MAN二冲程柴油机部分负荷/低负荷优化方法详解

MAN二冲程柴油机部分负荷/低负荷优化方法详解

本文详细介绍了MAN二冲程船用柴油机在部分负荷和低负荷下的优化方法，特别是EGB（废气旁通）优化技术。文章内容专业且深入，涵盖了优化方法的原理、实施方式以及实际应用效果，具有较高的技术价值和实用参考价值。

一、前言

减少船舶CO₂排放并尽可能降低推进主机在各种负荷下的燃油消耗，是船舶设计和建造的重要目标。但是，减少CO₂排放及降低油耗率通常会导致船舶航速下降，因此在降低柴油机负荷的情况下对主机在部分负荷/低负荷下进行负荷优化，使SFOC达到最优，进而给营运船舶带来较好的经济性。

二、部分负荷/低负荷优化方法

主机的NOx排放值，是由25%、50%、75%、100%负荷下的NOx排放值以不同权重所得的综合值，即IMO Cycle = 5%*NOx（25）+11%*NOx（50）+55%*NOx（75）+29%*NOx（100）。从上述计算公式可知：低负荷区的NOx排放值所占权重较小，因此可以利用上述关系来改善不同负荷下的油耗：减少部分负荷的油耗、适当增加高负荷区的油耗，使整机的NOx排放值不变。

1. SFOC优化负荷范围

• 高负荷——（85%～100%）SMCR
• 部分负荷——（50%～85%）SMCR
• 低负荷——（25%～70%）SMCR

2. 部分负荷/低负荷优化的方法

• （1）废气旁通（EGB）
  EGB优化方法只需安装一套带蝶阀的废气旁通管道及简单的控制电路，适用于ME/ME-C和MC/MC-C/ME-B型柴油机。其控制和安装简单、成本低、可靠、效果也不错；
• （2）可变喷嘴环（VT）
  VT优化方法需要安装特殊的涡轮增压器来改变增压器喷嘴环的面积，在柴油机低负荷范围内喷嘴环的面积最小，当柴油机负荷增加到大约80%以上时面积开始逐渐增加，直至柴油机100%负荷时达到最大。此优化方法的SFOC在低负荷下降低、在高负荷下较高，适用于ME/ME-C和MC/MC-C/ME-B型柴油机。其成本高、增压器结构复杂，广泛应用于VLCC等大型船舶；
• （3）性能参数调整（ECT）
  ECT优化方法是利用可变排气阀正时和喷射剖面的可能性，只改变Pmax和柴油机控制参数。但优化效果不是很好，且只适用于ME-C型全电喷柴油机。

三、EGB优化

1. EGB优化原理

EGB的原理就是在配机的时候采用偏小的高效增压器，并通过改善主机在部分负荷/低负荷的扫气压力来改善燃气情况，降低燃油消耗。但主机运行到90%负荷以上时，由于增压器偏小，为了防止增压器超速，将大约6%的废气通过与排气箱连接的支管被旁通（不经过增压器）到排气总管直接排到大气中。当主机在100%负荷时EGB全部打开，在大约85%负荷时EGB开始关闭并在70%负荷以下时完全关闭。对于部分负荷优化（负荷低于85%），相对于高负荷SFOC将减小；对于低负荷（负荷低于70%），相对于部分负荷SFOC将进一步减小；在高负荷范围，SFOC将增加。根据EGB的负荷优化原理，船队就可以综合考虑货运周期要求、货运单价、燃油价格灵活调整主机负荷，以达到降低货运成本的目的。

2. EGB的控制模式

• （1）扫气压力控制
  当主机运行在100%负荷条件下，由于主机的扫气压力太高，EGB阀完全打开，此时废气不通过增压器而是通过EGB的旁通管直通至大气中；而在部分负荷（约85%左右的负荷）情况下，扫气压力开始降低，EGB阀的开度开始减小，并在负荷低于70%的时候完全关闭。此时废气全部通过增压器，使扫气压力增大，燃油能在燃烧室进行充分的燃烧，因此降低了主机在部分负荷/低负荷时的SFOC。EGB旁通阀的开/关以及开度的控制，是通过期望的主机扫气控制曲线进行的（见图1）。
• （2）负荷控制
  为了解决用扫气压力控制EGB受环境条件的影响，在主机进行车间台架试验时，采用柴油机负荷来控制EGB阀的开度，在系统参数里设置好EGB开度的最大及最小位置。EGB打开或关闭过程由柴油机控制系统ECS的扫气控制单元（SCU）来控制，SCU是ECS总网络的一部分，SCU的主操作面板（MOP）和多用途控制器（MPC）的设置，必须在车间台架试验时完成。EGB的负荷控制模式，能够在较低负荷下通过匹配更好的增压器来减少SFOC，也能够在极低的温度环境下运行主机。EGB负荷控制模式可参考MAN Diesel&Turbo的Operation Recommendation 0743765-3.4文件。

四、实船应用

1. 部分负荷/低负荷优化与高负荷的对比

部分负荷/低负荷优化的燃油消耗率、对应的理论航速及日油耗比较，见表1；负荷优化对应的燃油消耗率曲线，见图2。

图2 负荷优化对应的燃油消耗率曲线

2. 负荷优化的效果

EGB旁通管道的实船布置，见图3。

图3 EGB旁通管道的实船布置

EGB蝶阀、传感器及控制系统由MAN的专利厂家随机提供，船厂只安装EGB蝶阀之后的旁通管。从表1及图2可以看出：

• 对于部分负荷优化，大约从80%SMCR开始燃油消耗率将减小，大约在65%SMCR时燃油消耗率最低，其航速为14 kn、主机日油耗为14.9 t。对比此功率时不作优化的日油耗为15.2t，每天减少0.3t；
• 对于低负荷优化，大约从75%负荷开始燃油消耗率将减小，大约在65%SMCR时燃油消耗率最低，航速为14 kn、主机日油耗为14.7t，而对应此功率的不作优化的油耗为15.2t，每天减少0.5t；
• 在65%SMCR以下负荷，低负荷优化的燃油消耗率比部分负荷优化低2g/kW.h、比高负荷模式低5 g/kW.h。我们将此型主机低负荷优化方法应用到10艘39 000 DWT和12艘39 300 DWT灵便型非运木散货船，22次航行试验测试的平均燃油消耗率是158.2 g/kW.h（理论计算值是159.4 g/kW.h），达到了该型主机台架试验规定的燃油消耗率要求，这样的油耗差异对一艘具有15年船龄的船舶来说，经济性是相当可观的。

五、结束语

随着航运业不景气及燃油价格升高，绝大多数的船东选择大功率主机，并采用部分负荷/低负荷优化来降低燃油消耗率。此外，主机处于低负荷时其汽缸滑油的使用量也将减少。虽然，减小主机功率降低了航速，但对航程和航行周期没有严格要求的情况下，则会带来节约燃油和汽缸滑油的经济效益。EGB的开启降低了扫气压力和废气量，从而使主机的服务功率（CSR）及废气锅炉的设计点降到50%80%SMCR，这两者的同时降低将使废气锅炉的蒸汽量减少，特别是在寒冷的冬天，降低负荷会带来船上蒸汽量不足。为此，为了增加锅炉的蒸汽量，在实船设计上可将主发电机所产生的废气接入锅炉，通常接入两台发电机的排气管投入成本不大。正常航行时，通常运行一台发电机（原动机为600kW左右）将产生约200kg/h的蒸汽，可以弥补一定的蒸汽不足；另一种方法是安装一台发电机废气经济器，利用发电机产生的近400℃废气将经济器的水加热到80℃100℃，然后通过高温水输送泵及管路将高温水压入燃油-废气组合锅炉继续加热至饱和蒸汽，以补充废气量。部分负荷/低负荷从75%的功率点开始，燃油消耗逐步降低，而船舶能效设计指数EEDI经船级社最终认可值是4.53，比IMO要求的基准值（6.17）降低约26.6%，因此完全满足该法规的要求，已达到了相关法规Ⅱ阶段（2020年以后）的要求。

参考文献

[1] 陈可越 . 船舶设计实用手册 ( 轮机分册 ).[M]. 北京 . 中国交通科技出版社 .1999：12-22.

[2] MAN B&W.MAN B&W S50ME-B Project Guide. [M].Denmark. MAN Diesel&Turbo.2013：2.01~2.12.