大型集装箱船舶发电原动机暖缸问题分析
周中平
摘要：目前，大型集装箱船舶配备了大功率副机。根据集装箱船的特点，需随时确保副机正常投入使用，因此，副机冷却水系统的预热工作显得尤为重要，过低的暖缸温度会造成系统滑油粘度大，使得副机各运动部件不但得不到有效的润滑效果，还会增加发动机的阻力和磨损，同时过低的冷却水温度还会造成各运行部件冷热度不一致，磨损腐蚀严重，甚至可能会造成机损事故。本文针对副机缸套水预热系统无法正常使用的问题，从设计、原理、使用和管理上分析了系统暖缸无法达到说明书要求的原因，并总结出了一些实船管理经验，希望对管理同类型船舶副机有一定的借鉴意义。
关键词：发电原动机 暖缸 冷却水
0引言
某公司大型集装箱船舶配有四台副机，一台CME-MAN6L27/38，功率1 980kW和三台CME-MAN9L27/38，功率2 970kW。额定转速为720RPM，生产厂家：ZHENG JIANG CME CO， LTD。自2014年9月该船出厂以来，柴油发电机暖缸温度一直无法达到说明书要求的55℃以上，在停车状态下，暖缸水进机压力2.5-2.8bar，缸套水温度只能保持在40℃～45℃，滑油温度也只有40℃～45℃，甚至更低，并且随着机舱环境温度变化而发生高低变化。副机总是处于冷车起动状态，造成滑油压力偏高，滑油滤器压差偏大，压损纸质滤器和安全滤芯的情况时有发生。
1 副机冷却水系统
副机暖缸单元设定温度为70℃，三组电加热投入工作，只能加热到50℃，厂家也一直没能解决这一问题。针对这种情况，分析、究其原因并寻求解决办法。
1.1 副机冷却水系统布置
船舶日常状态使用一台副机，三台副机备用。设计上采用外设暖缸装置，对三台备用副机进行保温，说明书上明确表述，冷却系统的布置具备利用运行中的副机对备用副机进行保温的功能。
副机冷却水系统由低温和高温两部分组成一个串联冷却系统，高、低温冷却水分别由各自的热力控制阀控制温度。低温冷却水热力控制阀温度设定在35℃，高温冷却水热力控制阀温度设定在79℃，如图1、图2。
1.2 副机暖缸系统
副机暖缸装置采用安庆船用电器责任有限公司生产的船用加热器，型号C6S（或CGS），功率120kW。由四组加热器组成二个加热单元，每组加热器30kW，每组加热器分别与一台副机对应。暖缸装置控制系统在自动状态下，运行中的副机对应的加热器自动切断电源。暖缸装置配备有二台暖缸水泵，泵型号CR10-04 A-A-A-F-HOOE，每台水泵排量12.1M3/h（201L/min），如图3。
副机说明书中对暖缸温度有如下要求：
（1）暖缸温度要求设置在60±5℃；
（2）为确保负荷区域的燃烧性能同时避免低温腐蚀，备用副机冷却水必须预热到至少60℃。
（3）为避免起动时太大温度波动对发动机的应力冲击，起动前副机缸头暖缸温度至少应保持60℃的温度2小时。
说明书对暖缸装置容量配置的要求：加热器功率：3.0-3.5kW/cly；暖缸水流量：4L/min。
2 探析故障根源
2.1 暖缸水的流量
四台副机共33个缸，应配备：99-115.5kW 132L/min的暖缸装置。根据实船暖缸装置配置是满足要求的。正常航行中，使用一台副机，三台副机备用，所需加热器功率为81-94.5kW，暖缸水流量108L/min。如果加热器设置在自动状态，有3组加热器可用，加热器功率共90kW，暖缸水流量201L/min。由此可见，正常情况下的暖缸加热器功率基本能满足要求，但现有的暖缸水流量太大了，导致暖缸温度达不到60℃，这是故障的主要原因。
2.2 低温冷却水热力温度控制阀温度设定值
从副机冷却系统布置来看，副机低温冷却水热力温度控制阀温度设定值仅为35℃，船舶中央冷却系统低温淡水的供水温度设定在36℃，也就是说副机冷却系统进机温度只有是36℃，低温冷却水热力温度控制阀一直处在打开回流至低温淡水中央冷却系统的位置，实际使用中，暖缸装置保持在额定流量201L/min的状态下，能将水温提高10℃～15℃左右，35℃的低温冷却水控制阀设置，使暖缸水循环重复加热的性能几乎没有起作用，所以很难将暖缸温度提升至60℃。咨询MAN工程师，认为当副机负荷低于30%额定负荷时，低温冷却水热力温度控制阀温度设定值应该提高到45℃～50℃，由此可见，副机在低负荷运行时该阀温度设定值太低，这就是问题所在，这是第二个原因。
将暖缸温度设定值提高到45℃～50℃，暖缸效果大为改善，同时也能更好保证副机低负荷运行或起动时的燃烧性能。
2.3 运行中的副机对备用副机进行保温的功能
从副机冷却系统设计上看，利用运行中的副机对备用副机进行保温的功能基本上不具备的，副机高温冷却水透气管节流孔5mm，到低温膨胀水柜透气管节流孔3mm，暖缸泵正常状态出口压力3.8bar，副机高温冷却水压力3.3bar，利用这么小的节流孔，而且是负压差，根本就不可能辅助保温，这是原因之三。
3 故障应对措施
3.1 目前应对措施
原因二和原因三中存在的问题，目前只能由厂家解决，因为副机还在保修期内。目前，作为临时措施，可考虑调整原因一中的流量控制因素，即通过调节暖缸泵流量来提高副机暖缸温度。暖缸泵冷却水流量手动调节是比较难以掌握的，流量太大则暖缸温度达不到60℃，流量太小则可能因流速太低无法及时替换加热器里的热水，从而导致加热器温度达到85℃自动切断电源，这时除了必须手动复位，还会造成冷却水温度波动太大。根据副机暖缸系统与冷却系统是反向流动的原理，暖缸时高温冷却水出口温度比进口温度高，有温差说明出口与进口存在压差，水是流动的，基本符合说明书关于暖缸时高温水出口60℃，进口在25℃～45℃符合说明书的要求，这时，副机高温冷却水出口与进口之间温差保持在10℃～15℃之间，也就是合适的流量，如果暖缸水流量大，进出口之间温差不明显。同时，在满足以上要求时，暖缸泵出口压力小于运行中副机的高温冷却水压力，可以小部分的利用运行中副机的辅助加热性能，实际使用中，效果非常好，能保证副机暖缸在60℃或以上，如图4、图5。
3.2 暖缸控制系统对加热器的三级保护
这种做法受质疑最多的是：手动调小暖缸泵流量会不会烧坏暖缸加热器，事实证明是不会。因为暖缸控制系统对加热器有三级保护，第一级当冷却水达到设定温度时加热器会自动断电并在低于设定温度时自动接通，这个功能可在控制面板上设定；第二级通过PT100检测到冷却水温度达到70℃时会自动切断加热器电源；第三级加热器本体有温度探头，当加热器达到85℃时对应的加热器自动断电，并且需要手动复位才能恢复工作，这个功能也可以在使用人员误操作导致暖缸水没有流动性时，对加热器进行断电保护，如图6、图7。
3.3 有效改造方案
根据现场观察，还有提高冷却水温度更有效的改造方案。
检查实际管系，在机体的高温水接管上寻找可供改装相应的接口，如图9所示，上部是缸头，下部是缸套，冷却水由图示缸头的左侧下箭头所指的管口进入，经过内部管路，进入缸套，在缸套内流动，经过缸头下部一圈的规则分布的10个导孔，如t箭头所指，回到缸头内，再汇入图示缸头的左侧上箭头所指的回流总管流出。对于多缸副机，多只缸头串连在一起，相互以套管连接进水/回水管，就组成进水总管和回水总管。在最后一缸的缸头上有两个圆形盲板，分别安装在进出水总管端，如图10所示。
可以利用该盲板开孔，并接入暖缸水，具体方法如下：
将图8中的2FV77阀所接的暖缸水泵吸入口，经过改装，接到图10所示的下盲板上，即接入缸头进水总管，串接安装一个截止止回阀（DN25）。拆除图8中的F4单向阀板，将暖缸泵的进出口调换，使暖缸泵从图8中的F3/F4吸水、加热、加压，经过单向截止止回阀DN25泵入缸头进水总管，循环加热后由图8中的F3/F4再回暖缸泵，就可达到暖缸的效果。如果副机运行，由于副机自带的高温水泵压力4.0bar，大于暖缸泵2.0bar的压力，所以运行的副机不会被暖缸，相反，运行副机的高温水经过图8中的F3/F4吸入暖缸系统，可以对停用的副机暖缸，应该可以达到理想的效果。
4 结束语
目前，采取一些临时措施：
（1）每次起动副机前，以分油机预加热滑油，防止刚起动时滑油高压，保护滑油滤芯。
（2）少开或停用副机边的机舱风机，提高环境温度，尽可能维持较高的缸套水温度。
众所周知，现在的大型集装箱船舶，副机随时处于备用状态，一旦开启，要在很短的时间内带上大负荷运行。若缸套水温度低于说明书要求的55℃，运动部件热度不一致，磨损腐蚀严重，甚至可能会造成机损事故。另外，按年度备件消耗统计，当暖缸温度低于55℃时，副机滑油纸质滤器使用寿命只有1个月，个别案例，副机刚起动滑油滤器就有压差报警，严重影响副机的安全使用，缸套水温度提高至70℃以上时，副机滑油滤器的使用时间可延长至4个月，按单船统计每年可以节约备件费用约为81 000元。目前该类型船舶有8艘，全年光这一项可以节约备件费用648 000元，节能降耗非常明显。
参考文献：
[1] CME-MAN L27/38.说明书.
[2] 超大型集装箱船舶图纸.
[3] 上海市航海学会.船舶主流机型服务手册（MAN2007-2011四冲程柴油机服务信函）[M].上海交大出版社.
摘要：目前，大型集装箱船舶配备了大功率副机。根据集装箱船的特点，需随时确保副机正常投入使用，因此，副机冷却水系统的预热工作显得尤为重要，过低的暖缸温度会造成系统滑油粘度大，使得副机各运动部件不但得不到有效的润滑效果，还会增加发动机的阻力和磨损，同时过低的冷却水温度还会造成各运行部件冷热度不一致，磨损腐蚀严重，甚至可能会造成机损事故。本文针对副机缸套水预热系统无法正常使用的问题，从设计、原理、使用和管理上分析了系统暖缸无法达到说明书要求的原因，并总结出了一些实船管理经验，希望对管理同类型船舶副机有一定的借鉴意义。
关键词：发电原动机 暖缸 冷却水
0引言
某公司大型集装箱船舶配有四台副机，一台CME-MAN6L27/38，功率1 980kW和三台CME-MAN9L27/38，功率2 970kW。额定转速为720RPM，生产厂家：ZHENG JIANG CME CO， LTD。自2014年9月该船出厂以来，柴油发电机暖缸温度一直无法达到说明书要求的55℃以上，在停车状态下，暖缸水进机压力2.5-2.8bar，缸套水温度只能保持在40℃～45℃，滑油温度也只有40℃～45℃，甚至更低，并且随着机舱环境温度变化而发生高低变化。副机总是处于冷车起动状态，造成滑油压力偏高，滑油滤器压差偏大，压损纸质滤器和安全滤芯的情况时有发生。
1 副机冷却水系统
副机暖缸单元设定温度为70℃，三组电加热投入工作，只能加热到50℃，厂家也一直没能解决这一问题。针对这种情况，分析、究其原因并寻求解决办法。
1.1 副机冷却水系统布置
船舶日常状态使用一台副机，三台副机备用。设计上采用外设暖缸装置，对三台备用副机进行保温，说明书上明确表述，冷却系统的布置具备利用运行中的副机对备用副机进行保温的功能。
副机冷却水系统由低温和高温两部分组成一个串联冷却系统，高、低温冷却水分别由各自的热力控制阀控制温度。低温冷却水热力控制阀温度设定在35℃，高温冷却水热力控制阀温度设定在79℃，如图1、图2。
1.2 副机暖缸系统
副机暖缸装置采用安庆船用电器责任有限公司生产的船用加热器，型号C6S（或CGS），功率120kW。由四组加热器组成二个加热单元，每组加热器30kW，每组加热器分别与一台副机对应。暖缸装置控制系统在自动状态下，运行中的副机对应的加热器自动切断电源。暖缸装置配备有二台暖缸水泵，泵型号CR10-04 A-A-A-F-HOOE，每台水泵排量12.1M3/h（201L/min），如图3。
副机说明书中对暖缸温度有如下要求：
（1）暖缸温度要求设置在60±5℃；
（2）为确保负荷区域的燃烧性能同时避免低温腐蚀，备用副机冷却水必须预热到至少60℃。
（3）为避免起动时太大温度波动对发动机的应力冲击，起动前副机缸头暖缸温度至少应保持60℃的温度2小时。
说明书对暖缸装置容量配置的要求：加热器功率：3.0-3.5kW/cly；暖缸水流量：4L/min。
2 探析故障根源
2.1 暖缸水的流量
四台副机共33个缸，应配备：99-115.5kW 132L/min的暖缸装置。根据实船暖缸装置配置是满足要求的。正常航行中，使用一台副机，三台副机备用，所需加热器功率为81-94.5kW，暖缸水流量108L/min。如果加热器设置在自动状态，有3组加热器可用，加热器功率共90kW，暖缸水流量201L/min。由此可见，正常情况下的暖缸加热器功率基本能满足要求，但现有的暖缸水流量太大了，导致暖缸温度达不到60℃，这是故障的主要原因。
2.2 低温冷却水热力温度控制阀温度设定值
从副机冷却系统布置来看，副机低温冷却水热力温度控制阀温度设定值仅为35℃，船舶中央冷却系统低温淡水的供水温度设定在36℃，也就是说副机冷却系统进机温度只有是36℃，低温冷却水热力温度控制阀一直处在打开回流至低温淡水中央冷却系统的位置，实际使用中，暖缸装置保持在额定流量201L/min的状态下，能将水温提高10℃～15℃左右，35℃的低温冷却水控制阀设置，使暖缸水循环重复加热的性能几乎没有起作用，所以很难将暖缸温度提升至60℃。咨询MAN工程师，认为当副机负荷低于30%额定负荷时，低温冷却水热力温度控制阀温度设定值应该提高到45℃～50℃，由此可见，副机在低负荷运行时该阀温度设定值太低，这就是问题所在，这是第二个原因。
将暖缸温度设定值提高到45℃～50℃，暖缸效果大为改善，同时也能更好保证副机低负荷运行或起动时的燃烧性能。
2.3 运行中的副机对备用副机进行保温的功能
从副机冷却系统设计上看，利用运行中的副机对备用副机进行保温的功能基本上不具备的，副机高温冷却水透气管节流孔5mm，到低温膨胀水柜透气管节流孔3mm，暖缸泵正常状态出口压力3.8bar，副机高温冷却水压力3.3bar，利用这么小的节流孔，而且是负压差，根本就不可能辅助保温，这是原因之三。
3 故障应对措施
3.1 目前应对措施
原因二和原因三中存在的问题，目前只能由厂家解决，因为副机还在保修期内。目前，作为临时措施，可考虑调整原因一中的流量控制因素，即通过调节暖缸泵流量来提高副机暖缸温度。暖缸泵冷却水流量手动调节是比较难以掌握的，流量太大则暖缸温度达不到60℃，流量太小则可能因流速太低无法及时替换加热器里的热水，从而导致加热器温度达到85℃自动切断电源，这时除了必须手动复位，还会造成冷却水温度波动太大。根据副机暖缸系统与冷却系统是反向流动的原理，暖缸时高温冷却水出口温度比进口温度高，有温差说明出口与进口存在压差，水是流动的，基本符合说明书关于暖缸时高温水出口60℃，进口在25℃～45℃符合说明书的要求，这时，副机高温冷却水出口与进口之间温差保持在10℃～15℃之间，也就是合适的流量，如果暖缸水流量大，进出口之间温差不明显。同时，在满足以上要求时，暖缸泵出口压力小于运行中副机的高温冷却水压力，可以小部分的利用运行中副机的辅助加热性能，实际使用中，效果非常好，能保证副机暖缸在60℃或以上，如图4、图5。
3.2 暖缸控制系统对加热器的三级保护
这种做法受质疑最多的是：手动调小暖缸泵流量会不会烧坏暖缸加热器，事实证明是不会。因为暖缸控制系统对加热器有三级保护，第一级当冷却水达到设定温度时加热器会自动断电并在低于设定温度时自动接通，这个功能可在控制面板上设定；第二级通过PT100检测到冷却水温度达到70℃时会自动切断加热器电源；第三级加热器本体有温度探头，当加热器达到85℃时对应的加热器自动断电，并且需要手动复位才能恢复工作，这个功能也可以在使用人员误操作导致暖缸水没有流动性时，对加热器进行断电保护，如图6、图7。
3.3 有效改造方案
根据现场观察，还有提高冷却水温度更有效的改造方案。
检查实际管系，在机体的高温水接管上寻找可供改装相应的接口，如图9所示，上部是缸头，下部是缸套，冷却水由图示缸头的左侧下箭头所指的管口进入，经过内部管路，进入缸套，在缸套内流动，经过缸头下部一圈的规则分布的10个导孔，如t箭头所指，回到缸头内，再汇入图示缸头的左侧上箭头所指的回流总管流出。对于多缸副机，多只缸头串连在一起，相互以套管连接进水/回水管，就组成进水总管和回水总管。在最后一缸的缸头上有两个圆形盲板，分别安装在进出水总管端，如图10所示。
可以利用该盲板开孔，并接入暖缸水，具体方法如下：
将图8中的2FV77阀所接的暖缸水泵吸入口，经过改装，接到图10所示的下盲板上，即接入缸头进水总管，串接安装一个截止止回阀（DN25）。拆除图8中的F4单向阀板，将暖缸泵的进出口调换，使暖缸泵从图8中的F3/F4吸水、加热、加压，经过单向截止止回阀DN25泵入缸头进水总管，循环加热后由图8中的F3/F4再回暖缸泵，就可达到暖缸的效果。如果副机运行，由于副机自带的高温水泵压力4.0bar，大于暖缸泵2.0bar的压力，所以运行的副机不会被暖缸，相反，运行副机的高温水经过图8中的F3/F4吸入暖缸系统，可以对停用的副机暖缸，应该可以达到理想的效果。
4 结束语
目前，采取一些临时措施：
（1）每次起动副机前，以分油机预加热滑油，防止刚起动时滑油高压，保护滑油滤芯。
（2）少开或停用副机边的机舱风机，提高环境温度，尽可能维持较高的缸套水温度。
众所周知，现在的大型集装箱船舶，副机随时处于备用状态，一旦开启，要在很短的时间内带上大负荷运行。若缸套水温度低于说明书要求的55℃，运动部件热度不一致，磨损腐蚀严重，甚至可能会造成机损事故。另外，按年度备件消耗统计，当暖缸温度低于55℃时，副机滑油纸质滤器使用寿命只有1个月，个别案例，副机刚起动滑油滤器就有压差报警，严重影响副机的安全使用，缸套水温度提高至70℃以上时，副机滑油滤器的使用时间可延长至4个月，按单船统计每年可以节约备件费用约为81 000元。目前该类型船舶有8艘，全年光这一项可以节约备件费用648 000元，节能降耗非常明显。
参考文献：
[1] CME-MAN L27/38.说明书.
[2] 超大型集装箱船舶图纸.
[3] 上海市航海学会.船舶主流机型服务手册（MAN2007-2011四冲程柴油机服务信函）[M].上海交大出版社.
