加强电喷主机技术改造 实现长期稳定低速航行
朱国龙
一、概述
随着经济全球化进程的加快，国际贸易和船舶运输得到了空前的发展，海上运输量已经占交通运输量的四分之一。20世纪的60-70年代，船用燃油价格低廉，市场景况好，航运业利润大，耗油量曾经不是船舶公司关注的主要指标。可是随着燃油价格一涨再涨，目前燃油成本占运输成本的比例骤增。由于海上货运量逐年大幅度增长，船舶吨位的不断增加，船舶对燃油的需求量在大幅度提高。国际燃油价格居高不下，，燃油费已经成为船舶运输成本中最大的支出，同时船舶排放的废油废水废气所造成的环境污染也日趋严重，对此国际各相关机构一直予以高度重视，节能减排工作已成为当今航运界乃至世界各国的一项首要任务。
船舶降速航行是各航运界目前普遍采用的，也是最直接、最有效的节能方法。但船舶降速航行又受到诸多因素影响，如控制在一定范围内就会产生很好的节能效果，但偏离了最佳降速航行点不但在经济上没有减少成本的作用，而且导致主机的最佳工况点偏移，缩短主机使用期限。本文作者根据船舶降速减排效果的理论依据，结合其自身长期从事机务管理的工作经验，着重分析影响船舶经济航速运行的各种影响因素。尤其论述了如果通过对电喷主机进行技术改造，从而实现主机长期稳定的低速运行，大幅度达到节能减排的效果。
二、电喷主机低速运行所面临的问题
中波轮船股份公司长期以来十分重视节能减排工作，坚持发展与节能同步、开发与节约并举的指导方针，以节能新技术、新工艺的引进推广为重点，广泛深入地开展企业节能降耗工作。公司共有17艘重吊型船舶，其中7艘船，本身设计的功率就不高，且随着船龄的增加早就减速运行，进一步降速的空间不大。而另10艘SULZER 7RT-FLEX60C型电喷主机，其额定转速为114转/分，采取降速航行能够节油的空间比较大。为此公司以10艘电喷主机船舶为主要对象，把降速航行作为减少该组船舶运力过剩和运营成本的重要举措，以及作为节能减排的重要抓手。经过对这10艘船的航行线路的调研统计和成本分析，目前确定主机运行在80转/分是比较合理的经济航速，这样单船燃油消耗由原来的每天58吨减少为28吨，每天减少30吨左右，这对于整个公司整个船队而言就有可观的成本效益，同时在节能减排方面也可以取得显著的成果，但给降速航行下的主机带来了一系列的问题，主要体现在以下两个方面：
一是SULZER 7RT-FLEX60C型电喷型主机自降速以来，主机在额定功率的38%左右运行，和传统柴油机一样运行工况出现恶化，主机降速航行时主机工况偏离设计工况甚远，各种性能参数的匹配失调，导致换气、燃烧、增压效能以及一系列危及主机工况正常的问题。长期在此恶劣条件下运行，将使主机燃烧室及扫气系统迅速污染积碳，从而引起缸头、缸套、活塞的过度磨损以及低温腐蚀等，甚至出现扫气箱着火这样的严重事故。
二是减速运行半年多时间船上陆续报告主机离空冷器出口最远的NO.1、7缸的扫气温度偏高、活塞下部扫气箱严重脏污，有大量成块状的油泥、NO.1、7缸缸套内径超标后，船上又报告NO.1和NO.7缸扫气箱多次着火。扫气箱着火对主机造成严重危害：轻则降速、停车，严重时引起缸套裂纹、漏水引起增压器损坏，甚至对人员造成伤害。多只缸套在汽缸油注油孔处开裂报废，严重的影响船舶的安全航行，增加了大量的机务费用。
针对以上急待解决的突出问题，我们经过长时间的跟船调研和摸索分析，总结出RT-FLEX60C主机在设计上的不能满足低速运行的以下固有缺陷：
1.喷油提前角过小、排气阀定时滞后、低速时气缸热负荷增加、后燃严重致使废气下穿或从扫气口倒冲进入扫气箱，严重时造成扫气箱着火。
2.增压器运行在低速低效率区、空冷器容易脏堵，过量空气减少，造成扫气压力不足，燃烧室内空气扰动不足，油气混合不充分，燃烧过程加长容易引起后燃。
3.气缸油供应量偏多。除造成汽缸油浪费外，多余的汽缸油容易变成油渣而沉积在汽缸油布油槽内，致使润滑状况恶化，增加缸套和活塞令磨损。同时致使扫气温度增加，增加了扫气箱着火的可能性。
4.主机长期运行后，燃油喷射控制元件ICU（Injection Control Unit）和伺服油执行机构由于燃油和伺服油的漏泄和元件卡阻，致使实际喷油定时滞后，使燃烧过程恶化。
5.离空冷器出口最远的NO.1、7缸的扫气温度偏高、活塞下部扫气箱严重脏污，有大量成块状的油泥。吊缸检查测量发现，NO.1、7缸缸套内径磨损速率超标。
三、电喷主机低速稳定运行的技术改造
根据对RT-FLEX60C主机在低速下运行固有缺陷的分析结果，我们从节能原理出发，研究制定了以下的技术改造方案：
对既定船舶来说，其船型参数可视为几乎不变。降速前后主机功率、航速、燃油消耗率之间的关系可由如下公式中得出： P1/V13=P2/V23
式中：
P1——降速前主机功率； P2——降速后主机功率； V1——降速前船舶航速； V2——降速后船舶航速。
从上式可以导出：P2= P1 （V23/ V13），改变航速后的燃油消耗量：W2= Ge2 V2S/1000 P2
式中：
W2——改变航速后的耗油量（kg）；Ge2——改变航速后燃油消耗率（g/kwh）
S——航行距离（n mile）。
利用上面的公式，通过简单的计算得知：如果航速降低10%，则主机功率下降27.1%，燃油消耗量减少19%；如果航速降低20%，则主机功率下降48.8%，燃油消耗量减少36%，从而可以看出采用经济航速，节能效果明显，同时二氧化碳和氮化物的排放也大幅降低。
以此理论为基础，围绕着怎样才能最大限度地使船舶主机满足减速要求，即在实现节能减排目的的同时，又要确保主机的良好可持续运营，我们对主机控制系统和部分设备进行了优化调整：
（一）WECS 9500（改进版为WECS 9520）软件上的参数调节
1.适当提前供油定时
低负荷运行时，爆压降低、排温升高、滞燃期延长。为此，需适当加大喷油提前角，使燃油始点前移，减少后燃，提高爆压，提高循环热效率。
2. 适当延后排气阀关闭定时
适当延后排气阀关闭时刻，降低扫气时气缸内的背压，减少废气倒冲量，同时增大了排气能量，也可提高增压压力，使下一循环混合氧气多，利于燃烧。
（二）汽缸油的调节
Sulzer 7RT-flex60C主机汽缸油型号为CLU-3，其汽缸油供油量是随着主机功率进行调节的。主机降低负荷时，汽缸油供应量偏高。通过调节控制系统“汽缸油调节系数”可以到达调节整个系统的作用。
（三） 燃油控制单元ICU的整修
由于燃油共轨（Fuel Rail）压力设定为900bar，而且伺服油共轨压力设定为200bar。随着主机运行时间的加长，伺服油共轨难免有泄漏，同时相应共轨电磁阀也会出现动作卡阻现象，这将影响喷油定时和喷油量的控制精度，从而使燃烧过程恶化。通过更换部分共轨电磁阀及密封橡皮令，对使用年限超过5年的ICU （Injection Control Unit）分批次送厂整修，并确保每船配备2只ICU备用，确保了主机喷油系统的良好工况。
（四） 优化扫气环境
改善增压系统的工作，由于部分负荷时柴油机排气特性下降，增压器的通流能力过剩，工况失调，Sulzer 7RT-flex60C主机配备的ABB 公司 TPL 型高速透平。随着排气能量的减少，其透平工作效率降低非常明显，导致扫气压力下降，过量空气系数减小，使缸内油气匹配失调。同时该主机扫气箱通道比较狭窄，通流面积小，隔板较多流阻大，涡流区多，扫气空气难以均分。而燃烧室工况对于离空冷器出口最远的NO. 1、7缸，则造成了更加恶劣的油多气少的燃烧过程。这也是造成NO.1、7缸扫气箱频繁着火、缸套加速磨损的根本原因。提高换气质量是改善NO.1、7缸换气环境的关键所在，根据对主机的扫气箱通道现场勘查，进行如下因地制宜的合理改造：
（1） 增压空气进入扫气通道的百叶窗出口处铺设一段管径为200mm的导流管（两端装有喇叭口）， 直接引一路增压空气至NO.1、7缸的扫气口。
（2） 加装在2号空冷器百叶窗后安装两块向NO.7缸方向倾斜15°的导流挡板。
（3） 割除非结构强度隔板上能造成阻挡、涡流的部分。
（4） 拆下空冷器后的气水分离器，彻底清洁。
四、电喷主机技术改造后的效果
通过以上的各种优化调整，主机各缸的燃烧工况有明显的改善：各缸排温都有10℃至20℃下降，大大减少了减速后后燃严重的痼疾；各缸扫气温度趋于平均，解决了扫气空气不平均的问题；检查发现活塞令工况良好，活塞底部大量沉积碳渣的现象已不复存在，同时减少了汽缸油的消耗；更重要的是没有再次发现燃气倒冲的现象，彻底解决了同型号主机实施大幅减速航行后，扫气箱着火重大故障的出现。现在主机能工况良好地运行在80转/分。对于原来状况极差的NO.1、7缸，由下图可以看出其改造效果尤为明显：
改造前的扫气口
改造后的扫气口
虽然，造机厂WARTSILA 公司表示，他们可以提供在透平前后加装自动调节阀的技术以提高透平效率或改造增压器喷嘴环为自动可变的技术，以改善主机在低速条件下运行状况，但其所需的改装费用十分昂贵。实践证明，我们采取的上述优化方案施工简单、运行有效、费用经济，具有较强的推广价值和使用价值。
数据统计显示，公司10艘SULZER 7RT-FLEX60C型电喷主机船降速后，年减少燃油消耗约可达30 000吨左右标准煤。为企业节约了大量能源，既保护了环境，又减少了支出。
五、结束语
SULZER RT-FLEX电喷主机降速技改方案，将管理节能和技术节能于一体，走出了一条确保企业与社会利益双赢的可持续发展道路，为其他航运企业的节能减排工作提供了一个可以借鉴的有效方法。特别对于使用范围越来越广的电喷型主机的船舶，如何实现在低速航行状态下，保持主机长期稳定的高效运行，以实现节能减排和节约成本，有着较大的参考价值和实用意义。
一、概述
随着经济全球化进程的加快，国际贸易和船舶运输得到了空前的发展，海上运输量已经占交通运输量的四分之一。20世纪的60-70年代，船用燃油价格低廉，市场景况好，航运业利润大，耗油量曾经不是船舶公司关注的主要指标。可是随着燃油价格一涨再涨，目前燃油成本占运输成本的比例骤增。由于海上货运量逐年大幅度增长，船舶吨位的不断增加，船舶对燃油的需求量在大幅度提高。国际燃油价格居高不下，，燃油费已经成为船舶运输成本中最大的支出，同时船舶排放的废油废水废气所造成的环境污染也日趋严重，对此国际各相关机构一直予以高度重视，节能减排工作已成为当今航运界乃至世界各国的一项首要任务。
船舶降速航行是各航运界目前普遍采用的，也是最直接、最有效的节能方法。但船舶降速航行又受到诸多因素影响，如控制在一定范围内就会产生很好的节能效果，但偏离了最佳降速航行点不但在经济上没有减少成本的作用，而且导致主机的最佳工况点偏移，缩短主机使用期限。本文作者根据船舶降速减排效果的理论依据，结合其自身长期从事机务管理的工作经验，着重分析影响船舶经济航速运行的各种影响因素。尤其论述了如果通过对电喷主机进行技术改造，从而实现主机长期稳定的低速运行，大幅度达到节能减排的效果。
二、电喷主机低速运行所面临的问题
中波轮船股份公司长期以来十分重视节能减排工作，坚持发展与节能同步、开发与节约并举的指导方针，以节能新技术、新工艺的引进推广为重点，广泛深入地开展企业节能降耗工作。公司共有17艘重吊型船舶，其中7艘船，本身设计的功率就不高，且随着船龄的增加早就减速运行，进一步降速的空间不大。而另10艘SULZER 7RT-FLEX60C型电喷主机，其额定转速为114转/分，采取降速航行能够节油的空间比较大。为此公司以10艘电喷主机船舶为主要对象，把降速航行作为减少该组船舶运力过剩和运营成本的重要举措，以及作为节能减排的重要抓手。经过对这10艘船的航行线路的调研统计和成本分析，目前确定主机运行在80转/分是比较合理的经济航速，这样单船燃油消耗由原来的每天58吨减少为28吨，每天减少30吨左右，这对于整个公司整个船队而言就有可观的成本效益，同时在节能减排方面也可以取得显著的成果，但给降速航行下的主机带来了一系列的问题，主要体现在以下两个方面：
一是SULZER 7RT-FLEX60C型电喷型主机自降速以来，主机在额定功率的38%左右运行，和传统柴油机一样运行工况出现恶化，主机降速航行时主机工况偏离设计工况甚远，各种性能参数的匹配失调，导致换气、燃烧、增压效能以及一系列危及主机工况正常的问题。长期在此恶劣条件下运行，将使主机燃烧室及扫气系统迅速污染积碳，从而引起缸头、缸套、活塞的过度磨损以及低温腐蚀等，甚至出现扫气箱着火这样的严重事故。
二是减速运行半年多时间船上陆续报告主机离空冷器出口最远的NO.1、7缸的扫气温度偏高、活塞下部扫气箱严重脏污，有大量成块状的油泥、NO.1、7缸缸套内径超标后，船上又报告NO.1和NO.7缸扫气箱多次着火。扫气箱着火对主机造成严重危害：轻则降速、停车，严重时引起缸套裂纹、漏水引起增压器损坏，甚至对人员造成伤害。多只缸套在汽缸油注油孔处开裂报废，严重的影响船舶的安全航行，增加了大量的机务费用。
针对以上急待解决的突出问题，我们经过长时间的跟船调研和摸索分析，总结出RT-FLEX60C主机在设计上的不能满足低速运行的以下固有缺陷：
1.喷油提前角过小、排气阀定时滞后、低速时气缸热负荷增加、后燃严重致使废气下穿或从扫气口倒冲进入扫气箱，严重时造成扫气箱着火。
2.增压器运行在低速低效率区、空冷器容易脏堵，过量空气减少，造成扫气压力不足，燃烧室内空气扰动不足，油气混合不充分，燃烧过程加长容易引起后燃。
3.气缸油供应量偏多。除造成汽缸油浪费外，多余的汽缸油容易变成油渣而沉积在汽缸油布油槽内，致使润滑状况恶化，增加缸套和活塞令磨损。同时致使扫气温度增加，增加了扫气箱着火的可能性。
4.主机长期运行后，燃油喷射控制元件ICU（Injection Control Unit）和伺服油执行机构由于燃油和伺服油的漏泄和元件卡阻，致使实际喷油定时滞后，使燃烧过程恶化。
5.离空冷器出口最远的NO.1、7缸的扫气温度偏高、活塞下部扫气箱严重脏污，有大量成块状的油泥。吊缸检查测量发现，NO.1、7缸缸套内径磨损速率超标。
三、电喷主机低速稳定运行的技术改造
根据对RT-FLEX60C主机在低速下运行固有缺陷的分析结果，我们从节能原理出发，研究制定了以下的技术改造方案：
对既定船舶来说，其船型参数可视为几乎不变。降速前后主机功率、航速、燃油消耗率之间的关系可由如下公式中得出： P1/V13=P2/V23
式中：
P1——降速前主机功率； P2——降速后主机功率； V1——降速前船舶航速； V2——降速后船舶航速。
从上式可以导出：P2= P1 （V23/ V13），改变航速后的燃油消耗量：W2= Ge2 V2S/1000 P2
式中：
W2——改变航速后的耗油量（kg）；Ge2——改变航速后燃油消耗率（g/kwh）
S——航行距离（n mile）。
利用上面的公式，通过简单的计算得知：如果航速降低10%，则主机功率下降27.1%，燃油消耗量减少19%；如果航速降低20%，则主机功率下降48.8%，燃油消耗量减少36%，从而可以看出采用经济航速，节能效果明显，同时二氧化碳和氮化物的排放也大幅降低。
以此理论为基础，围绕着怎样才能最大限度地使船舶主机满足减速要求，即在实现节能减排目的的同时，又要确保主机的良好可持续运营，我们对主机控制系统和部分设备进行了优化调整：
（一）WECS 9500（改进版为WECS 9520）软件上的参数调节
1.适当提前供油定时
低负荷运行时，爆压降低、排温升高、滞燃期延长。为此，需适当加大喷油提前角，使燃油始点前移，减少后燃，提高爆压，提高循环热效率。
2. 适当延后排气阀关闭定时
适当延后排气阀关闭时刻，降低扫气时气缸内的背压，减少废气倒冲量，同时增大了排气能量，也可提高增压压力，使下一循环混合氧气多，利于燃烧。
（二）汽缸油的调节
Sulzer 7RT-flex60C主机汽缸油型号为CLU-3，其汽缸油供油量是随着主机功率进行调节的。主机降低负荷时，汽缸油供应量偏高。通过调节控制系统“汽缸油调节系数”可以到达调节整个系统的作用。
（三） 燃油控制单元ICU的整修
由于燃油共轨（Fuel Rail）压力设定为900bar，而且伺服油共轨压力设定为200bar。随着主机运行时间的加长，伺服油共轨难免有泄漏，同时相应共轨电磁阀也会出现动作卡阻现象，这将影响喷油定时和喷油量的控制精度，从而使燃烧过程恶化。通过更换部分共轨电磁阀及密封橡皮令，对使用年限超过5年的ICU （Injection Control Unit）分批次送厂整修，并确保每船配备2只ICU备用，确保了主机喷油系统的良好工况。
（四） 优化扫气环境
改善增压系统的工作，由于部分负荷时柴油机排气特性下降，增压器的通流能力过剩，工况失调，Sulzer 7RT-flex60C主机配备的ABB 公司 TPL 型高速透平。随着排气能量的减少，其透平工作效率降低非常明显，导致扫气压力下降，过量空气系数减小，使缸内油气匹配失调。同时该主机扫气箱通道比较狭窄，通流面积小，隔板较多流阻大，涡流区多，扫气空气难以均分。而燃烧室工况对于离空冷器出口最远的NO. 1、7缸，则造成了更加恶劣的油多气少的燃烧过程。这也是造成NO.1、7缸扫气箱频繁着火、缸套加速磨损的根本原因。提高换气质量是改善NO.1、7缸换气环境的关键所在，根据对主机的扫气箱通道现场勘查，进行如下因地制宜的合理改造：
（1） 增压空气进入扫气通道的百叶窗出口处铺设一段管径为200mm的导流管（两端装有喇叭口）， 直接引一路增压空气至NO.1、7缸的扫气口。
（2） 加装在2号空冷器百叶窗后安装两块向NO.7缸方向倾斜15°的导流挡板。
（3） 割除非结构强度隔板上能造成阻挡、涡流的部分。
（4） 拆下空冷器后的气水分离器，彻底清洁。
四、电喷主机技术改造后的效果
通过以上的各种优化调整，主机各缸的燃烧工况有明显的改善：各缸排温都有10℃至20℃下降，大大减少了减速后后燃严重的痼疾；各缸扫气温度趋于平均，解决了扫气空气不平均的问题；检查发现活塞令工况良好，活塞底部大量沉积碳渣的现象已不复存在，同时减少了汽缸油的消耗；更重要的是没有再次发现燃气倒冲的现象，彻底解决了同型号主机实施大幅减速航行后，扫气箱着火重大故障的出现。现在主机能工况良好地运行在80转/分。对于原来状况极差的NO.1、7缸，由下图可以看出其改造效果尤为明显：
改造前的扫气口
改造后的扫气口
虽然，造机厂WARTSILA 公司表示，他们可以提供在透平前后加装自动调节阀的技术以提高透平效率或改造增压器喷嘴环为自动可变的技术，以改善主机在低速条件下运行状况，但其所需的改装费用十分昂贵。实践证明，我们采取的上述优化方案施工简单、运行有效、费用经济，具有较强的推广价值和使用价值。
数据统计显示，公司10艘SULZER 7RT-FLEX60C型电喷主机船降速后，年减少燃油消耗约可达30 000吨左右标准煤。为企业节约了大量能源，既保护了环境，又减少了支出。
五、结束语
SULZER RT-FLEX电喷主机降速技改方案，将管理节能和技术节能于一体，走出了一条确保企业与社会利益双赢的可持续发展道路，为其他航运企业的节能减排工作提供了一个可以借鉴的有效方法。特别对于使用范围越来越广的电喷型主机的船舶，如何实现在低速航行状态下，保持主机长期稳定的高效运行，以实现节能减排和节约成本，有着较大的参考价值和实用意义。
