的低壓側有接口,其功能與二級增壓系統互不影響。此外,iCER與本文第3節所述衍生應用之間也不存在沖突。

4.2.2 選擇性催化還原技術

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)技術是常用的柴油機氮氧化物減排技術。該技術有高壓SCR系統和低壓SCR系統2種解決方案[5]61-64,其中低壓SCR系統安裝在柴油機增壓器出口管路上,僅增加排氣系統的背壓,不會影響二級增壓系統及其衍生技術的應用。

高壓SCR系統只有在溫度滿足要求的情況下才能工作,否則廢氣中的硫氧化物和氨會發生化合反應生成硫酸氫氨,導致催化劑失效[5]59。因此,在二級增壓技術的衍生應用中必須優先考慮采用高壓SCR系統,保證其正常工作之后再對柴油機廢氣進行綜合利用。圖6為二級增壓系統、動力透平和高壓SCR系統。高壓SCR系統是廢氣集氣管出口的第一個系統,先在這里對高溫高壓的廢氣進行脫硝處理,隨后廢氣分別進入增壓器和動力透平中。

圖6 二級增壓系統、動力透平和高壓SCR系統

4.2.3 廢氣洗滌技術

廢氣洗滌系統主要用于對柴油機廢氣中的硫氧化物和黑煙進行處理,是廢氣排入大氣之前采用的最后一個廢氣處理系統。該系統對二級增壓系統的影響僅限于增加排氣的背壓,對二級增壓系統的衍生應用沒有影響。

5 結 語

二級壓縮和中間冷卻技術是一種常規技術,可使柴油機節余出部分廢氣供自身利用。但是,單純采用該技術并不能使柴油機直接獲得環保效益和經濟效益,反而會增加柴油機的設計難度,增加其制造成本。

本文列舉了3種有效利用柴油機節余廢氣的方法,通過計算和分析發現,將二級壓縮和中間冷卻技術與其他技術相結合,能有效提升柴油機的環保效益和經濟效益。在實際運用時,還需全面考慮該技術對柴油機的影響,同時進一步優化對柴油機多余廢氣的分配,以使其利用效率最大化。