Как да разчетем типа на двутактовите MAN B&W

Какво можем да разберем за един съвременен двутактов корабен двигател MAN B&W само по типа му изписан на неговата табелка?

Каква информация е закодирана в на пръв поглед неразбираемата поредица от символи изписани на табелката на един съвременен двутактов корабен двигател MAN B&W? Какво е значението на всеки един символ или низ от символи и какви технологии ни разкриват? Отговорът на тези въпроси можем да открием тук.

За целта ще разгледаме двутактов корабен двигател MAN B&W на чиято табелка е посочен тип на двигателя 5G70ME-C10.5-GI-EGRBP.

MAN B&W Engine type designationn
Изтеглете публикацията „Как да разчетем типа на двутактовите MAN B&W“ в .pdf формат от ТУК или като кликнете върху изображението. Рамер на файла [685 KB]
EGRBP – посочва Tier III технологията използвана при този двигател.

Ако на това място в обозначението на MAN B&W липсват символи, значи че двигателят е Tier II и не може да работи в режим Tier III.

Tier III технологии

„MAN Energy Solutions“ предлага два алтернативни варианта за съответствие на двутактовите двигатели с изискванията за Tier III на MARPOL Annex VI по отношение на азотните окиси NOx.

Това са:

  • Рециркулация на отработените газове (РОГ) – Exhaust Gas Recirculation (EGR) и
  • Селективна каталитична редукция (СКР) – Selective Catalytic Reduction (SCR), която от своя страна има два варианта на изпълнение – високо налягане SCR HP и ниско налягане SCR LP

Всички Tier III двигатели могат да работят и в двата режима – Tier III в районите където се контролират емисиите на азотни окиси (NOx) и Tier II извън тези райони.

При рециркулацията на отработените газове част от отработените газове (30-40%) след охлаждане и пречистване се връщат във въздушния ресивер. По този начин част от кислорода във въздушния ресивер се измества от въглероден диоксид (CO2). Това намалява количеството на кислорода и увеличава топлинния капацитет на продувъчния въздух намалявайки температурния пик на горивния процес и образуването на NOx. Има 3 различни конфигурации на РОГ:

  • РОГ с байпас (EGR with bypass) – конфигурация с 1 турбокомпресорен агрегат (ТКА) използвана при двигатели с диаметър на цилиндъра до 70 см.
  • РОГ с изключване на ТКА (EGR with TC cut-out) – конфигурация с 2 или повече ТКА използвана при двигатели с диаметър на цилиндъра 80 см. и повече.

ЕкоРОГ конфигурирана като РОГ с байпас (EcoEGR, configured as EGR with bypass). ЕкоРОГ е оптимизиран вариант, който понижава специфичния разход на гориво (СРГ) и в двата режима на работа Tier III и Tier II.

РОГ с байпас / EGR with bypass

При РОГ с байпас се използват 2 контура – Main string и EGR string. Контурът Main string е с капацитет за отвеждане на целия продувъчен въздух през ТКА и въздухоохладителя. Контурът EGR string е с капацитет за отвеждане на до 40% от отработените газове през предварителен воден спрей (pre-spray) и РОГ модул (EGR unit), състоящ се от охладител (EGR cooler) и влагоотделител (Water Mist Catcher (WMC)) към мястото на смесване в Main string.

 

Рециркулация на отработените газове с байпас
Фигура 1. РОГ с байпас. Източник [2]

В режим на Tier II работи само Main string. Клапаните SOV, BTV и CBV са затворени. При този режим байпасът на отработените газове EGB е напълно отворен при големи натоварвания и частично отворен при ниските натоварвания за балансиране на ТКА. Въпреки това, при двигатели с диаметър на цилиндъра 40 см. и по-малко, при големи натоварвания, байпасът на отработените газове EGB ще бъде затворен и контурът EGR string ще бъде отворен, за да се осигури достатъчно налягане на продувъчния въздух при спазване на ограниченията за обороти на ТКА.

В режим на Tier III EGR string се активира, като се отварят клапаните SOV и BTV. Посредством EGR blower, отработените газове преминават през pre-spray и EGR unit до мястото на смесване и въздушния ресивер. Степента на рециркулация се регулира чрез потока през EGR blower. При този режим CBV е отворен, а EGB е затворен.

РОГ с изключване на ТКА / EGR with TC cut-out

При РОГ с изключване на ТКА се използват 3 контура – Main string, Cut-out string и EGR string.

  • Контурът Main string отвежда до 70% от продувъчния въздух през основния ТКА и въздухоохладителя.
  • Контурът Cut-out string отвежда до 40% от продувъчния въздух през изключвания ТКА (cut-out T/C) и през EGR unit преди да постъпи във въздушния ресивер през байпасен тръбопровод (Blower by-pass pipe).
  • Посредством един или повече EGR blower, контурът EGR string отвежда до 40% от отработените газове през pre-spray и EGR unit към мястото на смесване в Main string. В този случай Cut-out string е затворен.

При по-големи двигатели може да са необходими повече от два ТКА. При тях принципът остава непроменен.

Рециркулация на отработените газове с изключване на ТКА
Фигура 2. РОГ с изключване на ТКА. Източник [2]

При РОГ с изключване на ТКА има три режима на работа:

  1. Tier II
  2. Tier II с изключен ТКА (дава възможност за работа на двигателя при ниски натоварвания с изключен ТКА и понижен СРГ
  3. Tier III

Таблица 1 показва състоянието на клапаните при трите режима на РОГ с изключване на ТКА.

Състояние на клапаните на РОГ с изключване на ТКА
Таблица 1. Състояние на клапаните при РОГ с изключване на ТКА
ЕкоРОГ / EcoEGR

При ЕкоРОГ двигателят работи постоянно в режим на рециркулация на отработените газове. Степента на рециркулация се адаптира според изискванията за NOx в района на плаване. Намаляването на СРГ е около 2.5% в режим Tier II и 1% в режим Tier III. Предвиден е резервен (авариен) вариант за работа в режим Tier II в случай на сериозна повреда на системата. ЕкоРОГ е подобна на РОГ с байпас.

Рециркулация на отработените газове Еко
Фигура 3. ЕкоРОГ. Източник [2]

При ЕкоРОГ има три режима на работа:

  1. ЕкоРОГ в режим Tier II. В този режим двигателят работи с ниска степен на рециркулация, около 10-15%.
  2. ЕкоРОГ в режим Tier III. В този режим двигателят работи с степен на рециркулация 25-45% подобно на РОГ с байпас
  3. ЕкоРОГ в авариен режим на Tier II. При този режим, който е приложим в случай на сериозна повреда няма рециркулация на отработените газове.

Таблица 2 показва състоянието на клапаните при трите режима на ЕкоРОГ.

Състояние на клапаните на РОГ Еко
Таблица 2. Състояние на клапаните при ЕкоРОГ
Селективна каталитична редукция (СКР) / Selective Catalytic Reduction (SCR)

Селективната каталитична редукция (СКР) е метод за третиране на отработените газове, чрез който азотните окиси (NOx), генерирани в корабния дизелов двигател, могат да бъдат редуцирани до ниво съответстващо на изискванията Tier III на MARPOL Annex VI.

Редуцирането на NOx става чрез каталитичен процес в реактор, монтиран в газоизпускателния тракт. В реактора NOx се редуцира до азот и вода чрез добавяне на амоняк като редуциращ агент. От съображения за безопасност, амонякът обикновено се добавя под формата на воден разтвор на урея.

Съществен параметър на СКР е температурата на газовете на входа на реактора. Нейната долна граница се определя от съдържанието на сяра в горивото и последващото образуване на сярна киселина. При ниски температури сярната киселина се неутрализира от амоняка. Това образува лепкав продукт амониев бисулфат (АБС), който може да се натрупа върху елементите на СКР. Тази реакция може да бъде потисната чрез поддържане на висока температура на отработените газове. Когато съдържанието на сяра в горивото е равно или по-малко от 0.1%, температура от приблизително 310°C би била достатъчна. При ниско налягане на отработените газове необходимата минимална температура ще бъде по-ниска.

От друга страна, температурата не трябва да е твърде висока, тъй като това ще доведе до повишено образуване на Серен триоксид (SO3) в катализатора. Впоследствие SO3 реагира с водата, създавайки сярна киселина. Друга нежелана реакция, която също ограничава максималната температура за работа на СКР, е окисляването на амоняка (NH3), когато температурата на отработените газове доближи 500°C, т.е. ще е необходимо повече NH3. Освен това катализиращият материал започва да се спича при температури над 500-550°C. За да се осигури стабилна работа на СКР е изключително важно температурата на отработените газове да се поддържа в определен диапазон.

Селективна каталитична редукция високо налягане (СКР ВН) / High-pressure SCR (HP SCR)

СКР ВН се извършва в каталитичния контур, който се състои от изпарител/смесител (vaporiser/mixer) и реактор (SCR reactor). В изпарителя каталитичният процес се подготвя чрез впръскване на редуциращ агент, който се изпарява и смесва с отработените газове. Сместа от газове и редуциращ агент постъпва в реактора, където става редуцирането на NOx. Тъй като каталитичната редукция се нуждае от сравнително висока температура е добре каталитичният контур при двутактовите двигатели да бъде разположен в участъка с високо налягане т.е. преди турбината. В зависимост от натоварването на двигателя, температурата на отработените газове в този участък е с 50-175°C по-висока от температурата в участъка с ниско налягане.

Селективна каталитична редукция високо налягане
Фигура 4 СКР ВН. Източник [2]

В режим Tier II, СКР системата се изолира от клапана RSV и дроселния клапан RTV. Байпасиращият клапан RBV е отворен и отработените газове постъпват директно към турбокомпресора. Системата включва и байпасен клапан EGB, чрез който се осигурява прецизна работа на двигателя при ниски натоварвания в режим Tier II. Когато работи в режим Tier III, линията на каталитичния контур се отваря от клапаните, RSV и RTV, докато RBV е затворен.

Въпреки че каталитичният контур се намира преди турбината, при ниски натоварвания температурата на отработените газове ще е твърде ниска. За да се повиши температурата, е монтиран байпасен клапан CBV от въздушния ресивер към входа на турбината. При отваряне на байпаса, масата на въздуха през цилиндрите ще намалее, без загуба на налягане на продувъчния въздух и съответно температурата на отработените газове ще се увеличи. Така система осигурява поддържането на необходимата температура. Това байпасиране обаче ще увеличи СРГ в зависимост от необходимото повишаване на температурата.

Таблица 3 показва състоянието на клапаните на СКР ВН при двата режима на работа Tier II и Tier III.

Състояние на клапаните на СКР ВН в режим Tier II и Tier III.
Таблица 3. Състояние на клапаните при СКР ВН в режим Tier II и Tier III.
Селективна каталитична редукция ниско налягане (СКР НН) / Low-pressure SCR (LP SCR)

Когато съдържанието на сяра в горивото е до 0.1%, може да се инсталира СКР ниско налягане. В тази система каталитичният контур се инсталира след турбината. СКР НН се състои от три основни компонента – реактор (SCR reactor), смесител (AIG – ammonia injection grid) и разграждащ блок (decomposition unit (DCU)). Разграждащият блок, който се намира между изхода на реактора и входа на смесителя се състои от вентилатор, горелка и изпарител. Редуциращият агент се впръсква в изпарителя образувайки смес от амонячни пари, които постъпват на входа на смесителя и след това към СКР реактора. Въпреки, че съдържанието на сяра в горивото е твърде малко, образуването на амониев бисулфат (АБС) не може да бъде напълно избегнато. Един от начините за разлагане на АБС е използването на разграждащ блок (DCU) за подгряване и циркулиране на определено количество газове през реактора.

Селективна каталитична редукция ниско налягане
Фигура 5. СКР ВН. Източник [2]

Таблица 4 показва състоянието на клапаните на СКР НН при двата режима на работа Tier II и Tier III.

Състояние на клапаните на СКР НН
Таблица 4 Състояние на клапаните на СКР НН в режим Tier II и Tier III
Вода с метанол / Water in methanol

При двигателите работещи на метанол, изискванията за Tier III могат да бъдат постигнати чрез смесване на 40% вода и 60% метанол.

GI (Gas Injection) – посочва концепцията на подаване на горивото в цилиндрите

Ако на това място в обозначението на MAN B&W липсват символи, значи че двигателят работи само с дестилатни и остатъчни горива (виж ISO 8217:2017 – Нефтопродукти. Горива (клас F). Технически изисквания за корабни горива). 

GI (Gas Injection)

При ME-GI двигателите се използва работния процес на Дизел.

Процес на Дизел
Фигура 6. Работен процес на Дизел
Rudolf Diesel
Рудолф Дизел

Рудолф Кристиан Карл Дизел (на немски: Rudolf Christian Karl Diesel) (18 март 1858 – 29 септември 1913) е германски изобретател и машинен инженер, известен със създаването на дизеловия двигател.

На схемата е показан работен процес на Дизел. Схемата е само принципна и не е конкретно за двигателите MAN B&W ME-GI.

Горивото се подава в цилиндъра близо до горна мъртва точка (ГМТ) под високо налягане.

Температурата на самовъзпламеняване на природния газ, съхраняван като ВПГ, е твърде висока, за да бъде достигната по време на процеса на сгъстяване (компресия) в цилиндъра. Поради това горенето трябва да се инициира от източник на запалване. Тези двигатели се нуждаят от т.н. „пилотно гориво“ за да започне процеса на горене. Малко количество дизелово гориво се впръсква през пилотна дюза (pilot injection valve) в цилиндъра в края на процеса на сгъстяване. То се възпламенява от високата температура генерирана при компресията. Консумацията на пилотно гориво варира в зависимост от типа на двигателя. За съвременните ME-GI тя е от порядъка на 1% от общата консумирана енергия (0.5% за G70ME-C10/9.5-GI).

Според типа си двигателите могат да използват:

  • ME-GI – метан (Gas injection methane)
  • ME-GIE – етан (Gas injection ethane)
  • ME-LGIM – метанол (Liquid gas injection methanol)
  • ME-LGIP – втечнен пропан-бутан (Liquid gas injection LPG)

Разликите между ME-GI и ME-LGI са в горивната система и налягането на впръскване на горивото (300-380 bar. при ME-GI и 500-600 bar. при ME-LGI)

GA (Gas admission methane)

При ME-GA двигателите се използва работния процес на Ото.

Процес на Ото
Фигура 7. Работен процес на Ото
Nicolaus August Otto
Николаус Ото

Николаус Ото (на немски: Nikolaus August Otto) (10 юни 1832 – 26 януари 1891) е немски инженер-самоук, изобретател на автомобилния четиритактов двигател, наричан на негово име отомотор.

  1. Продувъчният въздух постъпва в цилиндъра, когато буталото достигне долна мъртва точка (ДМТ)
  2. Газът се подава в цилиндъра, когато буталото се движи нагоре
  3. Готовата горивовъздушна смес се възпламенява чрез пилотно гориво
  4. Следва горивен процес и процес на разширение при движението на буталото надолу
10.5 Mark number / Dot number – означение на модификация / версия
ME-C – Концепция на двигателя:

ME-C – електронно управление на горивоподаването и изпускателния клапан
ME-B – изпускателният клапан се управлява от гърбица

G – Отношение ход на буталото/диаметър на цилиндъра

G – “Green” ultra long stroke
S – Super long stroke

5 – Брой на цилиндрите
На фигура 8 е показано обозначаването на типа на двигателите MAN B&W програма М
Обозначаване на типа на двигателите MAN B&W програма М
Фигура 8. Обозначаване на типа на двигателите MAN B&W програма М
Използвани източници

[1] Marine Engine Programme 2020 – MAN Energy Solutions

[2] Emission Project Guide 10th Edition September 2019 – MAN Energy Solutions.

[3] Alternate Fuels for Large Engines. March 2019. Les Gingell. Vice President Marine Sales, MAN Energy Solutions

[4] LNGC-optimised designs of ME-GI engines and fuel gas supply systems. MAN Energy Solutions. Apr 2020.

[5] The two-stroke MAN B&W dual fuel engine. October 2019. Rene Sejer Laursen. MAN Energy Solutions