滿足IMO直排Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的GE型柴油機(jī)組裝船技術(shù)研究

蔣勇剛 彭秀清 黃秋云 羅漢華 徐進(jìn)初

摘? ? 要：本文以我公司為海油石油工程股份有限公司建造的管道挖溝動(dòng)力定位工程船（簡(jiǎn)稱挖溝船）為依托，研究滿足IMO直排Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的GE柴油發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)及裝船過(guò)程中存在的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了GE柴油機(jī)組裝船的技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：直排Ⅲ標(biāo)準(zhǔn);裝船過(guò)程;技術(shù)要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U671.92 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Based on the pipeline trenching power positioning engineering vessel （abbreviated as trenching vessel） built by our company for China National Offshore Oil Corporation， this paper studies the related characteristics， the problems and difficulties in the onboard assembly process of diesel generator set meeting the Tier Ⅲ emission standard ， and summarizes the technical essentials of onboard assembly of the generator set combined with the actual ship design and construction experience.

Key words： Tier Ⅲ emission standard; Process of assembly on board; Technical essential

1? ? 引言

隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)于環(huán)境保護(hù)和治理越來(lái)越重視，人們除了關(guān)注陸上各類工廠、汽車等污染氣體的排放外，船舶柴油機(jī)排放的污染氣體也是大氣中主要污染源之一。為此，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家分別設(shè)置了船舶排放控制區(qū)，中國(guó)也制定了珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海控制水域。國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)船用柴油機(jī)排放的NOX、SOX、PM污染物制定了控制措施，要求2016年1月1日以后完成龍骨鋪設(shè)的新造船的NOX排放達(dá)到TierⅢ。當(dāng)前對(duì)于NOX排放控制，主要有SCR、EGR兩種技術(shù)。

依據(jù)挖溝船主要用于中國(guó)渤海及東海等排放控制海域進(jìn)行海底管線膨脹彎安裝、挖溝、海底電纜敷設(shè)等作業(yè)，挖溝船的主發(fā)電機(jī)組經(jīng)綜合考慮動(dòng)力需求、機(jī)艙空間及排放要求，確定選用GE型柴油機(jī)作為發(fā)電機(jī)的動(dòng)力。

2? ?GE型柴油機(jī)的特點(diǎn)

GE柴油機(jī)配置濕式油底殼，采用中冷、廢氣渦輪增壓、氣馬達(dá)啟動(dòng)、直接噴射、不可逆轉(zhuǎn)形式，是一款4沖程活塞式、直列8缸中速柴油機(jī)，型號(hào)為8L250MDC。該型柴油機(jī)采用了前沿的排放控制技術(shù)，是世界第一款不需要加裝SCR系統(tǒng)（即選擇性催化還原反應(yīng)）就能滿足IMO對(duì)NOX排放TIERⅢ要求的2400 kW中速柴油機(jī)。該型機(jī)在排放物的控制上除了采用EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)外，在噴油上還采用高壓共軌來(lái)大幅度減小供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的波動(dòng)，使缸內(nèi)溫度降低而NOX排放減小。

該型柴油機(jī)可以直接使用0#～或-10#輕柴油，也可以直接使用低硫油（進(jìn)機(jī)粘度不低于1Cst），無(wú)需額外加裝低硫油冷卻器和回油冷卻器。該機(jī)型對(duì)于SOX的排放也能有效控制，具有緊湊、環(huán)保、高效和安裝維修便利等特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了船上布置和運(yùn)營(yíng)維修的難度，尤其對(duì)于機(jī)艙布局緊張的船舶可以有效降低機(jī)艙布置難度。

EGR配置有專用的冷卻器用于帶走再次參與循環(huán)燃燒的廢氣熱量，可以有效控制再循環(huán)燃燒的廢氣溫度，使廢氣中的酸性物質(zhì)在EGR冷卻過(guò)程中匯集，通過(guò)泄放管路排走，提高缸套壽命。EGR冷卻器上設(shè)置有到排煙管的透氣管，用于及時(shí)排放冷卻器中的氣體以應(yīng)對(duì)冷卻器的熱脹冷縮。EGR冷卻器具有耐高溫、耐腐蝕、抗震、不易積碳等特性。

3? ?GE柴油機(jī)裝船技術(shù)要點(diǎn)

3.1? 設(shè)備的布置安裝要求

該機(jī)型長(zhǎng)6 125 mm、寬2 275 mm、高3 236 mm、軸心線距油底殼底面高958 mm、重24.78 t，將其與電球組裝于公共底座后總長(zhǎng)為9 223 mm，如圖1所示。

該機(jī)型采用EGR技術(shù)直排已滿足TIERⅢ，不需要額外的SCR，也不用再增加其他噴灑洗滌設(shè)備。EGR冷卻器等已集成在機(jī)組上，使得柴油機(jī)更緊湊也更方便布置。該機(jī)型飛輪端上方有增壓器和進(jìn)氣濾器，在與電球匹配時(shí)需要考慮電球與增壓器的干涉情況，若存在干涉則需要調(diào)整連接電球的方向。

柴油機(jī)與電球共同組裝在公共底座上，要求熱態(tài)拐檔差不超過(guò)0.05 mm， 因此在柴油機(jī)與電球?qū)χ袝r(shí)需要特別注意，應(yīng)將一端調(diào)整為水平，從該端到另一端通過(guò)拂配調(diào)整好墊片以控制拐檔差;做完臺(tái)架試車后及時(shí)檢查拐檔差，若超差則需要重新對(duì)中調(diào)整墊片高度，對(duì)中過(guò)程中由于高彈對(duì)于柴油機(jī)與電球兩端軸有夾角、偏斜、間距補(bǔ)償要求，需要綜合兼顧，對(duì)中情況的符合度需要在臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

該機(jī)型較瘦長(zhǎng)，在機(jī)艙布置中需要注意設(shè)備進(jìn)艙的路線、時(shí)機(jī)和行車吊梁的設(shè)置，提前做好方案。該柴油發(fā)電機(jī)組與船上底座采用彈性減震器連接，要求基座面板加工后平面度誤差≤5 mm;該機(jī)組吊裝上船后需要根據(jù)減震器的下沉量再去拂配船體基座間的鋼墊片，主發(fā)電機(jī)組與船體安裝座的單個(gè)墊塊四周高差不超過(guò)0.5 mm，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組任意兩個(gè)墊塊高度差不超過(guò)1.5 mm，確保拐檔差不超過(guò)0.05 mm。

該機(jī)組采用VULKAN品牌的T90型隔振器：每個(gè)隔振器使用的鋼墊片不多于2個(gè)，所有隔振器測(cè)量值之間的差值不超過(guò) 2 mm;單個(gè)隔振器在 TB1 /TB2 方向上（見(jiàn)圖2）的測(cè)量值偏差不大于0.6 mm、傾斜角不大于 0.5°;當(dāng)設(shè)備載荷全部加載至隔振器時(shí)，調(diào)節(jié)限位螺栓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最上端，再順時(shí)針將限位螺栓旋轉(zhuǎn)三圈，使限位螺栓底平面與底板的距離為6 mm。

柴油機(jī)排氣膨脹節(jié)與排氣管之間應(yīng)預(yù)留不少于5mm的安裝距離，即自由狀態(tài)下膨脹節(jié)與排氣管應(yīng)有不少于5 mm的空間距離;總排氣管必須固定，不能將重量施加在排氣總管膨脹節(jié)及柴油機(jī)上;主發(fā)電機(jī)組對(duì)外連接的管系應(yīng)采用彈性連接，每500 mm需設(shè)置一個(gè)固定鋼管夾。

該機(jī)型對(duì)外電氣接口都為接插式，接插器位于柴油機(jī)中部，為提升電氣元件壽命需綜合考慮電氣控制箱的位置及電纜的布置路徑。

3.2? 系統(tǒng)的裝船要求

3.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)再循環(huán)回?zé)^(guò)程中，雖然部分熱量被EGR冷卻器帶走了，但由于高溫廢氣在機(jī)器上循環(huán)滯留時(shí)間長(zhǎng)、輻射熱量多，EGR冷卻器外表面的溫度高達(dá)60 C°。為了防止?fàn)C傷，在機(jī)器外高溫表面設(shè)置了隔熱毯，但并不能解決熱量輻射問(wèn)題。因此，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了需要保證足夠的機(jī)器供氣量外，還需要適當(dāng)增加換氣數(shù)量、次數(shù)和維持一定正壓，確保機(jī)艙其他設(shè)備在正常的溫度下運(yùn)行。

機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮柴油機(jī)通風(fēng)的參數(shù)：每臺(tái)主發(fā)電機(jī)的散熱量為94 kW;每臺(tái)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的空氣量為13 140 m3/h;每臺(tái)主發(fā)電機(jī)排煙管的散熱量為0.3 L （kW） ，? ?L為排煙管長(zhǎng)度。

3.2.2燃油系統(tǒng)

日用油箱高度（油箱底部距曲軸中心線）不小于2.5m，可依靠重力從日用油柜將燃油補(bǔ)給柴油機(jī);設(shè)備自帶燃油輸送泵（流量不小于2.2 m3/h）及備用泵各1臺(tái);機(jī)帶進(jìn)機(jī)雙聯(lián)精濾器（過(guò)濾精度5μm）、機(jī)帶燃油溫度傳感器及燃油壓力傳感器、機(jī)帶高壓燃油共軌泵各1臺(tái);高壓燃油泵至缸頭噴嘴采用雙層管，雙層管中間設(shè)有泄露報(bào)警和泄放口;供油外部管路上設(shè)置進(jìn)機(jī)雙聯(lián)粗濾器（過(guò)濾精度300μm）、油水分離器及燃油預(yù)供泵;燃油進(jìn)出機(jī)器的閥聯(lián)動(dòng)（需遠(yuǎn)離主發(fā)電機(jī)5 m以外）。

3.2.3滑油系統(tǒng)

該機(jī)型帶有濕式油底殼，要求預(yù)供滑油泵輸送流量不小于8.2m3/h、主濾器過(guò)濾精度15μm、進(jìn)口機(jī)油流量101.7 m3/h、滑油進(jìn)口溫度小于等于86 ℃、柴油機(jī)滑油末端壓力大于0.27 MPa。

機(jī)體自帶滑油輸送泵、機(jī)帶滑油濾器、滑油自清濾器、滑油冷卻器、滑油溫控閥、滑油溢流閥、滑油備用泵、外部管路散供安裝滑油預(yù)供泵，用戶只需連接滑油預(yù)供泵接口、及分油機(jī)接口、滑油注入口，即可完成整套滑油系統(tǒng)管路的安裝。

GE柴油機(jī)要求采用SAE40或SAE20W40機(jī)油。選擇具有去污力、分散性、抗氧化性、堿含量等性能良好且適宜于額定輸出、燃油類型和柴油機(jī)操作工況的潤(rùn)滑油，這樣才能保證磨損最小、燃燒室沉積物最少、機(jī)油使用壽命長(zhǎng)。

3.2.4啟動(dòng)空氣系統(tǒng)

本機(jī)帶啟動(dòng)空氣過(guò)濾器，啟動(dòng)空氣壓力為3 MPa、啟動(dòng)空氣消耗量（20 ℃、1個(gè)大氣壓下）為3.9 m3/次;機(jī)帶氣馬達(dá)工作壓力為6.2 Bar;機(jī)帶30 ～6.2 Bar減壓閥;從啟動(dòng)空氣瓶出來(lái)的管路到汽水分離濾器的管路通徑為DN80。

3.2.5冷卻水系統(tǒng)（高低溫）

冷卻水系統(tǒng)采用了高、低兩套獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)：高溫冷卻水系統(tǒng)為冷卻缸套及作為第一級(jí)中冷器（即EGR冷卻器，冷卻再回?zé)膹U氣）;低溫冷卻水系統(tǒng)為滑油及作為第二級(jí)中冷器（即增壓器冷卻器，冷卻進(jìn)排氣溫度）。

高溫冷卻水系統(tǒng)采用混水型：冷卻水容量0.36 m3、水進(jìn)機(jī)壓力0.4 MPa、出機(jī)溫度小于等于91 ℃、柴油機(jī)起動(dòng)前冷卻水預(yù)熱溫度大于等于76 ℃、水溫控制閥設(shè)定溫度為71 ℃、機(jī)帶水泵額定流量65 m3/h、水膨脹水箱容積不小于0.115 m3、水膨脹水箱高度（水箱底部至水泵中心線）不小于3 m，建議每臺(tái)柴油機(jī)一個(gè)膨脹水箱。

低溫冷卻水系統(tǒng)：冷卻水容量0.027 m3、水泵出口壓力0.4 MPa、水溫控制閥設(shè)定溫度為38 ℃、膨脹水箱容積不小于0.115 m3、膨脹水箱高度不小于3 m。建議每臺(tái)柴油機(jī)一個(gè)膨脹水箱，最好將高低溫膨脹水箱設(shè)計(jì)成二合一，中間設(shè)置隔離板。

由于來(lái)自任何渠道的生水都可能含有引起腐蝕或水垢的元素，導(dǎo)致柴油機(jī)效率損失，因此對(duì)冷卻水應(yīng)當(dāng)進(jìn)行處理使這些有害元素的影響降至最低。GE推薦的幾種品牌的添加劑在國(guó)內(nèi)都無(wú)法采購(gòu)到，其要求添加劑為基于亞硝酸鹽即可，實(shí)船使用的是DREW品牌的Maxigard冷卻水添加劑。

3.2.6排氣系統(tǒng)

主發(fā)電機(jī)組采用ABB品牌的渦輪增壓器，允許的排氣背壓不小于4.0 kpa、排氣流量（100%負(fù)荷時(shí)）417 m3/m、排氣溫度（100%負(fù)荷時(shí)）358.8 ℃。在設(shè)計(jì)廢氣鍋爐和消音器時(shí)，需注意排氣背壓的相關(guān)參數(shù)。

主發(fā)電機(jī)組NOx的排放直接達(dá)到了IMO TIERⅢ標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)其他品牌機(jī)型可節(jié)約包含SCR反應(yīng)器、混合管、噴射泵、尿素艙、控制系統(tǒng)、洗滌系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備采購(gòu)和維護(hù)管理費(fèi)用，并節(jié)省船體空間使得機(jī)艙和煙囪布局更加簡(jiǎn)潔。

在布置排氣系統(tǒng)時(shí)需注意：其曲軸箱透氣管并非與其他船一樣伸向油霧箱或主甲板，而是直接連至排煙總管上，其EGR冷凝器的透氣管需連接至排煙總管上。

3.2.7控制系統(tǒng)

該機(jī)組帶15 m接插電纜，每機(jī)3個(gè)電氣操作箱（ICB主發(fā)柴油機(jī)接線箱、PU主發(fā)電源單元、PSU主發(fā)電源供電單元） 需從機(jī)體移下來(lái)安裝于機(jī)旁，需綜合布置電箱基座、電纜路徑、設(shè)置電纜槽，避免安裝于公共底架上產(chǎn)生振動(dòng)影響電氣元件使用壽命。

該機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)置有72個(gè)降負(fù)荷、停車報(bào)警點(diǎn)用于保護(hù)該機(jī)組，考慮到船舶使用需求，實(shí)際做了第一級(jí)報(bào)警及部分降負(fù)荷、第二級(jí)停車。

3.3 TIERⅢ排放實(shí)船試驗(yàn)

該機(jī)型首次申請(qǐng)CCS的TIERⅢ證書(shū)，實(shí)船試驗(yàn)是在CCS的見(jiàn)證以及第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的協(xié)助下，在實(shí)船上進(jìn)行驗(yàn)證其排放情況。

試驗(yàn)要求：（1）在排煙管上取2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，方便將主發(fā)電機(jī)排出的氣體進(jìn)入檢測(cè)儀器中。同時(shí)，為了不破壞排煙管結(jié)構(gòu)，在原排煙管末端接入一段工裝管，上方焊接兩個(gè)G1/2”的儀器接口焊接座;（2）將使用的柴油進(jìn)行取樣化驗(yàn)（約1 L）;（3）在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量柴油機(jī)在25%，50%，75%，100%工況下的油耗;（4）在機(jī)器本體上找到技術(shù)案卷中提及的各個(gè)相關(guān)部件、傳感器的編號(hào)，并拍照留底。

測(cè)試采樣點(diǎn)設(shè)在距柴油機(jī)增壓器廢氣出口之后10倍以上管徑處，并距排氣系統(tǒng)出口的上部0.5 m或3倍于排氣管直徑（取大者）處;測(cè)試采樣點(diǎn)處的廢氣溫度至少為70 ℃，用于碳?xì)浠衔餃y(cè)量的廢氣溫度至少為190 ℃。

取樣探頭為不銹鋼直管，末端封閉，內(nèi)徑不大于取樣管路內(nèi)徑、壁厚不大于1 mm;探頭的軸向上等間距取5個(gè)不同徑向平面，每個(gè)徑向平面管壁上開(kāi)3個(gè)孔并呈120°角分布;取樣探頭伸入排氣管內(nèi)長(zhǎng)度，至少為排氣管內(nèi)徑的80%。

測(cè)試在柴油機(jī)每一工況穩(wěn)定后進(jìn)行：每一測(cè)量點(diǎn)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整偏差應(yīng)不大于額定轉(zhuǎn)速的±1%（怠速除外）;負(fù)荷調(diào)整偏差（測(cè)量過(guò)程平均扭矩與該工況規(guī)定扭矩的偏差）應(yīng)不大于額定轉(zhuǎn)速下額定扭矩的±2%。

每一測(cè)量點(diǎn)至少穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)5 min后，從柴油機(jī)排氣中連續(xù)取樣測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)輸出記錄;分析廢氣記錄時(shí)間應(yīng)不少于10 min，每分鐘記錄數(shù)據(jù)不少于3個(gè)，取10 min的平均值進(jìn)行最后的NOx排放計(jì)算。此外，應(yīng)按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表對(duì)每個(gè)測(cè)量工況點(diǎn)（柴油機(jī)的25%、50%、75%、100%工況）的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。最終測(cè)量結(jié)果如表1所示。

經(jīng)第三方廠家進(jìn)行檢驗(yàn)并分析，其NOx的排放為1.70 g/kW.h，小于2.26 g/kW.h，滿足IMO的要求，最終CCS頒發(fā)了柴油機(jī)國(guó)際防止空氣污染證書(shū)。

4? ?總結(jié)

通過(guò)對(duì)該機(jī)型特點(diǎn)及裝船技術(shù)要點(diǎn)的剖析，可知其在排放、油耗及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面較為先進(jìn)，對(duì)于簡(jiǎn)化機(jī)艙布置有很大幫助。該機(jī)型是CCS頒發(fā)的第一臺(tái)直排達(dá)到TierⅢ的中速柴油機(jī)，為挖溝船提供了一顆健康強(qiáng)勁的心臟。