船舶主机HPSCR布置及系统研究

朱晓勇

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

0 引言

为符合《防止船舶造成大气污染规则》(MARPOL 73/78公约)Tier Ⅲ排放要求，现有船舶柴油机需要在其外围加装辅助设备对废气进行处理。目前，用于船舶主机Tier III排放处理的主要方式有3种：高压选择性催化还原脱氮(HPSCR)系统、低压选择性催化还原脱氮(LPSCR)系统和废气再循环脱氮(EGR)系统。由于HPSCR相较于LPSCR在高温废气反应充分、主机背压影响小、废气锅炉废热回收等多方面有着较大的技术优势，且HPSCR相较于EGR成本更低，因此主机HPSCR系统成为船舶系统设计首选。

目前，船舶主机HPSCR系统设计尚处于系统设计和使用的初期阶段。林鋆各等侧重于SCR在机舱布置上的探讨，郑超则侧重于SCR系统数字理论模型的研究。而本文结合62 000 t散货船主机HPSCR系统的具体应用，对HPSCR的具体布置和系统细化进行研究。

1 主机HPSCR系统主要参数和原理

由于62 000 t散货船主机转速低于130 r/min，Tier III排放按综合成本考虑采用主机HPSCR的技术方案。HPSCR技术属于主机废气后处理技术，其原理为：利用主机废气高温环境加强催化还原效果，对主机增压器前端排气集管中的高温高压废气进行催化脱氮处理，进而满足排放指标。

1.1 主机参数

该船主机采用低速长冲程G型主机，型号为：MAN B&W 6G50ME-C9.5，Tier III with HPSCR。主机功率设计点如下：最大持续运行功率(CMCR)为8 300 kW×81 r/min，主机持续运行功率(CSR)(82%CMCR)为6 806 kW×75.8 r/min。主机燃油常规航行采用含硫量0.1% m/m的船用低硫轻柴油(MGO)和含硫量为0.5% m/m的船用重柴油(HFO)；排放控制区航行时使用MGO燃料油并运行主机HPSCR系统，使船舶主机排放同时达到脱硫和脱氮的目的。

1.2 系统设计参数及构成

该船主机HPSCR采用卧式脱氮催化反应器，系统参数按照排气接管DN700的要求进行设计。通常情况下，保持废气温度在一个合理范围内(310～500 ℃)是主机SCR系统健康运行的关键因素。

主机系统设计参数如下：高压排气压力最大为0.45 MPa，反应剂为40%尿素溶液，排气设计背压为686.465 5 Pa，压缩空气喷射系统压力为0.9～1.1 MPa，压缩空气吹灰和透气系统压力为0.5～0.7 MPa，控制空气系统压力为0.5～0.7 MPa。

主机HPSCR系统主要由尿素系统(包含尿素储存舱、尿素供给单元、尿素喷射装置，尿素泄放舱)、尿素喷射管路、混合管路、SCR催化反应器、压缩空气系统(包含压缩空气喷射管路、压缩空气吹灰管路、压缩空气透气管路、SCR供气压缩机、SCR空气干燥器、SCR供气空气瓶)、RSV反应器密封高温阀、RBV反应器旁通高温阀、RTV反应器节流高温阀、CBV气缸旁通高温阀、EGB增压器废气旁通阀、SCR催化反应器电气控制箱、辅助电气控制箱等组成。主机HPSCR废气高压侧构成原理见图1。

图1 HPSCR构成原理

1.3 系统反应原理

主机HPSCR系统采用选择性催化还原方法对船舶主机的废气进行处理，将船舶主机废气中的氮氧化物指标逐步降低，并最终减少达到Tier III排放要求。通过系统设计，在船舶主机高温废气管路中安装尿素喷射单元、废气混合管路和带有充足数量催化剂的SCR反应器。主机HPSCR系统运行时，尿素喷射单元将尿素溶液喷入高温的废气管路，使得尿素溶液在高温下分解产生大量氨气。混有大量氨气的高温废气通过废气混合管路进行充分混合后进入SCR反应器，高温混合气在装有多通道多维度的催化剂单元的通道中与催化剂充分接触产生化学反应。混合气中的氮氧化物在氨气和氧气的共同作用下被还原成氮气和水，从而大大降低主机废气中的氮氧化物。

HPSCR反应器结构型式见图2。

图2 HPSCR反应器结构型式

2 主机HPSCR布置方案

主机HPSCR布置作为机舱布置的重要组成部分，每种布置方案都会影响各层平台设计和其他设备、机舱舱柜的综合布置。该船主机HPSCR布置方案主要有主机端部布置方案和主机侧面布置方案。

2.1 主机HPSCR端部布置

主机HPSCR常规布置方案采用主机端部布置。该方案存在布置困难、施工不便、检修空间不足等问题，还会影响到机舱行车的布置及增压器的吊装。

2.2 主机HPSCR侧面布置

考虑到机舱右舷空间较为富余，可以将主机HPSCR布置在侧面。经过细化布置后发现，侧面布置方案又因为HPSCR的布置高度和接管方式可分成3种组合布置方案，而每种方案有各自的特点。

根据HPSCR平台布置后使用维护的便利性、排气管路布置的简洁性、施工的经济性等因素，综合评价3种布置的优劣，进而确定最优布置方案。该最优布置方案采用同平台布置方式，见图3。

图3 HPSCR布置最优方案

2.3 主机HPSCR最终布置方案的优势分析

主机HPSCR最终布置方案对机舱的综合布置最为有利，高压排气管路短、施工便捷、检修方便。该方案既不影响机舱通道，也不影响顶部机舱行车的布置、吊运使用要求、增压器的吊装检修，布置上有利因素最多，使布置合理性和最优性得到有机结合。该布置方案已获得实用新型专利。

3 主机HPSCR膨胀量计算

由于主机HPSCR管路最大工作温度为500 ℃，最大工作压力为0.45 MPa，属于高温高压的气体管路，因此管路在废气废热作用下，其应力和振动都较大。为避免管路膨胀节膨胀量不足而导致膨胀节损坏，需要进行单独的CFD计算，从而确认膨胀节的膨胀量参数。

3.1 管路布置

主机HPSCR的高压管路通过CFD建立管路模型和主机排气气流的模拟，再对管路布置总体应力进行分析，进而确定膨胀节的数量和膨胀量，以及管路支架的布置位置和支架型式，达到控制和减小管路振动的目的。

3.2 CFD膨胀量计算

主机HPSCR废气管路采用DN700高温高压管路，布置设计时不仅需考虑内部烟气负荷的变化和冲击，而且需要考虑外部主机和船舶振动引起的外部因素。因此，主机HPSCR管路的支架数量及型式，以及膨胀节膨胀量的选择，都要通过CFD辅助分析，加强对振动、热负荷、受力等多载荷条件下的设计补偿。分析结果显示：管路轴向膨胀量约为15～45 mm，管路径向膨胀量约为5～15 mm，角位移约为0.5°。该计算对管路的设计给予理论性指导，且实船试验效果满足使用要求。主机HPSCR反应器CFD分析见图4。

图4 HPSCR反应器CFD分析图

4 主机HPSCR压缩空气系统设计

由于主机HPSCR的压缩空气消耗量非常大，空气耗量参数高于常规船舶最大的主空压机排量，而大排量的压缩空气消耗会导致为SCR供气的空压机持续不断工作，部分间息性负荷还会出现几分钟的短暂停机又立即启动的情况。

如果储存压缩空气的SCR空气瓶容量偏小，并且SCR空气瓶储气压力低，会直接造成压缩空气瓶内的气体储存量不够消耗，此时SCR空气瓶仅能起到较为短暂的压缩空气缓冲作用，导致压缩空气系统工作不稳定。

鉴于以上情况，主空压机和SCR空压机均会不断启停工作，以保证压缩空气系统正常的供气消耗，大大增加了空压机的工作负荷，延长了空压机的工作时间，因此将会缩短SCR空压机的使用寿命和维护周期。

4.1 压缩空气参数

HPSCR系统压缩空气消耗需求如下：Tier III排放模式下，压缩空气喷射吹洗耗量约为200 m/h，压缩空气吹灰耗量约为15 m/h；Tier II排放模式下，压缩空气透气耗量约为150 m/h。另外，2台发电机的SCR压缩空气耗量约为30 m/h，最大压缩空气的综合耗量约为245 m/h。 因此，建议SCR空压机排量应选用300 m/h×1.2 MPa，SCR空气瓶容量也提高到6 m×1.2 MPa。

4.2 压缩空气系统设计

(1)根据主机HPSCR系统的压缩空气设计需求和实际消耗情况，主空压机仍采用常规活塞式水冷空气压缩机，主要用于满足船舶常规压缩空气需求，仅在应急时接入SCR压缩空气系统。

(2)工作空压机和SCR空压机则采用螺杆式风冷空气压缩机，主要用于满足SCR系统压缩空气需求，兼顾船舶常规工作空气需求。

螺杆空气压缩机更利于气体耗量大的连续运行，其运行的可靠性和稳定性较好，同时可以运用螺杆空压机的空载运行和空载时间调节功能，避免空压机的频繁启停并能有效应对实际压缩空气消耗的多变工况。设计时，将工作空压机与SCR空压机匹配成同型号等容量，形成系统运行上的互为备用和负荷运行的轮换功能，实现维修保养中的互换性。

(3)扩大SCR空气瓶容积可以增加压缩空气系统气瓶储量和提升压缩空气快速消耗的有效缓冲能力；增加SCR压缩空气干燥器以提高压缩空气气源质量、延长设备使用周期、减少维护成本。

(4)全船系统设计时将主空气瓶供气管路接入SCR空气瓶进口，在应急状态下可以实现主空压机的供气系统补充模式，从系统上实现全船压缩空气系统的冗余设计，强化系统安全性和实际使用模式的多样化。HPSCR压缩空气系统综合布置见图5。

5 主机HPSCR尿素系统设计

尿素溶液作为主机HPSCR系统运行时的主要化学反应介质，其加注、储存、驳运、日用等系统的设计尤为重要，关系到能否保证尿素的存储可靠和正常驳运，以及能否有效保证SCR系统获得稳定品质的尿素溶液，使主机HPSCR系统可靠脱氮。

5.1 尿素系统配置

主机HPSCR尿素系统配置包含尿素加注管路、尿素储存舱、尿素泄放舱、尿素输送泵、尿素日用泵、尿素喷射装置、尿素驳运日用管路、尿素混合管路、尿素排放泵、尿素排放管路等。

5.2 尿素溶液储存要求

主机HPSCR系统采用尿素含量40%的尿素溶液，该尿素溶液需满足ISO 18611-2:2014要求。为保证尿素溶液的品质，尿素溶液的储存应避免阳光直射。运输和存储过程尽量避免温度低于1 ℃和高于25 ℃，在该储存条件下尿素溶液质保期可以达到18个月；在存储温度25～30 ℃之间尿素溶液的质保期减少到12个月；在存储温度30～35 ℃之间尿素溶液的质保期减少到6个月；而当储存温度大于35 ℃时，尿素溶液的质保期更短，且每次使用前，其成分检测合格后才可使用，否则影响HPSCR系统的使用效果，甚至造成主机废气的氮排放超标。

因此，该系统设计时需考虑尿素舱的设置位置、温度监测和温度控制。同时由于尿素溶液有一定的腐蚀性，尿素舱的材质一般推荐采用304不锈钢，但船舶制造过程中为节约船舶建造成本，采用钢质结构舱柜进行环氧油漆特涂处理，仅尿素日用管路采用304不锈钢。

图5 HPSCR压缩空气系统综合布置图

5.3 尿素舱的设置

尿素舱设置时需要考虑减少舱面与船舶内部热源的共面。为最大可能减少尿素舱舱面与机舱热源的共面，62 000 t散货船仅保留一个操作舱面与机舱进行共面，以便安装管路和附件、方便舱面的观察。为最大限度减少舱面共面对尿素舱的影响，该舱面进行隔热绝缘包覆以减少热量传递。

为增加与冷源的接触，将尿素舱舱面设置成与压载水舱共壁，通过共壁直接获取压载水舱的冷源，可以避免安装尿素舱冷却管，实船冷却效果很好。

另外，尿素舱应满足挪威船级社船舶规范要求，需要设置相应的高液位报警、低液位报警、超低液位报警、就地和远程的温度指示及温度报警。

5.4 尿素舱管路的设置

尿素舱管路设计时尽量避免因驳运管路和阀件的布置出现尿素舱管路空管的情况。如果尿素管路长时间空管会使空管中残留的尿素溶液水分蒸发后结晶留在管路上，特别是止回阀或截止止回阀的阀芯会被尿素结晶体卡住，无法起到止回作用。

尿素输送泵和尿素日用泵应尽量布置在尿素舱最低液位以下，同时注意这两泵的进出口管路不要设计成方向朝上的U型升高式管路，避免因为管路

没有充满液体出现无法自吸的情况，造成尿素输送泵和日用泵不能正常工作。如果由于某种原因尿素输送泵和尿素日用泵只能布置在尿素舱液位以上，应当选用有自吸能力的尿素输送泵，尽量不要选用气动泵型式的尿素泵。

6 结论

(1)结合多种方案进行全面比较分析，并综合平衡机舱布置，从而确定最优布置方案。

(2)通过CFD辅助计算分析可以获得排气动态参数，指导排气管路设计和膨胀节选型，提前预测并消除主机HPSCR排气管路的热膨胀和管路的震动问题。

(3)对主机HPSCR压缩空气容量和系统运行要求进行分析，找出设备参数选型和系统优化的方法，确保主机HPSCR压缩空气系统的稳定性。