某海洋平台废气涡轮增压中冷柴油机提高性能探究

甘景建

摘要：废气涡轮增压中冷柴油机广泛应用于海上油气开发，在柴油机运行过程中，增压后空气温度下降可以提高进气空气密度，进而提高柴油机功率以及效率。通过现场运行分析发现，随着柴油机功率提高和空冷器换热效率下降，增压空气温度上升，而柴油机低温水出口温度设定为50℃不变，导致了柴油机性能降低。本研究通过理论分析、实验等方式对该柴油机进气温度可变性进行分析研究，寻求最佳进气温度以提高主机燃油效率、降低排气温度及污染物排放。

Abstract： Exhaust gas turbocharged intercooled diesel engine is widely used in offshore oil and gas development. During the operation of diesel engine， the decrease of supercharged air temperature can improve the intake air density， and then improve the power and efficiency of diesel engine. Through field operation analysis， it is found that with the increase of diesel engine power and the decrease of air cooler heat exchange efficiency， the charge air temperature increases， while the low temperature water outlet temperature of diesel engine is set at 50 ℃， which leads to the reduction of diesel engine performance. In this study， the variability of intake air temperature of the diesel engine is analyzed and studied by means of theoretical analysis and experiment， so as to find the best intake air temperature to improve the fuel efficiency of the main engine and reduce the exhaust temperature and pollutant emission.

關键词：海洋平台;涡轮增压;柴油机;性能提升

Key words： offshore platform;turbo;diesel engine;performance improvement

中图分类号：TK421.8                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0088-03

0  引言

在柴油机运行过程中，随中冷器前进水温度的升高，中冷器冷却效率下降，造成进气温度的提高，发动机最大功率会下降。随着涡轮增压器空冷器的长时间运转，空冷器水路脏堵、换热效率的下降、环境温度的变化等影响，继续维持原定的低温水出口温度为50℃会使增压空气的温度升高。

增压空气的温度升高会造成：

①在柴油机功率高的情况下，易产生增压器的喘振;

②使气缸中的工作气温相应升高，与工作气体相接触的零件如喷油器、活塞、活塞环、气缸套和气缸盖等所承受的热负荷增加;

③将使气体密度减少，油耗增加，柴油机功率不能充分发挥;

④会造成柴油机排气温度急剧升高，造成涡轮叶片强度下降，零件不耐用，机械负荷增加引起事故。

通过查阅参数表及空气物性表可知：

①在给定的增压的压力下，增压空气每下降10℃，它的密度就增大3%，当空气燃料消耗率都保持不变时，柴油机的功率就能提高3-5%。

②不仅如此，发动机效率也随增压空气温度下降而上升。从实践中可知，增压空气温度每下降10℃，效率提高约0.5%。

③降低进气温度还可以降低发动机的热负荷和排气温度。

④同时降低了氮氧化物的排放。

1  冷却系统设置变化对柴油机的影响分析

1.1 柴油机冷却流程分析

通过对该柴油机冷却水系统的分析表明，混水段的冷却水（温度60-70℃）和中冷器出口冷却水（15-35℃）通过全流量三通温控阀被低温水泵泵入机体，并联分两路分别流入机油冷却器和空冷器，冷却后汇入低温水出口主管路中。全流量三通阀的取温点在该出口主管路上。该平台主机冷却水流程如图1所示。

该平台固定该全流量三通阀的控制温度为50℃。如果想改变进气温度，必须改变该控制温度。理论上低温水进机温度能达15℃（温控阀全开时）至70℃（温控阀全关时）。通过更改空冷器冷却水进口温度来调节进气温度理论上是可行的。本人通过与主机厂家工程师的沟通，也得到厂家没有规定控制温度为50℃的条款。

1.2 更改冷却系统参数对其它系统的影响分析

1.2.1 对润滑系统的影响

主机低温水主要是空冷器和机油冷却器的冷却水源，而且共用进水通道和回水通道。想要改变进气温度就要改变低温水进口温度，那样会影响主机滑油的温度，影响主机润滑工况，滑油粘度过高增加零件润滑阻力以及增大与润滑件的温差从而导致热应力的增大，减少主机备件的使用时间。理论上由于滑油温控阀的存在，改变低温水进口温度对主机进机滑油温度影响很小，可以在主机滑油要求的范围内。实验过程中，在改变冷却水进口温度（从40℃一直调整到33℃）后，滑油温度依然维持在61℃，在主机要求的滑油正常温内。

1.2.2 对其他备用主机的影响以及整个冷却水流程的影响

高温水的入口为混水段和高温水出口混合而成。主机的高温水冷却与低温水冷却基本上算相互独立。正在运行主机的高温水理论上水温无变化（一般高温水进口温度达83-91℃，远远高于混水段温度60-70℃，以及由于机体内部的高温水温控阀作用），低温水的改变不会影响高温水的过冷或过热。实验当把低温水进口温度调整为现阶段最低温度时（由于中冷器冷却效果不佳，该温度在实验时只能降到33℃，中冷器冷却效果好时能做到进口温度15℃）。正在运行主机的高温水水温均无明显变化，实验证明低温水的改变对高温水冷却侧无影响。

实验发现，该主机混水段温度由63.4℃升至72℃。由于混水段的水要为备用主机的低温水预热器提供备用主机预热的作用。温度升高也不会影响备用主机的正常备车。混水段温度上升的原因为空冷器换热增加，冷却水所带热量增多。

综上分析，柴油机进气温度存在较大的调节范围，对其它系统影响可以忽略。

2  进气温度变化对柴油机性能影响研究

废气涡轮增压器转速与主机功率有关，随着主机功率的提升，废弃涡轮转速上升，随之扫气压力上升，扫气温度随之上升。为保障扫气温度保持一个恒定理想数值，这时就需要将低温水进口温度下调。空冷器空气出口温度符合换热器经验公式：Tc=T2-nc（T2-Tls）。Tc为空冷器空气出口温度，T2为空冷器空气进口温度，nc为冷却系数，一般取0.7～0.9，Tls为冷却水进口温度。空冷器空气进口温度也就是压缩机出口温度T2，T2符合绝热压缩公式：

T1为涡轮进口温度，P2/P1为压缩比，K为绝热指数取1.4，ηmk为压气机效率，τ代表向外散热系数冷却系数，一般取1.04-1.1。

夏季主机功率30-50%，取夏季乐亭地区（该主机所在地区）最高温度32℃计算，其余时间取乐亭地区全年平均温度10℃。冬季主机功率为80%，取乐亭地区冬季平均温度0℃到10℃。换热效率取80%。根据以上数据、公式，可以算出大致的主机常用工况下功率在需要的某扫气温度与进口温度的关系。

通过计算结果分析可知，随着环境温度的升高，在固定扫气温度所需的低温冷却水会随着环境温度的升高而降低。随着所需扫气温度的降低，所需低温水也降低。为了保障良好的冷却效果，除了保障空冷器的冷却效果，剩下的就得靠海水中冷器的冷却效果。中冷器的冷却能保障低温水范围在15-35℃，在中冷器正常情况下可以完成上述空冷器扫气温度40-60℃變化范围。在夏季由于海水温度的升高，中冷器的冷却效果不佳，且随着中冷器的使用冷却效果会越来越差，不能完成上述扫气温度范围。

2.1 扫气温度分析

在夏季高温高湿的环境下就要考虑压缩后的空气经空冷器后的析水问题。在夏季高温时（乐亭地区夏季高温可达35℃，相对湿度接近100%，取最恶劣天气），则可以读出这时空气中含水量为0.036公斤水/公斤干燥空气。此时主机的功率在50%，扫气箱压力为1.1bar，则绝对压力为2.1bar，从空气焓湿图中近似读出水露点为49℃。如果将扫气温度设定在40℃时，从空气焓湿图中近似可以得出空气中只能容纳0.022公斤水/公斤干燥空气。这样就会有0.014公斤/公斤干燥空气将以冷凝水的形式出现。水是不可压缩的，容易造成气缸过压，进入滑油中使滑油乳化，进入气缸后甚至会造成低温腐蚀，应避免空气中的液态水进入气缸。

2.2 扫气压力分析

中冷器上有常开泄放口，能使增压空气经冷却后析出的水流出，优势就是能避免上述析出水对主机造成的不良影响问题，缺点就是浪费了宝贵的增压空气。通过分析和合理的设定扫气箱温度保障了在扫气压力下无论天气怎样变化都不会有空气中的水析出，此时就能将常开泄放口加上快速球阀，每两个小时巡检打开一次检查是否有水就可以了，避免了增压空气的浪费，提高了进气效率。

2.3 主机启动困难问题

三台主机在冬季启动时均存在不同程度的启动困难问题。该平台为柴油原油双燃油主机，启动时先用柴油模式启动而后切为原油模式。实验发现，在启机时通过将低温水入口温度调至65℃（该温度浮动，调至混水段的最高温度）使主机启动变得容易。启动成功并带负载后再将恢复到原来的扫气温度。该平台使用的是劣质燃油，芳香烃的含量较高的原油，经过分油机及增压单元加热加压后供主机使用，在尝试将低温水入口温度调至最高直接用原油启动主机的方案后，实验效果较好，可满足正常启动要求。

3  进气温度对主机性能的影响

在全负荷工况，由于驱动涡轮的气缸排气能量的改变会使涡轮增压器的响应特性发生变化，增压压力将随扫气温度的降低而下降。气缸压缩终止压力与增压压力有很大关系，增压压力是空气在气缸压缩行程中的初始压力。因而，增压压力的提高会使气缸压缩终止压力增大。提高此参数通常会提高柴油机气缸指示效率。降低扫气温度有可能降低增压压力。当主机的进气温度从55℃降低到51.5℃时，因为在主机功率维持3800kW左右保持恒定，排除功率对扫气压力的影响。室外温度也保持基本恒定，影响也可以排除。随着扫气温度的下降，扫气压力基本上保持在1bar，没有下降。所以在非满负荷下，扫气温度的降低基本不会影响气缸排气能量，从而对扫气压力的下降的影响不大，所以不会因为扫气压力的下降导致主机气缸指示功率的下降。

随着扫气温度降低，进气密度将会增大，从而提高气缸充量系数。充量系数的提高会改善燃油的雾化质量和燃油与空气的混合程度，并将缩短物理滞燃期。对增压空气进行冷却从而降低扫气温度，可以提高进缸空气密度，增加主机的进气量，并降低受热零件的热负荷，是强化主机的有效措施。在降低扫气温度后，主机的扫气温度从55℃降低到51.5℃。因为在主机功率维持3800kW左右保持恒定，排除功率对排气温度的影响。室外温度也保持基本恒定，对排气影响也可以排除。由于主机扫气温度温度的降低，使主机排气温度显著下降，有效的降低了热负荷。改变扫气温度至50.5℃，所得的结论和上述结论基本一致。

对燃烧消耗的影响。由于平台燃油流量计损坏，不能显示油耗。但通过V-7001液位变化显示耗油程度，但不能量化。在缺乏燃油流量计的情况下，通过在基本相同功率，相同工况，相同环境下，做日用燃油罐对应的相同液位变化取时间来体现燃料的消耗量。在扫气温度差3.5℃时，在相同液位变化下，扫气温度温度更低的耗时更长且在此时的平均功率高100kW。说明在扫气温度温度更低时耗油更低。

4  工况良好主机与工况恶化主机的对比结论

对比工况较好的主机A与即将大修工况不好的主机C相同功率下进行进气温度降低1℃的各缸排温对比如表1所示。由表可知，在功率下扫气温度每降低1℃，单缸温度下降明显，并且工况越差的主机降温效果更佳明显。分析可知，工况较差的主机燃烧不充分，热负荷大，通过降低进气温度来降低其燃烧及负载效果明显。通过改善进气温度就能使原本工况较差的主机在较的热负载下运行，增强了其稳定性。

5  结论

本研究解决了诸如环境温度低状态下的启机难问题、启机时用原油代替柴油问题（每次启机消耗柴油1m3，一年节约10万元）、临近大修主机运行工况较差问题及提高其运行稳定性以及降低其热负荷问题、按理论计算将每年节省原油近40吨（理论增压空气温度每下降10℃，效率提高约0.5%。50%负载时进气温度约降低4-7℃，80%负载时进气温度约降低6-10℃）、不良工況下主机因环境温度升高而造成的功率无法达到正常状况的改善、取得良好的节能减排效果、解决了扫气箱进冷凝水问题以及减少了增压空气的浪费、降低了因主机热负荷高造成的诸多不良影响等问题。

该技术具有很高的推广性，海上平台及海洋船舶的柴油机应用很高，不同厂家的柴油机应该有相应的最佳进气温度或者其范围，通过改变冷却水的流量或者降低冷却水的温度使空冷器始终保持良好的工作状态以达到良好的进气温度。无论从油耗还是排放上都能达到良好的效果，并提高柴油机的稳定性及可靠性。

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