船用分油机（精选8篇）
船用分油机 篇1
随着航运业的迅猛发展, 为降低成本, 船舶所用的燃油也越来越低劣, 很多船舶使用380#甚至更差的燃料油。这种重质燃油不仅黏度高、密度大, 而且渣滓特别多, 进入分油机前往往要加热到95℃以上, 使得分油机的工作条件越来越恶劣, 而且, 为了把密度相近的重油和水分离, 分油机要高转速, 有的达到每分钟九千转以上, 为分油机的养护带来挑战。分油机是现代船舶一种重要的辅助机械, 用于燃油或滑油的净化处理 (水分和杂质) 。有的船舶配置的分油机的台数较少, 当所需处理的燃、滑油油质较差时, 运行中的燃油分油机或滑油分油机就很容易出现某些故障。快速判断并排除分油机的故障, 为安全航行赢得宝贵的时间, 就显得相当重要。
1.分油机常见故障及原因
1.1分离筒达不到规定转速。
制动器未松开;摩擦离合器内混入油脂, 摩擦片打滑或损坏;电动机或电气设备故障。
1.2不能进油或分油过程断油。
1.2.1由于泵或管路的问题不能产生足够低的吸入压力。油泵传动齿轮锥销折断;泵严重磨损, 间隙太大;泵转速太低;吸入管漏气;油柜已空。
1.2.2泵吸入压力过低。油柜油位太低;供油泵前滤器堵塞或管路不通;油温太低, 黏度太大。
1.3出水口跑油。
1.3.1水封水未能建立或受到破坏。起动时水封水未加或加得太少;进油阀开得太猛, 水封被破坏;转速不足使水封压力不够;分离盘片间脏堵。
1.3.2油水分界面外移至分离盘外。重力环内径过大;油未加热至要求值, 密度大。
1.4排渣口跑油 (排渣口未能封闭) 。
1.4.1滑动圈不能上移堵死密封水腔泄水口。分离筒上小孔堵塞不能泄水;滑动圈下方弹簧失效;滑动圈上方塑料堵头失严。
1.4.2滑动底盘下部缺密封水。高置水箱无水;工作水系统管道或控制阀堵塞或严重漏泄;滑动底盘周向密封圈失效漏泄。
1.4.3滑动底盘与分离筒盖不能贴紧。滑动底盘上端面密封环失效;传动齿轮和轴承过度磨损使立轴下沉。
1.5不能排渣。
缺少压下滑动圈的开启工作水：高置水箱无水;工作系统管道或控制阀堵塞或严重漏泄，有关工作水孔脏堵不通;滑动圈周面密封失效。
1.6出现异常振动或噪声。
分离筒安装不正确，紧固件松动或与机盖，配水盘摩擦，传动机械因缺油或油质差而损坏;轴承过度磨损而使立轴下沉，供油泵卡阻或损坏;摩擦离合器损坏或过度磨损，质量不均匀，排渣不净;分离筒内积渣不均。
2.分油机故障维修要点
大致判断出分油机的故障之后，可以有针对性地进行维修，如判断在拆检时得到证实，则可以大大缩短工作时间，减轻劳动量，但这需要对管理的设备有一个十分清晰的认识。下面一些维修注意要点有助于深化这种认识。
2.1注意零部件的结构与功能。
零部件的结构与功能是相对应的，结构是实现功能的保证。例如分油机的立轴，其主要功能是高速运转，使离心分离得以实现。立轴上下端有弹簧支撑固定，四周有减振器，可以说立轴处于一种悬浮状态，正是这种弹性结构保证了立轴的高速运转。如果立轴处于一种刚性固定之中，稍有震动或不平衡力出现，在高速运转中产生的后果就是十分严重的。有以上认识做基础，在检修时就会注意到检查上下弹簧的弹力是否足够，以及减振器中各周向弹簧自由状态下的长度是否相同，等等。
2.2注意区分固定部件与运动部件
在维修时，应注意区分固定部件与运动部件，并使两者保持正确的位置关系。分油机的配水装置处在固定与运动部件之间，更应注意其相互间的位置关系。配水盘与分离筒相接触，随分离筒一起高速回转，而配水盘底座与基体相连接，是固定件，所以配水盘应牢固地固定在立轴上，使之不与配水盘底座接触。再如净油排出泵叶轮及轴是一个很特殊的例子，叶轮通过泵轴与分油机上盖连接，本身静止不动，而分离后的净油，其高速回转的动能通过叶轮而转化为压力能，净油借这个压力而排出，这里泵轴的安装不可过紧，以免拉破叶轮，又不可太松，以防运转时叶轮因松动而下落。泵轴上紧后还应注意防松螺丝的固定，使运动部件可靠地与固定部件分开。
2.3注意O-RING的安装。
O-RING主要起密封作用，为分油机的易耗部件。检查O-RING时，应注意其凸起的高度和表面有无伤痕及是否有足够的弹性，运动部件处的O-RING较固定部件处的O-RING更为重要。在更换O-RING时，应彻底清洁环槽，安装O-RING时，注意不可扭曲，以免使部件的运动受阻。为易于安装，可在O-RING上涂一层润滑脂，实践证明，润滑油脂对O-RING的使用寿命并无影响。此外，不要刻意追求O-RING凸出环槽的高度，而应保证O-RING在环槽内活动自如，在离心力的作用下易于外张而起到密封效果。
2.4注意装配标记及销、键的位置。
安装时，销、键配合能保证各部件正确到位。例如，活动底盘随同分离筒高速回转，但相对分离筒而言，它只在排渣过程中上下运动，为防止它在分离筒中周向旋转，在结构上就采用了以销固定的方法。在安装时，如安装到位，可感觉到活动底盘有一个明显的下滑动作。装配标记有助于正确上紧，但应注意到装配标记并不是一成不变的，它的存在是有前提的。分离盘的上紧对分油机而言是十分重要的，在其锁紧环上有装配标记，这个装配标记正确的前提是，分离盘的数量合适，且有足够的弹性，通常以不受力情况下分离盘盖离分离顶盘的垂直距离衡量，否则，即使上紧到标记位置，也不能保证分离盘间距合理，这个预紧力也可能不足以使活动底盘定位。
2.5注意关键数据的测量。
分油机在检修时，有三个主要数据应注意测量。首先是立轴的同轴度，测量点位于立轴上端的锥形部分，应注意测量点是否清洁和是否存在腐蚀，通常这个偏差小于2100mm，如偏差大于5/100mm，则应立即检修立轴部分。第二个数据是立轴的高度，立轴下沉较多，往往是立轴轴承过度磨损的信号，应伴有立轴偏心度过大等现象。第三个数据为立轴下部弹簧和上部弹簧片的高度及减振器中各周向弹簧自由状态下的长度。分油机使用说明书中都提供以上这些数据。
2.6注意专用工具的使用。
专用工具往往量身定做，使用起来应该得心应手。使用专用工具，不但可以使检修易于进行，而且可以防止因野蛮拆装而损伤零部件。平时应做好专用工具的维护保养工作，如螺牙部分有损伤应及时修整，有发生弯曲影响对中性的地方应及时矫正。
分油机是船舶上重要的辅助设备，如有故障不能排除，将会影响船舶的正常航行，只有通过对分油机的结构、工作原理和工作性能的不断学习，才能在故障的处理中逐渐形成自己的见解。总之，只要分析分油机故障的思路清晰，排除分油机故障的方法正确，同时严格按照分油机的使用说明书的要求对其维护保养，船用分油机就能保持状态良好，保证船舶机械设备的正常运行。
摘要：船舶柴油机所用的燃油和滑油在使用前必须经过净化处理, 除去其中的水分和杂质。净化质量对柴油机工作的可靠性和使用寿命影响极大。分油机是船舶净化燃油和滑油必不可少的关键设备。本文主要讨论和分析了船用分油机常见故障原因及维修要点。
关键词：船用分油机,常见故障,原因,维修要点
参考文献
[1]孙培廷.船舶柴油机.大连海事大学出版社.
[2]詹玉龙, 张启陆.船舶分油机故障分析和防范措施[J].航海技术, 2006.2.
[3]杨树森, 涂志平.浅谈一例燃油分油机故障[J].天津航海, 2009.4.
船用分油机 篇2
船用柴油机高压共轨技术的发展
介绍了不同时期具有代表性的船用柴油机高压共轨燃油系统,并从系统适用性、总体布置、关键零部件结构等多个层面分析了该项技术的发展趋势.
作 者：平涛 方文超 浦卫华 闫萍 PING Tao FANG Wen-chao PU Wei-hua YAN Ping 作者单位：711研究所,上海,08刊 名：上海造船英文刊名：SHANGHAI SHIPBUILDING年，卷(期)：2009“”(3)分类号：U664.121 TK421.4关键词：船用柴油机 高压共轨 发展
船用分油机 篇3
现代船舶主要靠离心式分油机来净化燃油和滑油。其工作原理是:首先保证分油机的正常运转并建立水封。从沉淀柜出来的燃油或滑油经过管路进入分油机, 经分油机的进油管进入到分油机最下层的分离盘, 此时分离盘里充满水。本文就分油机的常见故障做些浅显的分析。
2 分油机故障分类
2.1 分油机分油不净
出油口的油含水:一般是由于水封水加的太少不能起到密封的作用。
常见原因:加入水封水的量过少导致水封水受到破坏在, 在这种情况下可以采取停车分油机然后再次启动分油机, 重新慢慢加入足量的水封水;如果是因为分油机中比重环口径的选择不合适就需要根据油密度的不同而更换内径适合的比重换 (一般是油的密度与比重环的内径成反比) 。一般进口油的温度应适当调整 (根据分离油的种类、密度不同而选不同的加热温度) , 低油温也会造成出油口跑水的现象。
2.2 出水口跑油
分油机在进油之前分离筒内是充满着水, 当缓慢的打开进油阀时, 待分离的油进入到分油机里并把分离筒内的水逐渐的排挤到分离盘的外延。一般是以分离盘的分离孔为油水分界面。但往往由于各种原因会导致分界面的位置过于靠近内侧或偏外侧, 这时就会产生各种故障, 常见的就是出水口跑油。
原因一:跟出油口跑水一样如果比重换的内径选择不合理的话也会导致出水口跑油。一般是内径选择过大, 这时需要停机选择合适内径的比重换重新装上, 然后开机。比重环的选择有一定的要求:比重环的盘架上有出油口, 出油口的位置正好与分离盘片上的口相对应。分油时在离心力的作用下油中的稍大些的杂质被甩在分离盘片的外缘, 剩下的油被挤在分离盘片靠近中心的部位, 待聚集到一定量的时候从分离盘片的分配孔向上运动最后从盘架的口进入到比重环内径由油泵排出。理想的情况下油水分界面应该位于盘片的外缘, 但实际工作中由于种种外界因素导致界面的移动。
原因二:进油温度与油号不匹配。一般是油号低的话可以适当减小加热温度, 油号高的话进油温度就要适当的增高 (IF180在95-97摄氏度左右, IF380在105摄氏度左右 (有压力, 水还未汽化) , MDO (国产4#油) 在88-90之间;380c St的分油机, 分油温度98℃, 高温报警设置在105摄氏度或110摄氏度;120#千秒油加热温度一般在90度左右, 所以燃油净油机加热器高温报警设置在95度-97度之间为宜, 但分油机二次加热前油温至少要达到50摄氏度以上。) 无论油温过高或过低都会导致跑油。过高的油温会使水封水汽化, 过低的油温会使排渣的间隔周期缩短, 两者都会破坏水封。
原因三:水封水。最可能的原因是水封水太少或者水封水被破坏, 而水封水被破坏的原因有很多其中之一是进油温度太高导致水封水汽化 (大量的水封水温度达到100摄氏度以上时变成气体) 。如果是自动式分油机会周期性的补水, 但这也存在一个问题即:补水的周期事先预设定的, 它不会随着水封水流失的快慢而自动调整, 所以追其根本还需要从控制油温入手。对于非自动式补水的分油机:水封水建立后就需要值班的时候经常检查, 防止水封水减少影响分油效果。一旦水封水被破坏无论是自动式还是非自动式都要进行排渣这一步骤, 然后重新建立水封, 当建立后再进油。水封水过多会使油水分界面内移, 过多的水会从从出油口跑出也会影响分油效果。
原因四:进油速率。有经验的船员在操作分油机时, 对于进油阀的操作不会快开, 而是慢慢开启。我们知道待分离的油是从分离盘的底部进入分离筒盘片 (分离盘片是中空草帽形状) 然后向上逐层运动加上在离心力的作用下向分离盘四周运动排挤外缘的水封水。如果进油速率过快, 会导至水封水与油的混杂从而不能起到密封的作用。当出现这种情况时需要采取的步骤是:关闭进油阀, 操作分油机排渣, 重新建立水封, 最后缓慢打开进油阀进油。
2.3 分油机出现异常振动和噪音
2.3.1 减振弹簧损坏和缓冲橡皮圈。
因为分离筒位置离底部很高, 重心也高.同时由于分油机转速很快, 立轴的中部, 一般都设置一个减振弹簧盘, 盘内有八根刚度很大的不易损坏的减振弹簧。当某个弹簧失效或者折断时, 应同时全部换新。若不能及时更换, 可加塞垫片或适度调节弹簧座螺母, 以临时起到减振作用。这样做并不可靠, 应尽早换新全部减振弹簧。
2.3.2 分离片太脏。现代船舶装配的
都是自动排渣式分油机, 由于执行ISM规则, 大都能做到定期清洗, 因此很少是由于分离片脏而引起分油机振动。如果确是分离片脏了, 不妨拆开清洗一下。
2.3.3 分油机齿轮间隙过大, 齿轮箱
滑油不足导致齿轮干磨, 中间滚珠轴承损坏等, 都能引起分油机振动。若联轴器上的磨擦片失效, 不仅引起振动, 还会发生跑油现象。
2.3.4 发现振动的处理方法。
如果振动是突然发生的, 很可能是内部某个部件损坏, 如减振弹簧失效或断裂, 齿轮损坏, 滚珠轴承损坏, 立轴底部滚珠破碎或弹簧失效等;相反, 若分油机的异常振动是是逐步加大的, 而且也不是很剧烈, 可能是分离筒内太脏。遇到分油机异常振动或者异常噪音时, 首先应该立即关闭进口阀, 然后停掉分油机, 合上制动摩擦手柄, 以免事故进一步扩大。
2.4 油泵供油不足
分油机上的油泵一般都是自带式齿轮泵, 它的容量一般都大于分油机的额定工作流量, 很少会出现油泵供油不足。遇到油泵供油不足, 首先听听油泵有没有不正常的声响, 再从声音判断是吸空还是油泵故障。若是吸空, 可能是油温太低, 或沉定柜没有加热, 油的黏度太大, 需调节油温。油泵的故障主要是齿轮磨损, 内部间隙超出规定范围, 齿轮泵转动轴/销断裂, 油泵安全调节阀失灵或者有漏气等, 可解体更换部分或全部部件, 排除故障。
2.5 控制系统故障
控制系统故障主要有:分油机不能启动;不能定时排渣;分油机还没到正常转速就跳电。不能定时排渣, 原因多在定时器损坏。电磁阀失灵或卡死也会导致分油机排渣功能紊乱, 甚至分油机一直不排渣, 应该检修电磁闽。由于分油机装配不正确, 启动之后分油机运行负荷过大, 超出定时器规定的时间后, 出于对马达的保护, 分油机会自动跳电。应该重新装配分油机。若分离筒上主密封圈损坏, 运转过程中水封水大量流出, 造成假跑油现象, 分油机也会自动停止。应该换新分离筒上主密封网。
摘要：本文简单介绍了船用分油机的工作原理及常见故障, 以及产生故障的原因及排除方法。
关键词：分油机,油品,粘度
参考文献
[1]李春野, 付克阳.主推进动力装置[D].大连:大连海事大学出版社, 2008.
船用分油机 篇4
我国自从进行改革开放以来,造船业发展迅速,目前,中国的造船总吨位已经跃居世界第三位[1],所以船用柴油机需求量很大。而铁路用(以下按习惯称路用)柴油机有着几十年可靠应用的经验,而且已经形成了完整的产品系列,功率覆盖范围也比较广泛,经过适当的加装改进设计,应该是可以在船舶应用领域发挥重要的作用[2,3]。
由于船用柴油机有关标准和船舶应用的历史习惯,船用柴油机与路用柴油机相比,在结构上有许多区别,其中最明显的不同就是起动方式。
2 路用与船用起动方式的区别
在机车运行时,柴油机的启动方式全部为电机启动。在机车上都装有专用的大功率启动电机,通过的柴油机也允许采用电机启动[4],但也是采用将小起动电机直接装在柴油机上的方式,而省略了变速箱和万向轴。而在船舶上,柴油机更多的还是采用空气启动的方式。
3 空气起动方式的主要形式
空气起动又分为带气缸分配阀风启动和空气马达启动两种方式。
所谓带气缸分配阀式风启动,是指将高压空气经启动控制阀通向凸轮轴控制的空气分配器,再由空气分配器按柴油机工作顺序,在做功冲程中将高压空气供给到各缸的启动阀,使启动阀开启,压缩空气流入气缸,推动活塞、转动曲轴达到一定稳定转速后,停止供气,操纵喷油泵供油点火,柴油机就被启动。此法的优点是启动力矩大,可在低温下保证迅速、顺利地起动柴油机,缺点是机构复杂,成本高[5～7]。特别是在路用改船用时,柴油机结构更改较大。
而空气马达启动,是通过空气马达直接驱动柴油机达到发火转速启动柴油机。图1是某型柴油机启动的原理图。压力为3 MPa的高压空气,通过减压阀减为0.8 MPa的工作压力,经过支管阀、分水器、油雾器到达继气器。在需要起动时,按住电启动按钮,电磁阀得电,控制空气从继气器的N口,通过电磁阀,进入空气马达,将马达端部小齿轮轴向推出,与柴油机输出端的启动齿轮啮合,控制空气再流回继气器,顶开主管路气路,工作空气进入马达,推动马达运转,带动柴油机曲轴旋转,马达废气通过消音器排入大气。柴油机起动成功后,监控微机控制电磁阀断电,控制管路关断,马达内的弹簧使小齿轮退出啮合;继气器中弹簧推动内部阀芯关断主管路气路,马达停止转动。起动过程完成。
图1所示的是双起动马达系统,它与单马达起动的区别除了多了一套起动马达和附件外,还加了一个两位三通阀,其目的是为了保证两个马达都进入啮合状态以后,才打开主管路,使两个马达同时开始运转,以防止一个马达开始运转,另一个还没啮合,发生打齿轮的现象。这种现象在以前的应用中,曾经多次发生过。
这种起动方式相比较气缸分配式起动,结构上比较简单,特别是对于原来由电机起动的柴油机来说,改造起来比较简单,不需要对柴油机的结构进行较大的改动。能够很好的沿袭其多年来积累下来的高可靠性。
图2是参照其它成熟船用柴油机并结合路用柴油机本身的结构特点而设计的马达安装方式。空气马达支架被固定在输出端用于支撑增压器和中间冷却器的连接箱上。
4 起动计算
为了保证能够顺利起动柴油机,在进行结构设计之前还应该对起动过程进行严格的测试和计算分析。
机组采用空气马达启动,因此启动时的加速扭矩由空气马达的输出扭矩与柴油机的摩擦及气缸压缩空气时产生的阻力矩等之差产生。启动过程可用微分方程表示为:
式中,J为轴系转动惯量;Ma为空气马达作用在柴油机轴系的启动力矩;Mo为柴油机起动时的阻力矩,包括各摩擦副摩擦力矩和气缸压缩空气产生的阻力距[8]。
为了便于讨论,以下以12V240ZJD这一典型的路用柴油机和国内某厂家生产的空气马达为例。该
空气马达的主要参数见表1,特性曲线见图3。
根据12V240ZJD型柴油机的试验结果,得出该机型的运转阻力特性见图4。
该型柴油机最早是在挖泥船上应用,与在机车上有所不同,起动时,在其自由端会带有分动齿轮箱和一些液压泵等负载,所以在计算时转动惯量不能单考虑柴油机本身,还应将齿轮箱和液压泵计算在内。在厂里进行试验时,以机车用主发电机代替变速箱和液压泵。根据计算,这个由12V240ZJD型柴油机和发电机构成的柴油机发电机组的转动惯量J=588.9 kg·m2。
12V240ZJD型柴油机的发火转速约为120 r/min,而空气马达的最大功率转速位于2 180 r/min,减速比为:ε=2 180/120=18.166 7。
考虑柴油机的起步力矩,取减速比为ε=20。空气启动马达的小齿轮为11个齿,大齿盘应为220个齿。将空气马达的扭矩换算到柴油机处,绘制出柴油机启动特性曲线见图5。
由图5可知,加速扭矩在柴油机加速至128 r/min左右时,减至0,若此时柴油机仍未点火成功,则启动失败。所以,为了保证起动可靠,设计时应采用2个同型号的空气马达。
已知转动惯量为588.9 kg·m2后,可计算转速与时间的关系见图5。若柴油机点火转速为120 r/min,则需要1.7 s左右。
从计算的起动时间上看,这种起动方式的缺点是起动耗气量比较大,所以需要配备较大排量的空气压缩机和较大容量的高压空气瓶。但这项条件船舶上一般都是可以满足的。
5 试验
根据这些计算和分析,将图1所示的起动系统安装于改型的12V240ZC型船用柴油机上,并进行了试验。表2为试验结果。
6 结论
从试验情况看,试验数据和计算结果基本吻合,说明在起动方式上,路用柴油机进行适当的改进,完全可以满足船舶应用,2006年以来的实际应用也很好地证明了这一点。
通过这次实践可以看出,路用柴油机根据相关标准,通过适当的改进设计完全可以进军船舶市场,为我国船舶制造业的继续高速发展做出贡献。
参考文献
[1]崔新民.中国船用柴油机制造业的发展[J].中国远洋,2000,(3).
[2]董锡明.近代机车柴油机的发展[J].内燃机车,1996,(7).
[3]孙喜运.牟恕宽.240/275系列柴油机的发展和展望[J].柴油机,2005,(6).
[4]包志国,等.机车柴油机原理[J].北京:中国铁道出版社,1980.
[5]陈大荣.船舶内燃机设计[M].北京:国防工业出版社,1995.
[6]赵士林.九十年代柴油机[M].上海:上海交通大学出版社,1992.
聚焦船用柴油机最新技术 篇5
二级涡轮增压系统
二级涡轮增压系统 (见图l) 由两台串联的涡轮增压器组成, 其尺寸并不相同。柴油机产生的废气用于对尺寸较小的高压涡轮增压器 (即第一级涡轮增压器) 进行驱动, 然后对尺寸较大的低压涡轮增压器 (即第二级涡轮增压器) 进行驱动。低压涡轮增压器的压气机从环境中抽吸空气, 环境空气通过中冷器输送至高压涡轮增压器的压气机。在压气机中, 空气再次受压, 通过另一个增压空气压气机输送至柴油机。系统通过使用受控型涡轮旁通或可变喷嘴环 (VTA) , 以适应不同的工作条件。另外, 二级系统的压气机采用了旁路设计来有效抑制喘振。高压级和低压级涡轮增压器的需求不尽相同。高压级全部由废气进行增压, 仅接收到来自低压级的较少压缩空气。因此, 高压级仅配置了较小的压气机。相比之下, 低压级的情况与压比较低的单级涡轮增压系统相似。
二级涡轮增压系统不仅需要面对许多涡轮增压器的共同难题, 而且对柴油机进气系统的完整性上提出了许多挑战。MAN Diesel&Turbo公司已研究出一套紧凑的方案, 使涡轮增压器互成90°布置。柴油机减排可在柴油机内部实现, 即提高柴油机的平均有效压力。
MAN Dlese&Turbo公司通过多年研究, 通过二级涡轮增压系统把增压空气的压力提高到足够的水平, 并能达到减少排放的目的, 对部分柴油机甚至还能提高输出功率。该公司现已准备好向市场投放二级涡轮增压系统以及全新TCX系列涡轮增压器。
MAN Diesel&Turbo研发出新一代涡轮增压器, 即全新的TCX系列涡轮增压器, 专门针对二级涡轮增压系统而设计。TCX系列以成熟的TCA/TCR系列的设计原理为基础, 采用非冷却型罩壳和耐用型滑动轴承。享有盛誉的TCA和TCR系列分别采用轴流式和径流式涡轮, 而全新的TCX系列采用新颖的斜流式涡轮, 完美符合低增压比应用的要求。
低增压比会影响导流部件, 同时也对轴承和罩壳造成影响。特别是在高压情况下, 更多的推力会施加在轴承系统上。此外, 涡轮轴封所采用的密封空气也有所调整, 以适合不同的压力水平。另外, 考虑到高压涡轮增压级的压力更高, 所有涡轮增压器罩壳在气密性方面必须有所保证。
共轨技术
日趋严下的能源危机, 成为全世界内燃机行业关注的焦点, 也使柴油机越来越受到用户青睐。与汽油机相比柴油机有很多优势:能减少20%～25%的CO2废气排放, 车速较低时的加速性能更有优势, 平均燃油消耗低25%～30%, 能提供更多的驾驶乐趣。但是, 与汽油机相比, 柴油机的排放控制又是个难点。为满足排放标准, 柴油机先进的燃油喷射系统——高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。
共轨技术是指高压油泵、压力传感器和ECU (电控单元) 组成的闭环系统中, 将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管, 通过对公共供油管内的油压实现精确控制, 使高压油管压力大小与发动机的转速无关, 可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化, 因此也就减少了传统柴油机的缺陷。
风能—柴油混合发电
在过去的15年, 无任何其他的发电方案比环保的风能发电具有更高的增长率, 且无其他的原动机技术比内燃机在发电领域具有更高的工作灵活性、可利用率和可靠性。近日, 在阿姆斯特丹举行的欧洲电力会议上, MAN Diesel&Turbo电厂向人们展示了风能-柴油混合电力系统。此系统兼备风能发电和内燃机技术, 既经济又环保。
柴油机作为备用或并网发电设施比燃气、燃煤或联合循环电厂等原动机具有非常明显的优势。柴油机在部分负荷和满负荷工况下均能通过迅速的负荷改变反应能力实现高效的运行。此外, 柴油机也能在风力条件波动时, 为电网提供稳定的旋转及非旋转储备。柴油机能燃烧来自于不同来源的多种燃料, 如天然气、馏分油、生物柴油和生物油, 使排放废气更清洁, 温室气体排放量更低, 是发电柴油机的另一重要优势。
MAN Diesel&Turbo公司从世界最大的风能-柴油机混合发电项目Eco-power Bonaire中获得了独有的服务经验和提高, 该项目已在荷兰安的列斯群岛其中一个岛上进行了调试。通过MAN Diesel&Turbo与Enercon公司的通力合作, 发电设施采用燃烧生物燃料的柴油机和风力驱动的风力机, 根本实现零二氧化碳排放发电。由此可知, 不久的将来, 船舶发电机组也可以采用MAN Diesel&Turbo公司的风能-柴油混合发电技术。
废气再循环系统
2008年8月～2010年3月, 在持续一年半的时间中、MAN Diesel&Turbo致力于首套二冲程船用柴油机废气再循环 (EGR) 系统的研发、设计及制造, 其目标对象为在役的集装箱船。通过与马士基航运公司的通力合作, 首套废气再循环系统的原型机已在“马士基亚历山大号”上安装并进行部分调试。2009年7月, 马士基亚历山大号在Lisnave船厂安装了废气再循环系统的所有大型部件, 并完成主题安装工程。为马士基亚历山大号专门开发的废气再循环系统设计能再循环至少20%的废气, 即相当于基本排放量能减少至少50%的氮氧化物的排放量。
马士基亚历山大号的废气再循环系统自2010年3月开始进行调试且现在仍在进行中。性能试验的一个重要部分就是评估废气再循环系统对使用重燃料油 (HFO) 的主机在一段时间上的影响。因此, MAN Diesel&Turbo会定期检查主机, 以研究和观察废气再循环系统对二冲程船用柴油机气缸的影响。经过工程师的测试、重新设计和改装, 首套改型废气再循环系统 (采用了在哥本哈根4T50ME—X试验柴油机多年试验积累的经验) 重新安装于马士基亚历山大号。
废气再循环系统的主要部件包括洗涤器、冷却器、水雾捕集器、鼓风机、关断切换阀、水处理装置 (WTP) 和水净化装置 (WCU) 。
根据4T50ME—X试验柴油机所得到的废气再循环系统试验结果显示, 废气再循环系统适用于大型二冲程柴油机, 符合IMO有关标准, 具有广阔的发展前景。由MAN Diesel&Turbo的涡轮增压器部与低速机研发工程部合作, 对废气再循环系统鼓风机性能和效率进行研究。全新废气再循环系统鼓风机的设计以标准TCR涡轮增压器压缩机的设计为基础, 效率可达到80%, 将于2010年年底试验结束。
将废气再循环系统进一步完美整合至柴油机设计中已进入执行阶段, 是MAN Diesel&Turbo未来的重要挑战。
双燃料柴油机
MAN Diesel&Turbo的51/60DF发电机有直列9缸和V型12缸、14缸、16缸等多种版本。每个缸的发电能力为60HZ, 1000kW (514rpm) 以及50HZ, 975kW (500rpm) 。发电机的总发电量为8560至17550kW。
双燃料柴油机具有燃料混合灵活和低排放的特点, 适用于必须或倾向于使用备用燃油的场合。其燃料混合的灵活性体现在整个功率输出范围内, 燃油模式可与燃气模式任意切换。在燃气模式下, 通过喷入馏分燃油以点燃空气与燃气混合物。在51/60DF双燃料机中, 点火用燃油量占到满负荷输出时所需燃油最的1%。
共轨喷射系统的优点在于可允许灵活设置每个汽缸的喷射定时、持续时间和压力。这种灵活性有助于柴油机实现低排放, 并对每个汽缸的爆燃信号快速做出响应。在备用液体燃油模式下, 51/60DF发电机就像普通柴油一样工作, 既在凸轮轴驱动的泵压式喷射系统中, 通过独立的普通尺寸油头喷射馏分油或重油 (HFO) 。51/60DF发电机在燃烧5%含氧量、500mg/mn3浓度的气体燃烧所派出的氮氧化物, 符合德国TALuft空气保护规范和世界银行污染预防和缓解手册的要求。
V51/60DF和L51/60DF四冲程、双燃料柴油机的主要参数如表1:
综上所述, 未来开发绿色船用柴油机, 就必须加强燃前、燃烧过程组织、排气处理和清洁燃油等技术的研究开发, 通过网络信息技术将各种绿色优化技术进行集成, 综合调控, 使柴油机能在动力性、经济性、环保等三个方面达到一个最优化。
我国是一个造船大国, 面对柴油机生产强国的竞争, 我国目前的船用柴油机整体的竞争力并不强, 而且, 未来随着我国越来越多的船用柴油机进入国际市场, 必然会遇到越来越多的技术贸易壁垒, 其中是否符合其苛刻的环保标准必定是一个很大的障碍。因此, 从生产企业的角度而言, 我国船用柴油机生产企业, 必须有危机意识, 一方面要加强船用柴油机相关核心技术的开发, 另一方面要大力开发绿色柴油机新技术, 这样才能在未来的国际船用柴油机市场中占有一席之地。从航运企业立场而言, 必须履行企业社会责任, 积极关注最新船舶节能减排技术, 并及时在公司新造船舶或改造船舶上加以利用。从政府的角度而言, 应当采取行政和经济等措施扶持骨干企业大力发展绿色船用柴油机, 比如对环保型船用柴油机研制进行资金支持和减税等。
船用柴油机气阀维修工艺分析 篇6
当气阀的磨损程度较小, 有轻微的麻点或凹痕时, 可采用手工研磨法进行修理[1]。首先将气缸盖洗干净, 着色检查气阀阀面的接触情况, 将色油均匀地布于气阀的锥面上, 放入阀座中, 起落几次。随后取出气阀, 验看阀面的着色情况, 接着可进行气阀与阀座之间的研磨工作。研磨时, 通常用胶皮碗吸住阀盘, 并在气阀锥面上均匀的沾上少量研磨砂和机油, 利用阀盘与阀座上下冲击来研磨。气阀每研磨数次后提起转过一个角度再研磨。当感到气阀研磨砂磨钝而稀少时, 可添加新的研磨砂继续进行, 使气阀和阀座的整个密封面圆周上都得以磨合。常用的气阀研磨砂有中号、细号两种。一般先用中号后用细号进行研磨。当气阀磨损程度较大时, 且有烧伤、腐蚀、密封接触面过宽等缺陷时, 可在船实施机加工修理。修理时可先将气阀用车床加工, 之后再进行气阀和阀座之间的相互研磨。
气阀与阀座的密封锥面, 经过配研后, 可使用下述方法检验其密封性: (a) 在阀座锥面上相隔3～5mm划上一条铅笔线, 然后将气阀坐落在阀座上, 轻微旋转气阀四分之一圈。若所划铅笔线条的中间部分全被擦去, 则表示它们研磨合格, 接触良好。 (b) 将气阀落座在阀座上, 上下敲击数次, 若阀座锥面上出现一个连续的光亮环带。则认为研磨合格, 接触良好。 (c) 将气阀紧压在阀座上, 并把柴油倒入阀座周围的空腔内, 历时数分钟后, 擦干净气阀周围处, 并迅速提起气阀, 若气阀和阀座两者相接触的锥面是干燥的, 无柴油渗透的痕迹时, 则表示互研合格, 密封性良好。
2 气阀的进厂维修
2.1 气阀的喷砂清洁
由于进厂待修的气阀表面都不同程度的存有积碳、油垢和锈蚀, 这些异物的存在严重影响了气阀的初检和维修。尤其是初检, 必须要求气阀除去阀身的所有附着物才能够测量出准确的数据。船厂一般采用干喷砂的方式进行阀身清洁。特别要注意的是, 在干喷砂之前一定要先确定气阀哪些部分需要喷砂。例如气阀阀杆杆径没有必要进行喷砂清洁时, 一定要用硬质物进行包裹防护处理, 避免喷砂时损伤杆径表面的光洁度[2]。
2.2 气阀的初检
气阀的初检一般由船厂的专业技术人员来完成。这首先就涉及对气阀是否到了报废程度的判断, 一般通过气阀各主要数据的测量值与标准值的对比来判断其损耗情况。测量人员一定要认真测量与准确记录数据, 并提出初步的修理建议。在气阀维修前的初检中, 一旦发现气阀超过最大的损耗量, 检验人员一定要及时记录有关情况, 并如实向船东反馈建议气阀报废的原因。
2.3 气阀的初车与无损探伤
对于确定需要进一步修理的气阀, 首先要进行初车。在初车气阀时, 要求机床夹头夹持阀杆顶部, 机床尾部顶住阀盘原中心孔。在初车气阀时, 一定要将阀座面及燃烧面的司太立合金、裂纹等全部去除。另外, 在气阀机加工前后的装夹和转序过程中, 要注意选择合理的吊索和吊具, 正确装夹, 避免磕碰划伤及阀杆弯曲变形。
在初车完成后, 需对气阀进行无损探伤。气阀的无损探伤是指不破坏或者基本不破坏气阀的形状、尺寸精度的前提下, 采用物理、化学等方法探测内部和表面的缺陷[3]。气阀的无损探伤不仅仅可以探测缺陷, 而且还能测量缺陷的形状、大小、位置、取向、分布和缺陷的性质等。因此无损探伤在气阀修理过程中得到了广泛应用。这其中由于气阀多表面型缺陷, 因此, 在初车后常用到的无损探伤方法为着色探伤。着色探伤中的内压式喷罐操作简单、携带方便, 气阀的维修过程中得到广泛应用。一组内压式喷罐各装有清洗剂、渗透剂和显像剂。检验时, 先用清洗剂清洁气阀表面, 然后喷涂一层渗透剂, 一般气阀的渗透时间不小于30min。在清洗掉气阀表面的渗透剂后再喷涂显像剂, 最后, 就可以在气阀的白色衬底上显示出红色缺陷痕迹。着色探伤结束后, 可以根据缺陷来进一步的分析处理。对于烧蚀、烧损或裂纹较严重的局部缺陷, 先用气割切除缺陷部分, 之后进行进一步的焊补修理。若在阀盘发现大量的周向裂纹, 或是存在长度较长的径向裂纹, 即可建议船东报废该气阀。
2.4 气阀起吊孔和研阀孔的扩钻
由于气阀工作环境极其恶劣, 所以一般会在起吊孔和研阀孔周围产生缺陷, 这种缺陷一般包括裂纹、烧蚀等。为了清除上述缺陷, 一般要在堆焊前进行起吊孔和研阀孔的扩钻。在扩钻前, 要使用专用的工具测量起吊孔和研阀孔的尺寸, 并根据此尺寸选取大于其孔径2mm以上的钻头扩钻, 保证将旧件孔位周围的裂纹、烧蚀等缺陷去除。同时, 在扩孔前也一定要将钻头与阀盘孔位的相对位置调整准确, 以免钻头偏离原孔位。另外操作人员要控制好钻孔的深度, 以免钻孔过深甚至钻穿阀盘导致气阀报废。钻削后一定要仔细检查所钻起吊孔与研阀孔内是否残留有铁屑和油污等, 一旦发现, 可用简易工具将这些残留物去除, 以防堆焊时夹杂残渣。
2.5 气阀阀杆与杆端的维修
气阀阀杆因长期使用主要的缺陷形式有杆径喷涂层磨损、喷涂层爆裂剥离等[4]。对于上述缺陷, 一般采用热喷涂的方法修复。气阀阀杆的热喷涂是把丝状或粉末状的材料加热到近熔化或熔化状态, 并使之雾化、加速, 最后喷至杆径表面形成覆盖层的工艺[3]。热喷涂既是一种强化工艺, 也是一种修复工艺。此外, 对于气阀阀杆杆径端的缺陷, 一般都要先将缺陷部位车除, 之后进行堆焊不锈钢处理, 最后进行司太立焊。
2.6 气阀的堆焊
在气阀的进厂初车及探伤后, 紧接着要进行焊补修理。焊补是船机零件最重要的修理方式之一, 对于零件的裂纹、断裂、严重磨损、腐蚀和烧蚀等损坏的修理有其独特的作用。焊补工艺具有成本低、工时少、效率高、焊层与零件机体结合强度高等优点[3]。但同时焊补时零件温度高, 也易产生变形和裂纹。堆焊是用熔化焊条的方法在零件磨损或腐蚀的表面上熔敷一层或多层金属的操作。堆焊工艺适用于修补零件大面积磨损、腐蚀破坏或补偿较大的尺寸以恢复零件原有尺寸, 例如气阀阀面和燃烧面的大面积损伤。对于气阀烧蚀、烧损、裂纹较严重的部分, 若已经用气割切除了缺陷部分, 一般要先补焊缺陷处后再进行堆焊。在施焊前要彻底检查工件表面, 确定已去除所有污物后再施焊。
2.7 气阀的中间车与二次无损探伤
在进行气阀的堆焊后, 要进行再一次的机加工, 一般称为“中间车”。对于气阀的中间车, 主要是在阀座面处车削出沿阀座面近似“倒梯形”的司太立合金槽[2], 为进一步的司太立合金焊做好准备。同时燃烧面也要进行中间车, 其主要目的是检验堆焊过程中是否存在焊接缺陷。在车司太立合金槽的时候一定要根据图纸的要求认真车削, 以免车削不足或车削过度, 保证气阀不影响其再投入使用时的技术性能。中间车结束后要进行二次无损探伤, 这主要是为了检查堆焊过程中是否存在各种缺陷, 并保证这种缺陷要在司太立合金焊之前去除, 防止带着缺陷进行司太立合金焊, 以保证气阀的维修质量。无损探伤主要采用的探伤方法大体与初车后的无损探伤一致。
2.8 气阀的司太立焊
司太立合金是著名的高温钴基合金, 具有优良的高温性能, 较好的热强性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能, 这种合金熔焊在气阀的阀座面, 可使气阀的寿命有较大程度的提高[5]。在气阀司太立焊之前操作人员一般要认真检查气阀的司太立合金槽, 若发现车削残渣等附着物, 一定要在焊接前予以彻底清除, 以防出现夹渣等缺陷。此外, 在焊接前一定要对气阀进行预热, 同时在司太立焊接结束后, 也要注意立即将气阀放进保温箱中进行保温, 保温时间也要保证在12小时以上, 这样使气阀随箱自然冷却至室温, 可以有效的消除应力, 从而保证焊接的质量。
2.9 气阀的精车与三次无损探伤
气阀的精车是出厂之前最后一次也是最重要的一次机加工, 因此操作人员一定要根据图纸要求仔细车削, 以保证出厂时恢复其原有尺寸和技术参数等。精车后, 要对气阀进行第三次无损探伤, 这次探伤的目的主要也是为了检查气阀是否在司太立合金焊的过程中出现新的缺陷。探伤所采用的方法与初车和中间车之后所采用的探伤方法基本一致。
2.1 0 气阀的钳工修理与终检入库
气阀精车并结束三次无损探伤后, 一般要进行钳工修理。其中, 要根据气阀的原有技术参数选择合适的丝锥对起吊孔进行攻丝。操作者还应注意清除丝孔内的铁屑, 除气阀的锈蚀, 去除残余的焊接飞溅、油污, 去除机加工的飞边毛刺, 并在机加工表面涂防锈油脂。在终检环节, 由船厂专业技术人员对气阀修理完成后的质量和最终的成型尺寸做最后的测量与核对。在检验合格后, 根据美观、防蚀和保护气阀的需要, 一般要对气阀进行刷漆处理, 并单件用塑料、硬纸板等防护材料进行包装, 送成品库等待出厂。
参考文献
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[2]大连迪施船机有限公司技术部.大连迪施船机有限公司自编讲义, 2007.
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[4]程东, 朱新河等[J].船用柴油机零件的维修与再制造技术, 2006.
船用柴油机智能油耗调控仪 篇7
燃油的经济性是船用柴油机的主要性能指标之一, 一般用燃油消耗量 (率) 来评价。因此柴油机的燃油燃油量 (率) 是柴油机测量的重要参数, 同时也是评价柴油机性能及其先进性的重要指标之一[1]。当前, 全球能源问题突出, 船舶作为交通运输特别是远洋运输中运量较大的运输工具, 在每年全球船运中要消耗2.8亿吨石油, 燃油消耗所占海运运输成本比例可达到40%—60%。因此, 节能对于航运业来说显得尤为重要。
1智能油耗调控仪的工作原理
油耗调控仪的工作是基于油耗仪的油耗测量的。测定燃油消耗量 (率) 的方法通常有容积法、重量法等, 常规的容积法和重量法的测量精度较高, 但这些测量方法的应用场合却受到了一定的限制。它们一般不适合做随船 (车) 测量, 且不能测量瞬时耗油量, 也均不具有调控功能。本文所提出的油耗调控仪是一种采用流量计为传感器, 基于单片机的智能瞬态油耗测量调控仪。在安装船用柴油机智能油耗调控仪之前, 要在分析柴油机总体工况变化规律的基础上, 结合船用柴油机和螺旋桨的工作特性, 确定柴油机的最佳工况区域, 建立最佳工况特性的数学模型。通过实测耗油量与最佳工况下的理想耗油量的对比分析, 由调控仪发出控制指令输出到执行机构, 改变供油量和转速, 实现柴油机在最佳工况区域运行。图1为智能油耗调控仪测量系统结构框图。主要组成部分为:进、回油管道流量传感器, 基于单片机的测控单元, 驱动电机以及一些其它外部设备。
在柴油机的进、回油管道中各安装一只LWGY型涡轮流量传感器, 用来测量工况下管道燃油体积流量。燃油经流量传感器进入柴油机, 流量传感器测量燃油流量, 以脉冲 (频率在改变) 形式输出信号至单片机测控单元。单片机对两路脉冲信号进行差值计算后和仪表系数进行相应的计算即得到体积流量Q。该值经键盘显示接口显示。设Q为实际耗油量, Q1为进油管道燃油流量, Q2为回油管道燃油流量, 则实际耗油量:
智能油耗调控仪通过对柴油机油耗的实时监控测量, 实现了柴油机工况实时信息的采集和缓存处理。采集到的油耗数据与最佳工况下柴油机耗油曲线进行比较, 由单片机控制器通过一个I/O端口向驱动电机发出控制指令, 以改变供油量, 使其始终保持在最佳工况区域运行。
2系统的硬件结构与介绍
2.1传感器部分
选择合适的流量传感器对于提高油耗调控仪的测量精度, 优化硬件电路都有着重要的影响。本文采用了速度式流量传感器——涡轮流量传感器。涡轮流量计是利用在被测流体中自动旋转的叶轮转速与被测流体的流速成比例的原理, 把流体流速 (流量) 的测量转换成叶轮转速的测量。由于涡轮转速n与燃油的平均流速 (流量) 成正比, 而磁电转换器产生的电脉冲信号频率f又与涡轮转速n成正比, 所以输出的电脉冲频率f与流量成正比。这里所采用的两个传感器, 一个安装在柴油机进油管道 (细滤器之后) , 另一个安装在回油管道 (限压阀前) 。为提高测量精度, 涡轮流量计上游直管长度L1应不小于15D (D为管路直径) ;下游直管段长度L2应不小于5D。
在测量范围内, 涡轮流量传感器的流量脉冲频率f (Hz) 与体积流量Q (m3/s) 成正比, 这个比值即为传感器的仪表系数K (m-3) , 其计算公式为:
在同一段时间内, 传感器检测到的脉冲个数N与流过管道的流体体积V (m3) 亦成正比, 其比例系数亦为传感器的仪表系数K (m-3) , 如公式 (3) 所示:
2.2单片机系统
智能油耗仪的测控单元是本系统的核心, 要求智能化程度高, 实时性好, 使用方便灵活。测控单元电路应主要具有如下功能[2]: (1) 测量燃油的流量与显示; (2) 能够进行分析并发出控制指令; (3) 控制指令键盘输入。
为了满足智能油耗调控仪的测量需要, 综合考虑仪器的功能、运行环境及经济性等因素, 油耗调控仪采用MCS-51系列的8051单片机作为主控制器。8051单片机的指令系统丰富, 运算速度快, 编程效率高。系统的硬件结构框图如图2所示。
8051单片机的P3.4、P3.5引脚分别扩展用作定时器0、1的外部输入。将T0和T1分别接进油管道和回油管道的流量传感器, 用于记录流进和流出的燃油量。参照公式 (2) 和公式 (3) 计算流量。系统中扩展了一块EPROM27128, 用于存储系统的控制程序等一些固定数据;扩展的SRAM62256, 可以存储柴油机运行过程中各时刻的数据。油耗调控仪在测量油耗时需要精确的时间定时, 可采用MC146818或MSM5832芯片。系统采用Inter 8279芯片和译码、驱动电路来构成键盘和显示部分。由8279微处理器芯片控制键盘的数据输入和LED的数据显示。键盘主要用于输入控制命令, 并在各种显示状态之间进行转换。6位8段LED显示器, 用于显示油耗仪的状态、测量数值和当前时间等。系统采用扩展RS232C串行接口, 将记录的数据传送到计算机, 供管理人员查询使用, 为科学的燃油管理提供依据[3]。
单片机在采集实时油耗量后, 与最佳工况点 (区域) 的油耗量进行比较, 如果油耗量不在这个区域, 则通过P1.0口输出控制信号至驱动电机从而带动执行机构调整柴油机的供油量, 改变转速。以使柴油机在最佳工况点 (区域) 运行。
3系统的软件设计
3.1瞬时流量的测量
当前测瞬时流量的两种常用方法是定时测量法和定量测量法。在流量大时, 通过测量采样周期时间内的脉冲数计算流量较准确, 但流量小时误差较大。而定量测量法脉冲周期测量方法在流量小时准确度高, 流量大时误差较大。另外, 流量脉冲产生装置的机械误差, 对采用定量测量法测量脉冲也有较大影响。通过图3的a和b可发现定时测量时会产生误差。
不管计时和计数脉冲同步与否, 都有多1少1的脉冲误差。同理, 定量测量时也是如此。为避免被测脉冲计数的误差, 将定时作延时调整, 等待被测脉冲计数完整;与此同时, 取时间基准脉冲计数值。这样脉冲计数N为零误差, 时间基准脉冲计数T有多1少1的误差。当时间基准脉冲源误差小于十万分之一时, 误差源主要是时间基准脉冲计数多1少1引起。频率f=N/T, 假定定时为1 s, 时间基准脉冲周期为100 μS, T=10 000+ΔT f=N/ (10 000+ΔT) , 误差:Δf/f=[N/ (10 000+ΔT) -N/ (10 000+ΔT±1) ]/[N/ (10 000+ΔT) ]=1- (10 000+ΔT±1) / (10 000+ΔT) =±1/ (10 000+ΔT) 。可见误差小于万分之一, 随着晶振频率的提高误差还会减小。
3.2调控量的控制算法
在控制理论和技术飞速发展的今天, PID控制作为经典控制理论, 因其具有控制方法简单, 稳定性好, 鲁棒性强和易于现场调试等优点, 被广泛应用于工业过程控制。
PID控制算法有两种:直接计算法和增量计算法。直接计算法就是直接计算当前需要的控制量。公式如下:
用8051单片机汇编语言编写算法程序:
MOV A, 5CH;取给定值
CLR C
SUBB A, 4CH;求给定值和采样值的差ei
JNC PID
......
测量软件可按功能分为:程序初始化 (包括设置芯片的工作方式, 单片机中断方式等) 、键入各控制命令、平均油耗测量、累积油耗测量、数据通信传输、显示、取当前油耗值与最佳工况区域的油耗值进行PID计算, 发出控制指令等部分。软件先对系统进行初始化和自检, 测控系统软件的主程序流程图见图5。
4结束语
通过船用柴油机智能油耗调控仪的研究, 实现对柴油机性能参数和工况变化趋向的瞬时分析, 确保柴油机在最佳工况下运行, 进而提高能源的利用率, 降低能源消耗, 实现船用柴油机燃油的有效管理。这对于缓解能源瓶颈制约, 降低船舶营运成本, 提高船舶营运的经济效益, 促进航运业的可持续发展具有重要的意义。
参考文献
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船用柴油机NOx排放控制技术 篇8
柴油机自问世以来以其良好的动力性、经济性和可靠性在船舶领域得到了广泛的应用。据有关的资料统计, 在一般大中型民用船舶中, 有90%以上使用柴油机作为主推进装置, 同时也作为船舶发电的原动机。但由于船用柴油机强化程度高, 循环燃烧时间长, 排气中主要的有害排放物是NOX, 且对生态环境影响最大。其中NO约占95%, NO2只占其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大, 但排入大气后会很快被氧化为NO2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强 (毒性大约是NO的5倍) 的红棕色气体, 会对人的呼吸道及肺造成损害, 严重时会导致生命危险。NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾, NOX还会增加周围臭氧的浓度, 破坏植物的生长。因此世界上几大柴油机制造厂如MAN B&W、Wartsila—New Sulzer、MTU和日本三菱公司等都采取了相应的措施来减少NOX排放。下面介绍几种比较有效的控制柴油机NOX排放的技术。
2 船用柴油机的排放法规
由于船用柴油机对环境污染的日益严重和人们对环境状况的日益关注, 国际海事组织海洋环境保护委员会 (Marine Environment Protection Committee, MEPC) 在1997年通过了《MARPOL73/78公约》的附则VI《防止船舶造成大气污染规则》, 对船舶主机排放提出了严格的限制。该规则适用于每一台安装在2001年1月1日或以后建造的船舶、输出功率大于130kW的柴油机。该法规于2005年5月19日正式生效, 截止2008年10月10日, 已经有53个国家批准了该法规。
MEPC又于2008年10月10日正式通过了附则VI的修正案, 修正案包括三个级别的IMO船用柴油机排放法规体系, 正在执行的附则VI内容被作为TierⅠ (2005年5月开始实施) 标准纳入其中, 并增加了更加严格的TierⅡ (2011年全球实施) 和TierⅢ (2016年排放控制区实施) 。IMO排放法规对NOx排放的限制如图1所示。在柴油机标定转速n<130r/min或n≥2000r/min时, NOx排放是定值;而当转速在两者之间时, NOx排放是标定转速的函数。
可以预见, 随着排放法规的实施以及排放法规的逐步严格, 将对柴油机的研制开发、制造及使用产生巨大的影响, 甚至在某种程度上引导着柴油机的发展方向。
3 控制NOX排放的技术
目前比较适用于降低船用柴油机NOX排放技术有三种:基于微调控制燃烧过程降低NOX排放技术、掺水技术和SCR技术。
3.1 控制燃烧方法
柴油机缸内燃烧过程直接决定NOX的生成量, 因此控制燃烧方法是控制NOX的基本方法。目前主要是通过采用新型燃烧室、推迟喷射、提高喷油压力和采用共轨技术等。
采用新型燃烧室。根据NOX的生成机理可知, 欲降低NOX排放, 最简单可行的方法是降低最高燃烧温度。如MAN B&W公司在其MC、MC—C系列柴油机中采用一种称为Oros的新型燃烧室结构, 其活塞顶部呈中间凸起的浅ω形, 代替原先的浅盆形, 可使活塞顶部的外壁温度下降80~90℃、燃烧阶段的平均热流量减少20%以上、局部最大热负荷降低25%~35%, 可在保持原机油耗率水平下降低NOX排放量。
推迟喷油并适当提高喷油压力。推迟喷油将降低燃烧时的最高温度, 同时又缩短了氮、氧在高温下的停留时间, 从而抑制了NO生成。Wartsila现所有中速机都已采用延迟喷油燃烧配合高压缩比及提高喷油压力, 来达到在不增加油耗率的前提下降低NOX的目的。但同时将增加排气中的黑烟以及HC, 而且经济性、动力性亦会降低。
电控共轨喷射系统是国外九十年代中期开始推向市场的一种新型柴油机电控喷射系统。其主要特点是:可实现高压喷射和引导喷射。根据工况变化对喷油定时、喷油规律和循环供油量进行最优化控制, 以获得所要求的燃烧规律, 既保证发动机性能又抑制NOx和颗粒的生成。
采用控制燃烧方法降低NOX排放, 这些措施可使NOX减少10%~30%, 但降低了NOX排放指标, 往往却又生成新的污染物, 或伴随着油耗的增加。另外这些技术几乎已经接近其功效的极限, 无法满足特殊海域的排放要求。
3.2 掺水技术
众所周知, 柴油机中NOx生成量取决于燃烧室中的燃烧温度, 而水对于降低燃烧过程的最高温度以减少NOx生成具有正面的影响作用。因此人们对各种掺水方法进行了试验研究, 最为广知的掺水方法有下述四种:
第一种是油水乳化技术 (FEW, Fuel Water Emulsion) 。它是水溶入油的乳化油, 在喷油之前将燃油和水进行乳化, 再喷入气缸, 可以降低NOx20%~30%。主要优点:设计上无需特别改变;对燃烧的稳定性无影响, 即使水量达30%, 对燃油消耗率也没有影响;有利于排烟;水消耗率低 (10%的水可使NOx减少10%) ;投资费用低。所存在的乳化油稳定性以及不用乳化油时柴油机性能变差、供油系统腐蚀等问题已得到了解决。MAN B&W公司主张采用这种油掺水的方法, 在中速船用柴油机12V48/60上采用FEW技术, 其乳化油含水体积比为20%, 并结合喷油延迟, 使该机型80%负荷以下的NOX排放下降54%。缺点是为保持发动机的功率输出量, 这种方法尚须使用超大尺寸的喷油装置。
第二种方法是直接喷水技术 (DWI, Direct Water Injection) , 它是通过一个独立的水喷嘴直接将水喷入气缸, 通过水份在燃烧过程吸收热量来冷却燃烧室, 降低燃烧的峰值温度, 从而降低NOx的生成。这种装置是在同一个喷油器上分别装有喷油和喷水的喷嘴, 喷水压力为20~40MPa, 喷油压力为120~200MPa。喷水定时、喷水量及持续时间由电控单元控制, 喷水时间在上止点前45°CA至上止点前10°CA左右, 接下来喷油至上止点后20°CA左右, 喷油量与喷水量之比为0.4~0.7, 可达到近似等压燃烧, 不影响柴油机功率输出。在烧重油 (HFO) 时, NOx为4~6g/ (kW.h) , 比IMO的限值低得多。主要优点:喷水系统与喷油系统安全独立, 可使发动机的运行不受喷水系统断水的影响, 喷油系统与标准机型上所用的相似;对空间要求很低, 投资费、使用费低, 投资费一般为US$20~25/kW, 使用、维修费通常为燃油费用的4%~5%。南京金陵船厂为芬兰FORTUM公司建造的25000t化学品船采用Wartsila公司的直接喷水降低NOx的9L46中速柴油机, 结果NOx排放降低50%~60%。
第三种方法是向进气管中喷水
如图2所示, 水正好在进气管的进气阀前喷射, 喷射水来自支管提供给燃油阀的冷却水, 喷水量是通过改变水喷嘴孔的数量来控制的。它可以降低NOx10%~30%。这种方法最为简单, 并可代替一部分中冷器的作用。但会有引起进气管中冷凝 (水浓度高时压缩空气瓶中的水会出现冷凝) 和进气门侵蚀的危险, 因此实际使用还存在一些问题。
第四种方法是采用HAM (humid air motor) 技术。它是德国Munters Euroform公司开发的一种改进型进气加湿系统。HAM系统是由加湿器、循环泵、增加水温的热交换器、泄放系统、水箱和过滤器等组成。其工作原理是用水蒸汽加湿进气管中的进气, 这种湿空气进入气缸燃烧, 使燃烧最高温度降低, 从而降低NOX的产生。图3是HAM系统原理图。从压气机中出来的热压空气进入被称之为“加湿器”的装置中, 通过用发动机废热加热的水不断地冲刷的热交换器表面, 使水吸热汽化。由于过热空气的放热作用, 使空气的相态发生变化, 即从过热空气变化至饱和空气, 同时使混合气温度降低。在加湿器中, 经过3级加湿, 压气机出口的约160℃的空气经加湿后的相对湿度达到98%, 温度降低到65~70℃。为确保蒸发过程良好, 在整个蒸发过程只有5%~10%的水被蒸发。HAM系统具有以下优点:
(1) 能有效的减少NOX达70%~80%。在低负荷时, 效果更好 (在50%负荷时可达80%) , 同时不会引起二次污染。如瑞典Munters Euroform公司在一台6000kW的12PC2-6V型船用中速柴油机中采用HAM技术, 使NOX的排放量降低了74%。
(2) 投资费用低。由于可以使用海水, 泵、滤器等的维护管理费用低。同时循环水的加热可使用柴油机冷却水加热或废气锅炉加热, 若没有加热, 在正常情况下也可有效减少NOX45%~65%。
(3) 操作简便。HAM系统与柴油机同时启动;停机前15min, 在柴油机怠速情况下, 关闭循环水, 以保证系统中干空气运行。
(4) 使柴油机运行优化。由于过热水蒸汽的作用, 使排气温度、气阀温度降低, 热应力也相应降低, 碳烟减少, 滑油消耗减少, 而燃油消耗率无明显影响。
(5) 系统可靠稳定。由于系统本身自控制功能, 与所工作的柴油机无关, 因此即使水循环系统中供水中断, 柴油机的工作参数也不会发生变化, 即系统的稳定性好, 对负荷的响应性好。
因此, HAM技术是柴油机减少NOX排放的经济、环保和高效的方法。
3.3 SCR (Selective Catalytic Reduction) 技术
目前降低柴油机排气中的NOX的排气后处理方法有SNCR (Selective Non Catalytic Reduction, 选择性非催化还原) , SCR (Selective Catalytic Reduction, 选择性催化还原) , NSCR (Non Selective Catalytic Reduction, 非选择性催化还原) , NSR (存储式NOX催化转换装置) 和SNR (选择性NOX回导装置) 等。其中最成熟、最有效、应用最广泛的公认为SCR技术。
SCR (图4) 技术是利用还原剂氨和尿素有选择地对NOX发生反应, 将有害的NOX转化为无害的氮气和水蒸气, 从而达到降低NOX的目的。其基本反应式为:
使用SCR实现NOx的快速、高效还原主要取决于如下几个要素:
催化剂:催化剂由蜂窝状催化剂载体和触发成份 (活性部分) 构成。目前使用的载体结构材料一般采用钛基氧化物 (如TiO2) 。触发成分即催化剂层大都采用金属氧化物, 有V2O5、WO3和MOO3等, 其中以V2O5最好。
还原剂:可以在氧元素存在情况下有选择地还原NOx的唯有氨类物质, 包括氨气 (纯氨) 、尿素、氰尿酸、密胺等。由于尿素比液氨或氨水更便于运输和存储, 安全性也好, 因此船用柴油机一般采用尿素作为还原剂。在反应器前把按一定比例配制的尿素溶液喷入排气, 产生的NH3经过反应器在催化剂作用下快速对NOx进行反应, 使之还原。现在, 无毒且易操作的碳氢类化合物 (烃) 也可用于有选择的NOx还原反应。
反应温度:虽然SCR中的还原反应是在催化剂的触发作用下进行, 但仍然对工作温度 (主要是排气温度) 有一定要求。在较低工作温度区, NH3和SO3容易生成硫酸胺吸附在催化剂载体表面, 会造成催化剂中毒而使性能下降;温度过高, 超过500℃时, NH3又会被排气中的O2氧化, 反而使NOX排放增加。因此, 要求的工作温度范围通常在320℃~480℃之间。
使用SCR装置, 即在排气最后安装催化转换装置, 使NOX的排放量大幅度降低, 可降低85%~95%, 达到NOX为2g/ (kW.h) 或更低水平 (0.5g/ (kW.h) ) 。Kjemtrup报告MAN B&W公司的船用柴油机安装SCR后NOx排放法平均降低93%。同时, 这种装置不会造成油耗和排气黑烟增加;不存在最终排放物的清除问题, 还具有消声降噪效果。
SCR系统是一项高投资的技术, 其原来投资费是船价的5%~8%, 是发动机的50%。但近几年由于很多公司对SCR系统进行了大量的研究, 并取得了显著成果, 使其投资费用大大降低。例如, 一台2.0MW的柴油机安装目前市场上的SCR系统如RJ-MARIS系统的技术费用是14000~16000美元, 这种系统至少可以降低90%NOX, 假如每年运转4000h, 其费用将低于0.025美元/ (kW.h) (或费用低于750美元/t) 。换言之, 这项费用对整台机器而言是很小的。
SCR装置只用于排放规范特别严格的地方, 如某些电站、沿海特别区域、美国加州 (EPA规定根据NOX排放值付费) 、波罗的海渡船等。
从1999年11月以来, 已有许多MC、MC-C和RTA型低速柴油机开始安装SCR或SCR与消声器结合的装置, 都取得了良好的效果。
4 结语
(1) 采用控制燃烧方法降低NOX排放, 这些措施可使NOX减少10%~30%, 可满足IMO排放法规TierⅠ及TierⅡ的要求。但无法满足特殊海域的排放要求。
(2) 使用掺水技术可大幅度降低NOx排放, 使用乳化油可使NOx排放减少50%, 通过进气增湿可使其降低70%, 但达不到特别海区等所规定的2g/ (kW.h) 排放限值。
(3) 在控制NOx排放技术中, 最成熟、最有效的公认为SCR, 使用后可将NOx排放量从15g/ (kW.h) 降到2g/ (kW.h) 。因此它在船舶NOx排放中逐步得到了推广应用。
(4) 为了满足IMO排放法规TierⅢ的排放要求, 采用共轨技术、电子喷射并与SCR技术相结合将是未来控制NOx排放的发展趋势。
摘要：本文简要介绍了船用柴油机的排放法规和现阶段国内外船用柴油机降低NOx排放的最新技术及其应用情况, 并对满足未来超低排放法规的船用柴油机NOx排放控制技术进行了展望。
关键词：船用柴油机,NOx排放,HAM,SCR
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