40000 DWT散货船满足TierⅢ的设备选型与系统布置.pdf

30 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究作者简介：曹艳东（1981-），男，高级工程师。主要从事船舶轮机设计工作。收稿日期：2022-03-1140 000 DWT 散货船满足 TierIII 的设备选型与系统布置曹艳东（江门市南洋船舶工程有限公司，江门 529145）摘 要：通过对目标船功能需求的分析，优选出 40 000 DWT 散货船适合 TierIII 的技术方案，根据机舱布置合理规划出设备的布置空间，以满足主机和发电机排放达到规范要求，打造绿色低碳船舶，增强40 000 DWT 散货船的市场竞争力。关键词：主机；NOx 排放；混合器；反应器中图分类号：U664.121 文献标识码：ATier III Equipment Selection and System Layout Design in Compliance with 40 000 DWT Bulk Carrier CAO Yandong(Jiangmen Nanyang Ship Engineering Co.,Ltd.,Jiangmen 529145)Abstract:Prefer the Tier III technical scheme suitable for 40 000 DWT bulk carrier through the deeper analysis on the function requirements of the subject vessel.According to the engine room layout,give a reasonable plan of space arrangement for Tier III equipment,so as to meet the arrangement of Tier III equipment required for main engine and generator to the latest Rules emission requirements for new ship buildings,and build more green low-carbon ships and increase the market competitiveness of 40 000 DWT class bulk carrier.Key words:Main Engine;NOx Emission;Mixer;Reactor1 前言根据 IMO MEPC（66）会议决议，在 2016 年 1 月1 日之后建造的船舶在排放控制区域（ECA）航行，安装的主机必须强制满足 NOx Tier III 排放标准。目前主机 NOx 排放满足标准的主要技术途径有两种：选择性催化还原（SCR）和废气再循环（EGR）。其中，SCR是NOx后处理技术，EGR是控制NOx生成。本文对这两种方案进行综合分析，确定适合本船配置的技术方案，并根据TierIII设备的配置和外形尺寸等，结合 40 000 DWT 散货船的机舱布置，选出最合理的设备布置方案。2 技术途径选择2.1 EGR 和 SCR 的选择首先要对 EGR 和 SCR 进行初步对比分析：EGR系统主要由水处理单元、污水收集柜、NaOH 储存柜以及管系与控制系统组成，配套辅助设备较多且均集成在主机本体上，导致主机总体尺寸增大。根据初步放样，配套 EGR 的主机会对本船机舱布置带来困难，并且 EGR 的 60%NOx 减排效果，较 SCR 的 80%95%减排效果还稍差，同时目前市场上采用 SCR 技术途径的也相对较多，技术也相对成熟，所以本文重点针对SCR 系统进行实船布置。2.2 SCR 系统主要组成和选择SCR系统主要：由蒸发器和混合单元、SCR反应器、吹灰系统、尿素储存柜、尿素供应单元、主机控制系统（ECS）组成。由于混合单元和SCR反应器的尺寸较大，因此关键是混合单元和 SCR 反应器在船上有合适的空间和位置进行布置。SCR 系统目前主要有两种型式：一种是高温高压侧 SCR 系统（简写为 HPSCR），即反应器和混合管布置在增压器前；另一种是低温低压侧 SCR 系统（简写31GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究为 LPSCR），即反应器和混合管布置在增压器后。前者布置的空间有限，但可以获得较高的反应温度、NOx转化效率较高；后者有相对宽敞的布置空间，但排气温度较低，需配置额外的燃烧器提高温度，增大燃油消耗。考虑船上实际布置以及 SCR 技术的成熟度，选择市场上应用较多的高压 SCR 系统进行布置。对发电机组，由于目前市场上都是采用低压 SCR 系统，故发电机采用低压 SCR 进行布置。主机 HPSCR 布置示意图和发电机 LPSCR 布置示意图，如图 1、2 所示。图 1 主机 HPSCR 布置图图 2 发电机 LPSCR 布置图3 主机 HPSCR 系统布置3.1 系统组成主机 HPSCR 系统主要包括:SCR 混合管、SCR 反应器、尿素泵站单元、压缩空气单元、PLC 控制柜、尿素柜（和发电机共用）等。由于 SCR 混合管和反应器的尺寸较大，需重点考虑这两大设备的布置方案。3.2 主要设备布置系统设备布置如图 3 和图 4 所示。图 3 系统设备布置图（一）图 4 系统设备布置图（二）从图 3、4 可以看出：SCR 混合管是布置在机舱上平台右舷位置，SCR 反应器是布置在下平台艉部中间区域。本船机舱下平台艉部区域由于布置了板冷，无法布置尺寸较大的反应器，而机舱上平台右舷位置有较大空间可以布置反应器，但反应器布置后与右舷油舱壁距离过近，通道无法保证，故决定将上平台右舷油舱壁向舷侧方向平移两档约 1.6 m，为反应器的布置留出了安装空间；对于SCR混合管，经过反复放样布置，最终选择安装在机舱下平台的顶部区域，占据的空间较小，又保证了下平台的通道。关于尿素舱的布置，由于尿素溶液在高温条件下易挥发，所以一般都要求在尿素舱布置冷却海水管，并且尿素舱要和油舱和淡水/饮用水舱隔离。在设计图 2 发电机 LPSCR 布置图图 3系统设备布置图图 4 系统设备布置图图 5 主机增压器三通图 6内置式 RBV 阀图 1 主机 HPSCR 布置图图 2 发电机 LPSCR 布置图图 3系统设备布置图图 1 主机 HPSCR 布置图图 2 发电机 LPSCR 布置图图 3系统设备布置图32 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究之初，考虑在机舱上平台右舷油舱位置隔离出一个尿素舱，但这样会减少 MGO 储存舱的舱容，同时与油舱较近，也不利于尿素的存放，需考虑加冷却水管；后又考虑在机修间隔离出一个尿素舱，这又要与淡水舱隔开，导致机修间空间减小，同时也不利于尿素的存放。经过多次讨论并综合分析，最终决定在艉压载舱里隔离出一个尿素舱，这样尿素舱周围被海水包围，有利于尿素溶液的存放，不用再布置冷却水管。尿素舱舱容的计算，根据设备厂家提供的尿素消耗量，按主机+两台发电机的尿素消耗量：1.8+0.25 X 2=2.3 m3/天。船舶在 NOx 排放控制区的行驶时间，按常规 14天进行设计，尿素消耗量：2.3 X14=32.2 m3，所以 50 m3左右的有效尿素舱容即可满足一般使用要求，本船设计舱容为 73.5 m3。3.3 主机 RSV、RTV、RBV 阀件布置（1）工作原理Tier II 模式下：RBV 阀开启，RSV 和 RTV 阀关闭；主机排气集管废气经过RBV阀增压器排气总管。Tier III模式下：RBV阀关闭，RSV和RTV阀开启；主机排气集管废气经过 RSV 阀 SCR 混合管 SCR反应器经过 RTV 阀增压器排气总管。对于主机排气集管上 RSV 阀的布置，厂家可以按船厂要求布置在主机排气集管艏部的端部位置，这样对于船厂布置排气集管到 SCR 混合管之间的排气管路较为便利。5S50ME-C9.7 主机的增压器布置在主机尾部，对于排气集管和增压器、RBV、RTV阀之间三通的布置，主机厂家设计初期是按图 5 所示的常用布置型式进行布置。但布置在此处会涉及主机上扫气箱位置结构大的调整，设计周期长，无法保证按时供图。经和主机厂家以及 MAN 多次沟通，厂家提供了一种新的 RBV阀内置在主机排气集管里面，如图 6 所示。图 5 主机增压器三通图 6 内置式 RBV 阀RTV 阀可以以排气集管为中心，根据管路布置在0180的方向上任意角度布置，也可根据船厂要求在排气集管上进行位置的调整。经过内部综合分析，采用上述设计方案。4 发电机 LPSCR 系统布置根据设计要求，要考虑两台发电机排烟管进锅炉以增加锅炉的蒸汽产量，排烟管废气经 SCR 混合管/反应器后直接排出至大气；NO.2 和 NO.3 发电机 SCR系统中混合管/反应器和旁通管为分体式设计，即SCR 混合管/反应器和旁通管要分开布置；NO.1 发电机SCR系统中混合管/反应器和旁通管为整体式设计。NO.1 发电机布置在偏左舷位置，加上整体式的 SCR 设备较高，从 SCR 出来的排烟管因受烟囱结构限制无法再进烟囱，考虑在左舷风机房里留出一部分空间为NO.1 发电机布置排烟管。发电机 LPSCR 系统的布置方案，如图 7 所示。图 7 发电机 LPSCR 布置图图 1 主机 HPSCR 布置图图 2 发电机 LPSCR 布置图图 3系统设备布置图图 4 系统设备布置图图 5 主机增压器三通图 6内置式 RBV 阀图 1 主机 HPSCR 布置图图 2 发电机 LPSCR 布置图图 3系统设备布置图图 4 系统设备布置图图 5 主机增压器三通图 6内置式 RBV 阀33GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究5 主机和发电机 SCR 空气系统设计主机和发电机无论在 TierII 还是在 TierIII 模式下，都需要消耗大量的空气，根据设备厂家提供的资料：排放 II 模式下：主机+1 台发电机空气耗量：95+12.6=107.6 Nm3/h；排放 III 模式下：主机+1 台发电机空气耗量：180+45=225 Nm3/h；主机 SCR 系统需工作空气压力 78 bar，发电机SCR 需工作空气压力 710 bar。初步设计有两种方案：方案一：单独配置一套空压机和空气瓶以及干燥器，供主机和发电机的 SCR 系统专用，这是目前普遍采用的方式。方案二：和船上现有的工作空压机和空气瓶以及干燥器共用，加大原来的空压机和空气瓶以及干燥器的容量。这两种方案综合成本对比分析，见表 1。表 1 排放 II 和 III 模式下 SCR 系统空压机配置对比排放 III 船型 SCR 系统空压机配置对比方案一：单独配一套空压机和空气瓶以及干燥器序号名称参数数量价格：万元1SCR 空压机250 m3/h，10 bar。16.902SCR 空气瓶1.5 m3，10 bar。13.403SCR 干燥器250m3/h12.58总价12.88方案二：和船上的工作空压机和空气瓶以及干燥器共用，加大原来的容量。序号名称参数数量价格：万元1工作空压机390 m3/h，10 bar。111.502工作空气瓶2.0 m3，10 bar。13.603干燥器300 m3/h13.55总价18.65排放 II 船型现有的配置序号名称参数数量价格：万元1工作空压机170 m3/h，7 bar。16.142工作空气瓶0.5 m3，7 bar。12.503干燥器50m3/h11.16总价9.80考虑 SCR 系统用气特征，单独配一套空压机，同时以船上原来的工作空压机作为备用，即采用方案一：单独配置一套 SCR 系统专用空压机、空气瓶和干燥器，同时从机舱压缩空气系统中接一路压缩空气至该 SCR空气系统，作为备用。6 结束语该系统涉及设备众多，设备、管路布置复杂，涉及多专业协调沟通，经过反复研究讨论，经历时间较长，最终形成了具有特色的主机和发电机 TierIIISCR 系统的布置方案，在行业内具有一定的领先性，增加了本船的市场竞争力。（1）主机和发电机 SCR 系统设备、管路布置得到了最优的布置方案，同时对周围船体结构的修改也最小；（2）尿素舱布置在艉压载舱里，由于舱室周围海水的存在，更有利于尿素溶液的存放，不用再在尿素舱里面布置冷却海水管；（3）发电机废气在 TierII 模式下能够进锅炉，增加了锅炉蒸汽产量，为船舶航行提供了更加充足的蒸汽量；（4）主机上的 RBV 和 RTV 阀集成在主机上，更有利于船上主机 HPSCR 系统管路的布置。（上接第 29 页）度很有限，反而过大的预紧力会使舵承本体螺栓孔局部区域存在压溃的风险，对上舵承本体的紧固及上舵承与舵套筒的紧固带来损害，因此合理的螺柱预紧力选择十分重要，较为合理的舵系上舵承预紧力值为200 000 N250 000 N。4 结语针对螺栓预紧力的大小对上舵承本体及止推块强度影响较大问题，本文使用三维软件 Solidworks/Simulation 对分析对象进行建模，并完成不同螺栓预紧力下的上舵承结构强度有限元分析。仿真结果表明，上舵承止推块的应力并不会随着螺柱预紧力的增加而持续减小，当螺柱预紧力超过一定值时，止推块应力减小的幅度很有限，反而过大的预紧力会使舵承本体螺栓孔局部区域存在压溃的风险。本文根据舵承本体及止推块应力趋势，最后确定了适用于 2 600 TEU 集装箱船舵系上舵承的螺柱预紧力值。参考文献1中国船舶工业集团公司,中国船舶重工集团公司,中国造船工程学会.船舶设计实用手册 M.北京:国防工业出版社,2013.2 魏峥,赵功,宋晓明.Solid Works 设计与应用教程 M.北京:清华大学 出版社,2009.