轮机新技术演示文稿1ppt课件

.,第九章船用智能型柴油机,.,一、智能柴油机概述20世纪80年代末，智能控制在工业领域得到了迅速发展，船舶智能柴油机的概念也应运而生。90年代，随着人们对船舶可靠性、经济性和废气排放控制的日益关注，船舶智能柴油机进入了实质性研究与开发阶段。随着科学电子技术的发展，尤其是微型电子计算机的运用，传统柴油机的控制方式逐步被电子控制方式代替，如电子注油器取代机械式注油器，电子调速器取代机械式、液压式调速器，燃油电子喷射取代传统机械传动式喷射等。尤其体现在燃油喷射方面，在经过了位置控制方式、时间控制方式、蓄压共轨时间控制方式三个阶段的发展后演变为目前的电子控制柴油机。,.,电子控制柴油机的原理和特点柴油机取消了传统柴油机的凸轮轴以及相关的机械控制零部件，将燃油喷射、气阀启闭以及柴油机的起动、换向、停车和气缸润滑等功能全部由电子控制实现。它可以通过对相关参数的设定和修改，调整主机的运行状态和工作参数，达到使柴油机保持在最佳状况下工作的目的。此外，还可对柴油机的运行情况及零部件的状况进行实时监测，并与船上的控制系统、报警系统连接，对柴油机进行全方位的控制。目前智能柴油机已在新装机船舶中得到广泛运用，并逐步成为船舶柴油机的主流机型。,.,电子控制柴油机原理：通过电子控制技术，发动机管理系统的核心功能由电控单元来实现。传感器为电控单元(ECU)提供发动机的当前工况信息，电控单元对传感器的信号进行分析以后，根据预定的控制策略对执行器发出控制信号，控制喷油量、喷油始点、增压压力、排气阀正时等，对发动机进行闭环控制，使燃烧更精确。,.,智能柴油机的特点:,船用智能柴油机是在2000年后才正式装船使用的，与传统机械控制式柴油机相比，其主要特点为有很强的运转适应性、足够的可靠性、具有各种不同的操作模式、完善的状态监测和控制系统。1很强的运转适应性主要表现在燃油喷射系统上，其主要包括1）能够自由地选择喷射压力。根据不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能，降低了柴油机在部分负荷时的油耗。(实际运行中综合油耗并没降低.)意味燃油压力在工作中可变！针阀的开启有伺服油驱动.最低稳定转速可达到额定转速的1/10.2）精确地控制燃油喷油量。柴油机由电磁阀控制喷油，其控制精度高，高压油管压力稳定，在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油均匀，柴油机工作稳定。,.,3）可独立地控制喷油正时和喷油速率变化，实现预喷射和多次喷射，达到理想的喷油规律，配合高的燃油喷射压力，既可降低柴油机的dp/d，又能保证良好的动力性和经济性，同时还能将柴油机的NOx和微粒（PM）排放控制在较小的数值范围内，以满足排放要求。能否对含硫量进行控制？4）燃料适应性好。对于不同的燃油，特别是劣质燃料油，可根据燃烧需要改变喷油正时和气阀定时，并且在任何负荷条件下工作均无可见排烟。这些对于凸轮驱动的机械机构几乎是不可能实现的。此外，冷却系统、增压系统和气缸注油系统也具有很强的运转适应性。,.,2足够的可靠性这是指发动机具有更长的寿命和维修周期，在整个发动机使用过程中具有很低的故障率和良好的维修性能，并且在整个使用期间发动机的性能维持不变。如瓦锡兰公司的RT-flex柴油机的吊缸周期可延长到三年，MANB安装在1990.1.1至1999.12.31间建造的船舶上的大型柴油机（输出功率5000kW，且单缸排量90升）；NOx排放限值：17.0g/kWh,当n小于130r/min;45.0n(-0.2)g/kWh,130r/minn2000r/min;9.8g/kWh,n2000r/minTierII:全球标准，适用于安装在2011.1.1及以后建造的船舶上的柴油机；该标准相当于在TierI基础上降低约为80%;14.4.0g/kWh,当n小于130r/min;44.0n(-0.2)g/kWh,130r/minn2000r/min;7.7g/kWh,n2000r/min,.,柴油机NOx排放控制,TierIII：排放控制区标准，适用于安装在2016.1.1及以后建造的船舶上的柴油机；该标准相当于在TierI基础上降低80%（原来20%）；3.4.0g/kWh,当n小于130r/min;9.0n(-0.2)g/kWh,130r/minn2000r/min;2.0g/kWh,n2000r/min防止船舶造成大气污染规则（MARPOL附则）1.2000年1月1日，I正式实施；2.2009年1月1日，II正式实施；3.2016年1月1日，III正式实施；,.,2.硫氧化物（SulphurOxides）（第14条）燃油硫含量标准全球标准:4.50%,在2012.1.1前;3.50%,在2012.1.1后;0.50%,在2020.1.1或以后;排放控制区标准（ECA）1.50%,在2010.7.1前;1.00%,在2010.7.1后;0.10%,在2015.1.1或以后;欧盟规定：2006年五月起：所有船舶必须使用含硫量1.5%以下的燃油，客船1.2%；停泊在港口的船舶应低于0.2%。2010年一月以后：应使用含硫量低于0.1%；或使用排气后处理措施达到相应的硫氧化物排放水平，还有不同的收费标准，排放量高的船舶将重罚。,.,SOx释放控制区域的要求：提前计划；燃油含硫量；换油；记录,.,二、排放法规的实施对船舶柴油机动力装置的影响,1.对柴油机发展的影响氮氧化物生成的主要因素是柴油机气缸中的燃烧过程，与柴油机结构、参数、运行工况等等有关。降低氮氧化物的方法：主要是机内处理和机外净化。机内处理方法的关键是有效控制燃烧过程，目前主要途径是开发低排放的直喷式燃烧室，能同时满足排放标准和提高柴油机的热效率。此外，推迟喷油、废气再循环（EGR)以及缸内喷水都会达到目前的排放标准。但会降低热效率、经济性差。机后净化不会影响柴油机热效率，但会增加设备，造价高和船员的负担。,.,二、排放法规的实施对船舶柴油机动力装置的影响,2.对船用柴油机燃油的影响降低硫氧化物的最有效的办法是降低燃料含硫量。脱硫会增加成本。此外，用水洗除去废气中硫氧化物，但要增加设备，现在仍在研究之中。,.,三、船舶柴油机有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制从改善燃油品质（机前处理）、燃烧过程的改进（机内处理）和排气后处理（机后处理）三方面控制。见图2.4-5.目前对船舶柴油机有害排放采取的主要措施：1）燃烧过程的改进：研究表明：碳粒在燃烧温度大于1500K，过量空气系数小于0.6的过浓混合气中形成，NOX在燃烧温度大于2300K的富氧条件下生成。因此要寻找同时满足限制NOX和碳粒的条件。降低NOX排放：降低燃烧温度和预混合燃烧阶段的混合气量降到最小程度（可能形成富氧区）.降低颗粒排放：在扩散阶段保持良好的油气混合和高的温度。采用方法：高压喷射、推迟喷射、引导喷射、废气在循环和改进喷油器结构等等。,.,三、船舶柴油机有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制（1）高压喷射小喷孔直径、大的燃烧室开口、短的喷油持续期。充分的雾化，显著减少颗粒的排放。高喷射压力和短的喷射持续期可推迟喷油定时，从而保证燃油消耗率和颗粒排放不变的情况下降低最高爆发压力和NOX排放量。提高喷油压力能有效改善柴油机性能。（2）推迟喷射推迟喷射能使最高温度降低，NOX的生成量减少，但会导致后燃严重、排气温度升高，柴油机热效率下降。应在保证柴油机具有较高的热效率情况下，降低燃烧最高温度，减少NOX的生成量。,.,三、船舶柴油机有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制（3）电控喷射和引导喷射电控喷射系统的主要特点：实现高压喷射和引导喷射，根据工况变化对喷油定时、喷油规律和循环供油量进行最优化控制，获得所要求的燃烧规律，保证发动机性能，同时抑制NOX和颗粒生成。（4）喷油器结构的改进柴油机平均有效压力的提高要求增加喷油器的流通面积，要求在喷油器底部的压力室容积增加，喷油结束时残余存在在压力室的燃油会滴入燃烧室，形成排放污染。目前，标准结构的喷油器压力室容积都比较大，会造成排放污染。解决这一问题是采用“小压力室”的喷油器，减少压力室的面积。最新是采用滑动型喷油器，可以大大减少有害物质和碳烟形成、燃烧室的沉积。,.,三、船舶柴油机有害排放的控制措施,1.氮氧化物排放的控制（5）废气再循环（EGR)指的是使部分废气10-20%的废气再次进入气缸，使得它与进气掺混，导致进气中二氧化碳浓度升高，氧浓度降低和进气的比热和热容量增大，可降低最高燃烧温度从而降低NOX的生成。废气量增加，燃烧过程会变慢，颗粒排放和耗油率增加。采用这种方法，NOX排放会降低30-40%，废气再循环会使颗粒增加，从而污染涡轮和冷却器，增加气缸的磨损。如使用高质量的蒸馏油，颗粒影响较小。适应中高速柴油机。如使用重油的低速柴油机，太多的颗粒，会损害柴油机。在废气再循环管路上安装一个水洗器，去除废气中存在的颗粒和硫氧化物，同时冷却废气.废气再循环34-36%，排气的NOX排放降低到3.6-4.0g/kw.h极限39%时，排气的NOX排放降低到2.3g/kw.h如与燃油乳化技术相结合，排气的NOX排放降低到1.3g/kw.h，满足TierIII的要求。,.,2）加水处理通过采取措施使一定量的水进入气缸，由于水的气化潜热很高，吸收燃烧过程中的大量热量，降低最高燃烧温度，减少NOX的排放.（1）燃油乳化将燃油掺水形成乳化油进入气缸，乳化油的水被蒸发，降低燃烧温度峰值，能较大幅度减少NOX排放。在一般情况下，增加一个百分点的水就减少一个百分点的NOX，通常乳化油中有10%的水，可使NOX减少6-12%。在标准工况下，满负荷时加入20%的水，燃油消耗率几乎不变化，当水含量再增加时，燃油消耗率会稍有增加。燃油乳化可降低NOX排放30-50%。缺点：引起零件的腐蚀。,.,(2)进气加湿用高压水雾的形式，在压气机后喷入空气中。为了防止水雾凝结，要加热提高增压空气的温度，加热是利用空气冷却器完成的。这种方法可降低50-60%NOX的排放，还能降低主机热负荷，改善缸套清洁条件。结构简单，成本低和不增加油耗率。喷水质量要求高。（3）直接喷水采用双喷嘴油头，一个喷水一个喷油，水(0.4-0.7):油1,先喷水，在喷水结束之后开始喷油，对燃油着火和燃烧过程不会造成影响，二个系统相互独立，喷水系统可以随时切断。该方法可降低NOX50-60%。随着喷水量增加，排放量随之减少。最大的油水比例为50%，超过50%时，NOX排放下降不明显。而燃油消耗率会明显上升。能降低主机热负荷，改善缸套清洁条件。缺点：发生低温腐蚀。,.,(4)蒸汽喷射法蒸汽喷射法有二种方法：一是通过向压缩后的空气中喷入低压蒸汽实现，结构简单、低压蒸汽来源丰富，比较容易实现。二是直接向气缸内喷入高压蒸汽的方法。设备要求复杂，成本高，但是其具有降低缸内热应力，减少燃油消耗率的优点。前景美好。3）催化转化法（SCR)对排出废气进行化学反应，大幅度减少废气中的NOX排放的方法.目前公认的比较成熟的、能够达到IMO第三阶段标准的主要方法.SCR系统组成：陶瓷催化元件组成的反应器，尿素系统包括储存、供给、定量和喷射部分以及控制系统。工作原理：,.,工作原理：4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O6NO2+8NH3=7N2+12H2O废气中NOX在300-400的温度下，以氨或尿素为还原剂，在SCR反应器中将废气中的NOX还原为N2，达到减少NOX排放的目的.理论上可以废气中的全部NOX，但为了防止氨的泄漏，通常控制使得废气中的NOX减少90-95%。缺点：排烟温度控制问题，高负荷比较适合。低负荷不能满足300-400的条件。温度过高导致氨会被烧掉而不与NOX反应；太低，反应速度慢，并且硫酸铵凝结会使催化剂破坏。例如：四冲程和二冲程机的布置不同。四冲程安装在废气涡轮增压器之后，即所谓的低压SCR装置。对柴油机工作无影响。二冲程安装在增压器前，属高压SCR装置。影响柴油机工作,.,在柴油机加速和起动过程中，以及减速过程中必须将SCR旁通，需要解决废气系统的控制和调节问题，还有低负荷的温度过低问题。SCR装置的堵塞问题是该装置运行中遇到的主要问题。燃油中的硫分遇到氨和钙形成硫酸铵和大量石膏状的泥灰。再加上钒，此现象会加剧，尿素的纯度也是保证装置运行的主要因素，不纯，会产生聚合，导致催化元件的堵塞。,.,2.SOX排放的控制二种方法：控制燃油中硫含量和水洗。1）低硫燃油对柴油机的影响和措施2）水洗技术是目前许多大公司的研究开发项目。主要采用毗邻方法去除废气中的SOX和颗粒排放。可以去除98%SO2和78%的颗粒。目前使用的方法有二种：直接海水水洗法和淡水水洗法。海水直接水洗法：海水直接通入水洗器中，水与硫反应生成硫酸，再与海水中的碱中和，回到大海。回大海前，必须去除颗粒和油类。缺点：有较大的空间。淡水水洗法在淡水中加入适当的NaOH，吸收废气中的SO2.采用闭式循环。较小空间即可。推荐：海上海水水洗法，沿岸和港口用淡水水洗法。,.,3.CO2排放的控制虽然船舶推进装置在热机中CO2排放量是最低的，但总量大，要严格控制。有二种方法：提高船舶动力装置的综合效率和采用新能源或再生能源。IMO正在考虑确定船舶动力装置的排放指标：能效设计指标和能效运行指标，设立能效指标是试图降低船舶动力装置平均CO2的排放值，达到目前排放值的70%。降低能效设计指标的方法：1）降低船速2）提高主机效率3）降低主机功率4）