40 000 DWT散货船满足TierIII的设备选型与系统布置

摘    要：通过对目标船功能需求的分析，优选出40000DWT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40000DWT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：A

Tier 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; Reactor

1     前言

根據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。

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。

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。

RTV阀可以以排气集管为中心，根据管路布置在0～180°的方向上任意角度布置，也可根据船厂要求在排氣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。

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7～8 bar，发电机SCR需工作空气压力7～10 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。

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。

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：2022-03-11