飞机发动机水洗项目节能量核算方法研究

2021-03-03朱盈

上海节能 2021年2期

朱盈

上海城市交通设计院有限公司

0 概述

节能是指在满足相等需要或达到相同目的条件下，使能源消费量减少。能源的减少即是节能，其减少的数量即为节能的数量。降低能耗、减少排放是节能减排工作的重要任务，政府部门通过各种扶持政策，激励企业采用先进的节能技术，降低能源消耗和污染物排放。在技术推广的初期，政府会发放一定的补贴，给予企业资金支持。补贴的计算，往往需要考虑项目的节能效果。因此，准确计算节能量成为补贴测算的关键。本文主要阐述对飞机发动机水洗项目节能量核算方法的研究。

1 发动机水洗节能技术原理

航空发动机在不同的环境中工作（工业污染地区、含盐分的空气、鸟击等），污物在发动机零部件表面不断积累，特别是在压气机的叶片上，导致叶片气动效率下降，压气机和整个发动机效率降低；发动机喘振裕度下降，增加了喘振的风险；发动机性能降低，单位燃油消耗率增加，飞行和维修成本增加。

发动机水洗是当发动机的EGT（排气温度）升高达到警戒值，需要立即安排对发动机气路进行清洗，主要是针对发动机内进行清洗。工程师根据发动机维护手册的有关清洗规定，对清洗发动机的用水流速和温度都有严格的计量要求。发动机清洗车是由不锈钢药水箱和不锈钢清水箱,按飞行手册相应工卡要求，分别充入额定的清洗剂溶液和纯净软水，经汽油水泵机组增压调压后，通过阀门、管道等将清水或药水按一定流量喷射到需要清洗的部件。

清洗过程中水温、水枪角度、时间都很重要。严格按照清洗规定，才能达到最佳冲洗效果，从而降低发动机的EGT（排气温度），延长发动机使用寿命。

对发动机水洗后能够有效降低影响发动机性能的EGT（排气温度），保持发动机性能，提高燃油效率[1]。图1为水洗车及其工作时的照片。

图1 水洗车及其工作场景

2 常规节能量核算方法[2,3]

按常规节能减排项目节能量的计算方法，根据项目实施前、后单耗的变化量乘以项目实施后一年的单位量。

2.1 单位节能量的计算

1)项目实施前单机单位能耗量的确定

利用项目实施前（项目实施前工况应与实施后类似）单架飞机每班次的能耗量（单位：toe，注1）和单位量（注2），确定项目实施前一年每架飞机的单位能耗量。

式中，i=1…n,为班次号。

注1：航油的折标油系数为：1．03 kgoe/kg航空煤油。

注2：单位量应该依据项目特点而定，可为周转量或其他等。如为周转量，则

周转量=货运量×载货里程，空载飞行不计入周转量。

2）项目实施后单机单位能耗的确定

利用项目实施后实际的单架飞机每班次的能耗量（单位：toe）和实际单位量，确定项目核算期（1年）单架飞机的单位能耗量。

式中，i=1…n,代表班次号。

3）项目内单架飞机的单位节能量的确定

项目内单架飞机的单位节能量为项目实施前1年内每架飞机的单位能耗量与项目实施后核算期内每架飞机的单位能耗量之差。

项目内单架飞机的单位节能量=项目实施前单架飞机的单位能耗量-项目实施后单架飞机的单位能耗量

2.2 项目节能量的确定

依据项目内单架飞机的单位节能量和运行期（1年）内实际单位量，即可求得该项目内单架飞机的节能量（单位：toe）。

项目内单架飞机的节能量=项目内单架飞机的单位节能量×项目运行期内单架飞机的实际单位量

其中，j=1…m，代表项目内的飞机编号。

2.3 方法的弊端

采用常规节能量核算方法，提取某航空公司一架空客A320飞机，水洗前单耗、水洗后单耗及飞行时间数据，计算如下：

节能量=(改造前飞机小时油耗-改造后飞机小时油耗)×改造后飞机年飞行小时

=(2540．97-2612．33)×6851．16×10-3

=-488．90 toe

从计算结果可以看出，采用常规节能量核算方法，会出现项目节能量计算值为负值或节能率波动较大的现象。主要原因为：飞机在实际运行中耗油受到气象条件、飞行高度、巡航速度、载重量、航程和航线航向等多种因素的影响，难以准确找到水洗前后完全一致的飞行工况进行油耗对比。水洗技术本身的节能率较小，受各种因素的影响较大。因此，采用常规方法难以得出满意的计算结果。

3 Delta FF曲线法

Delta FF曲线直接反映了发动机油耗随时间变化的趋势。从曲线变化的趋势与发动机水洗点的关系可以看出，水洗后的发动机油耗有明显的下降。

图2为某航空公司A320飞机的一个发动机水洗前后Delta FF的变化曲线。一年水洗次数为4次。

图2 水洗前后Delta FF的变化曲线

为了简化节能量的计算，将某次水洗后直至下一次水洗前的Delta FF的变化曲线近似为一根直线。近似后的直线为图3中的曲线1至3。

图3 近似后的曲线

假设发动机不清洗Delta FF的变化趋势即变化率与清洗后的变化趋势一致。因此我们将曲线2平移到曲线1的终点，形成一个平行四边形。此平行四边形的面积即为清洗前后的节能量。见图4中①、②区域。

图4 近似后的平行四边形区域

节能量核算过程:

1）单架飞机某个发动机两次水洗间产生的节能量计算

单架飞机某个发动机两次水洗间产生的节能量（单位：toe）计算公式如下：

节能量=-（水洗后Delta FF-水洗前Delta FF）×Baseline fuel flow×飞行小时数×1．03×10-3

注:①Baseline fuel flow—发动机燃料流量期望值（基线），一般基于飞机制造商的性能手册、飞行试验结果或企业该机型的平均单耗确定（单位：kg航空煤油/h）

②水洗前Delta FF—某次水洗之前的发动机的燃油流量偏差占“Baseline fuel flow”的百分率，数值可从Delta FF的变化曲线图（图4）上读取。

③水洗后Delta FF—某次水洗之后的发动机的燃油流量偏差占“Baseline fuel flow”的百分率，数值可从Delta FF的变化曲线图（如图4所示）上读取。

④飞行小时数—该发动机某次水洗与下次水洗之间的飞机飞行小时数。

⑤航油的折标油系数为：1．03 kgoe/kg航空煤油。

2）项目内单架飞机的年节能量的确定

式中，i=1…n,代表第i次水洗，n代表项目运行期一年内水洗次数。

3）项目节能量的确定

依据项目内所有飞机的节能量（单位：toe），计算公式如下：

其中，j=1…m，代表项目内的飞机编号。

4 Delta FF曲线法计算示例

本示例抽取某航空公司的飞机发动机水洗项目中的4架飞机共8个发动机，采用水洗技术后的能耗数据及部分Delta FF截图，见表1和图5。

图5 部分Delta FF截图

4架飞机总的节能量为 121 872．897（kg标准油），即 121．87 t标准油。表 1中的Baseline fuel flow（发动机燃料流量期望值）采用该航空公司连续三年A320全机队航空煤油平均单耗的50%，50%表明针对一个发动机。Baseline fuel flow数据见表2。水洗记录见表3。