船舶主机降功率节能减排技术探究

2022-09-21 16:43:01 来源:写作指导

船舶主机降功率节能减排技术探究

【摘要】为了提升能源利用率,促进可持续发展,为解决全球性环境问题做出贡献,航运业应重视船舶的节能减排问题。本文围绕船舶主机降功率节能减排的技术要点与优化措施进行分析探讨,为从业者提供参考。

关键词:船舶主机;降功率;节能减排技术;优化方案;可持续发展

船舶作为水上运输的重要载体,在国际贸易各项活动中发挥着不可或缺的重要作用。随着贸易规模的扩张,运输量持续上涨,船舶数量也在不断增加,运输过程中消耗大量的燃油能源,提高了温室气体以及空气污染物的排放量,对环境造成了不利影响。为解决这一问题,就需要对船舶主机的结构性能进行优化设计,以促进船舶主机的节能减排。

一、船舶节能减排技术的基本概念

常见的船舶节能减排技术有VIT技术,利用微机分析船舶设备、航行行为以及周边环境的各项参数,得出最佳喷油量、喷油压力等数据信息,再根据上述所得结果对电子喷油系统进行控制,以便合理提升船舶主机的最高燃烧爆发压力,将船舶对燃油的消耗量控制在较低水平。新型螺旋桨技术则采用增大螺旋桨直径的方法提升船舶推进效率,这样可以将船舶主机的转速降低,以便减少燃油消耗。废油回收技术是一种利用PureDry分离器处理并回收船舶废弃燃油等排放物的技术手段,能够从含油污水中分离出燃油,并与所收集的废弃燃油投入到二次使用中,降低了船舶运输过程中的燃油损耗,提升了能源利用率[1]。废热利用技术则采用热管锅炉等余热回收利用设备对船舶主机产生的废气进行二次回收,利用废气残余的热能为船舶的航行提供能量,在减少污染物排放量的同时实现了船舶运行效率的提升。

二、船舶主机降功率节能减排技术的重要作用

船舶主机的运行功率是由其燃油消耗量决定的,为降低船舶的燃油消耗,最直接的方法就是降低船舶主机的运行功率。通常情况下,船舶主机的功率与航速的三次方成正比,这意味着当船舶主机功率下降一定数值时,船舶航速的下降幅度相对较小。因此,船舶可以通过略微调低航速来实现燃油消耗量的大幅度缩减。通过降低船舶燃油量的消耗,船舶运输行业可以从整体上调节能源利用效率,缓解现阶段燃油能源短缺的环境压力,并降低船舶主机在燃烧燃油时产生的CO2等温室气体以及其他空气污染物的排放,避免温室效应进一步加重,降低对周围环境的污染,实现资源的可持续利用与生态环境的绿色建设目标,为环境友好型社会的建设贡献力量[2]。再者,燃油消耗量的下降还能够降低船舶运输的成本,以便提升航运公司的经济创收,促进航运公司竞争力水平的提升,为国际贸易产业的发展奠定坚实基础。在进行船舶主机降功率航行时,船舶管理人员需要注意避免让船舶主机处于长时间低负荷运行状态,当其运行功率长期保持在额定功率的一半以下时,船舶主机的燃烧、增压以及排气系统可能出现严重的积碳现象,使系统内部结构受到污染,导致锅炉内部管道发生融化,降低船舶主机的使用寿命,增加船舶运输维修成本。此外,船舶主机的低功率运行还可能导致燃油燃烧不充分,反而增加了燃油消耗量,难以完成船舶运输的节能减排目标。为此,相关技术人员还需要对船舶主机的降功率节能减排技术加以改造优化,从而促进其可持续发展。

三、船舶主机降功率节能减排技术的原理要点

1.船舶航速优化原理

运输过程中,船舶航速越高,燃油消耗速度越快,续航力水平越低。航速不仅影响着燃油消耗量与废弃物排放量,还影响着船舶的运输效率,驾驶人员需要将船舶航速控制在合理范围内,在保证船舶运输效率与运输盈利的前提下,促进船舶主机的节能减排。船舶运输过程涉及到三个重要的航速概念,其一为最低耗油率航速,是在充分考虑船舶主机转速、喷油量以及燃油有效利用率等因素下得出的耗油速率最低时的船舶运行速度,通常情况下以该航速运行时,船舶主机的负荷约为85%;其二为最低燃油费用航速,是在耗油率与耗油时长等综合因素影响下得出的使整个运输过程的燃油费用保持最低时的船舶运行速率,当船舶以这一航速运行时,船舶主机容易在长时间低负荷状态下出现性能下降的问题,容易缩减船舶主机的使用寿命;其三为最高盈利航速,这一航速的确定需要综合考虑船舶的运输量、运输速度、运输价格、设备损耗程度等因素,以确定船舶运输的最大盈利点[3]。在对船舶主机进行降功率节能减排时,需要充分考虑上述三个航速概念,将船舶航速调整到合适范围内。

2.船舶螺旋桨转速优化原理

船舶主机与螺旋桨直接连接,在船舶运行时,主机会带动螺旋桨进行转动,从而驱动船舶前进,此时的螺旋桨吸收功率等于船舶主机的功率且其功率值与转速的三次方成正比。当船舶在运行过程中受到的阻力发生变化时,螺旋桨功率与转速之间的关系也会发生相应的变化。当船舶的起航、转弯、倒航等行为所受到运行阻力与常规运行阻力有一定差异,螺旋桨运转一周产生的船舶位移与其直径的比值(也即进程比)也会随之减小。此外,当船舶遇到逆风、逆流、浅水等特殊航路状况时,其运行阻力会提高,进程比也会减小。因此,在对船舶主机进行降功率节能减排时,需要注意不同航路状况与航行行为对螺旋桨进程比的影响,以便合理调节船舶主机运行功率与航速的关系,将船舶主机运行功率设置在合适范围内。

3.船舶主机降功率原理

在对船舶主机进行降功率调整时,可以通过对优化改造主机缸径与冲程来降低船舶主机的额定功率,让最高燃烧爆发压力相对于平均圧力进行提升。而通常情况下,主机气缸的最高燃烧爆发压力需要通过对主机气缸进行结构改造才能实现有效提升,技术人员可以对平均有效压力作出调整,使前者与后者的比值提升即可,以便降低船舶主机的燃油消耗量,提升主机对燃油的利用效率[4]。

四、船舶主机降功率节能减排技术的优化方案

在船舶主机降功率运作过程中,一旦对某一负荷状态下的船舶主机燃油消耗率SFOC进行调整,就会使较高负荷状态下的SFOC升高,为此,需要根据船舶降功率后的功率点对船舶SFOC进行优化,相关技术方法如下:

1.应用VIT可变喷油定时技术

VIT可变喷油定时设备能够通过计算机对船舶的各项运行参数进行分析,运用数学模型计算出最佳喷油量、喷油压力以及提前角等数据,并根据计算结果对喷油装置进行调整,将船舶主机的最高燃烧爆发压力控制在合理水平范围内并维持稳定,以便提升最高燃烧爆发压力与平均有效压力之间的比值,提升船舶主机对燃油能源的利用率,降低船舶燃油消耗量。在对船舶主机的节能减排技术进行优化时,可以应用VIT可变喷油定时技术将主机压缩与爆发的压力差调整至3500KPa,将主机爆发压力拐点降至低于额定爆发压力的3500KPa,还可以使船舶主机达到额定功率的100%,让船舶主机在减少燃油能源损耗的同时提高燃烧性能,实现船舶的节能减排目标。

2.提高船舶主机的压缩比

其主要操作原理是降低主机气缸余隙容积,可以通过调整活塞杆下方或连杆端部的垫片位置来实现。利用这一手段,船舶主机在压缩环节的压力与温度均得以提升,滞燃期缩短,让燃油能够提前燃烧,避免发生燃气回冲现象,以提升最高燃烧爆发压力,降低船舶主机的燃油消耗量[5]。但这一过程需要注意垫片的调节幅度不能过大,否则会导致船舶主机的压缩比过高,最高燃烧爆发压力的提升幅度过大,让主机气缸活塞的有效行程增加,导致船舶主机燃油消耗量不减反增。

3.提升废气涡轮增压器效率

当船舶主机处于低功率运行状态时,废气涡轮增压器的通流能力与废气的排放量不相匹配,导致废气涡轮增压器在较低的扫气压力下难以充分发挥其通流能力,降低了船舶主机的运行效率,容易使船舶主机出现燃烧不充分、燃烧状况较差的现象。为此,需要通过停增部分增压器的技术来提升废气涡轮增压器的运行效率,也即用透平(TC)CUT-OUT技术。一方面,技术人员可以对增压器的通流能力进行调整,使之与废气排放量进行匹配,再提高废气涡轮前压力;另一方面,技术人员可以通过调整扫气温度来提高排气温度,以便增加废气涡轮增压器的扫气压力,实现增压器运行效率的提升。利用这一技术手段,能够改善船舶主机低功率运行状态下的主机燃烧状态,避免主机出现结构受损问题,让船舶主机能够顺利实现节能减排目标,落实可持续发展原则。

4.引入AphaACC电子定时气缸注油装置

在船舶主机引入电子定时气缸注油装置,能够利用由电子设备控制的高压润滑油泵站将燃油定时定量注入至船舶主机的汽缸中,通过对液压回路的准确控制将供油压力调整在4500KPa。在这一过程中,该装置可以利用船舶主机的各项运行参数判断最佳的供油时间并进行定时处理,让燃油能够在规定时间及时注入气缸,对气缸壁进行润滑。在进行气缸注油定时设置时,需要对船舶主机燃烧室进行检测并收集相关的数据信息,还需要对扫气箱放残柜的残余燃油进行化验分析,判断气缸注油因子ACC是否在处在最佳数值0.3处,将气缸注油定时设置到合理值,并设置好气缸注油率,如35%负荷时可以将注油量减少至原有注油量的一半,充分发挥其对气缸壁的润滑作用,保证船舶主机在低功率运行状态下能够保持良好的结构性能,从而避免船舶主机因长时间低负荷而出现使用寿命缩减的问题[6]。引入AphaACC装置,船舶主机可以在同样负荷下有效降低燃油消耗率SFOC,而更低的负荷可以实现更大的降幅,有着明显的节油效益,满足船舶运输的利益最大化需要和可持续发展要求。

5.做好船舶主机的维护保养工作

在船舶主机进行低功率运转以促进节能减排时,船舶主机的内部结构可能会因此发生污染受损问题,导致燃油燃烧不充分,燃烧状态恶化,缩减船舶主机的使用寿命,降低船舶主机的运转性能。为此,船舶管理人员需要定期对船舶主机进行维护保养。定期对排气系统进行清洁,避免其中的积碳等杂质造成排气口堵塞,影响主机的排气效率;对主机油泵、喷油器等设备进行周期性的检验与保养,全面清理内部杂物,排查其中可能出现安全隐患并及时进行维修处理,合理添加助燃剂与分散剂等物质,确保船舶主机燃油能够顺利燃烧,提升燃油的有效能源转化效率。船舶主机的降功率节能减排主要靠提高压缩比、提高涡轮增压器效率、更新注油装置、加强维护保养等方法进行,还可以通过螺旋桨修边技术以及导流罩与消涡鳍的安装来改善螺旋桨状况,减少能量损失,实现螺旋桨运行效率的提升,从而实现船舶主机的节能减排与船舶运输行业的可持续发展。

五、结束语

随着社会文明的进一步发展,人们逐渐认识到生态环境对人类生存的重要影响,也越来越重视资源的可持续利用与绿色生态环境的建设工作。船舶作为保证国际贸易顺利进行的重要工具,也是燃油能源消耗大户。为此,需要着重加强对船舶主机的设计优化,提升运行效率,更快更好地完成运输任务。现阶段船舶主机降功率节能减排技术还存在较大的发展空间,技术人员需要加大研发优化力度,在降低船舶燃油消耗量的同时进一步提升其运行效率,促进贸易经济的可持续发展。

作者:严帅 单位:唐山港曹妃甸拖船有限公司