柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估

游哲銳

（中國(guó)船級(jí)社上海分社 上海200120）

柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估

游哲銳

（中國(guó)船級(jí)社上海分社 上海200120）

通過(guò)運(yùn)用故障模式和影響分析法，對(duì)柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)估,來(lái)確定雙燃料系統(tǒng)有關(guān)故障的風(fēng)險(xiǎn)程度，以便按照風(fēng)險(xiǎn)值的大小對(duì)相應(yīng)故障采取有效的預(yù)防措施，以提高雙燃料系統(tǒng)柴油機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。

雙燃料系統(tǒng)；柴油機(jī)；風(fēng)險(xiǎn)；分析評(píng)估；故障模式和影響分析法

引 言

隨著國(guó)際社會(huì)及航運(yùn)界對(duì)海上環(huán)境保護(hù)日趨重視，燃油成本不斷升高，使得越來(lái)越多的船東傾向于選擇更加清潔廉價(jià)的能源作為船舶動(dòng)力來(lái)源的替代燃料。雙燃料系統(tǒng)的柴油機(jī)具有燃料混合靈活以及低排放的特點(diǎn)［1］，從而在市場(chǎng)需求中脫穎而出。與此同時(shí)，雙燃料運(yùn)用所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也逐漸成為焦點(diǎn)。

近年來(lái)，由于柴油機(jī)可靠性日趨提高，更多的LNG船采用雙燃料技術(shù)的柴油機(jī)。早在2003年，MAN公司就提出ME-GI雙燃料柴油機(jī)概念［2］，航運(yùn)界對(duì)此極為關(guān)注，與此同時(shí)，業(yè)界權(quán)威也開(kāi)始對(duì)雙燃料柴油機(jī)運(yùn)用于LNG船舶進(jìn)行可行性探討。

LNG是一種潔凈高效的能源。雙燃料柴油機(jī)可充分利用LNG液艙蒸發(fā)氣（BOG）作為燃料，使用成本較低。但由于需要在機(jī)艙內(nèi)使用LNG，故在船舶上使用雙燃料柴油機(jī)的安全性值得關(guān)注。

1　柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用

早在1994年，12K80MC-GI雙燃料柴油機(jī)在日本千葉Chiba電站項(xiàng)目中作為動(dòng)力裝置采用［3］，這為后續(xù)的LNG船舶采用雙燃料技術(shù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。航運(yùn)市場(chǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、可靠性的追求，催生了ME電子控制柴油機(jī)。2004年，6S70ME-C柴油機(jī)成功運(yùn)用于LNG船，開(kāi)辟了LNG船舶采用柴油機(jī)為主動(dòng)力的時(shí)代。目前，MAN B&W MEGI 發(fā)動(dòng)機(jī)采用直噴形式，屬于高壓進(jìn)氣；瓦錫蘭DF發(fā)動(dòng)機(jī)采用支管進(jìn)氣。M.V．klatawa 是迄今記錄最早的一艘由雙燃料推進(jìn)的客渡船，2005年法國(guó)大西洋船廠建造了世界第一艘最大雙燃料LNG船。國(guó)外比較有代表性的雙燃料動(dòng)力船有：M/F Glutra、Viking Energy、Maersk Drury等。

2　雙燃料系統(tǒng)柴油機(jī)

2.1簡(jiǎn) 介

目前，相對(duì)成熟的雙燃料柴油機(jī)主要有MAN B&W ME-GI電控雙燃料柴油機(jī)及瓦錫蘭DF系列。

ME-GI，即ME engine with gas injection，是由MAN B&W公司在2005年推出的一款電子控制的雙燃料機(jī)。與過(guò)去生產(chǎn)的ME柴油機(jī)相比，該機(jī)型增加了獨(dú)立的燃?xì)夤┙o和噴射系統(tǒng)，如圖1所示。瓦錫蘭DF系列雙燃料柴油機(jī)，參見(jiàn)圖2。

圖1　ME-GI電控雙燃料柴油機(jī)系統(tǒng)

圖2　瓦錫蘭DF電控雙燃料柴油機(jī)

2.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ME-GI柴油機(jī)是以成熟電子控制式ME柴油機(jī)為基礎(chǔ)，專(zhuān)為L(zhǎng)NG市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的能燃燒天然氣和燃油的船用低速電控柴油機(jī)。它在ME電控型柴油機(jī)上安裝一個(gè)25～30 MPa壓力天然氣共軌，并對(duì)一些零部件進(jìn)行改進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)柴油和第二燃料之間的方便轉(zhuǎn)換。

瓦錫蘭DF系列柴油機(jī)運(yùn)用氣體開(kāi)關(guān)單元對(duì)從裝有低壓泵蒸發(fā)器、加熱器的LNG 箱（罐）里的氣體進(jìn)行控制。主要特點(diǎn)為該系列機(jī)型采用預(yù)噴射和預(yù)燃燒室技術(shù)，最小化點(diǎn)火油耗，提高燃燒穩(wěn)定性并減少排放。

3　柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)

柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)技術(shù)研究已有20余年，從最初的陸用到現(xiàn)今的航運(yùn)市場(chǎng)。LNG燃料動(dòng)力船的柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)一般包括燃料充裝、燃料儲(chǔ)存、燃料供應(yīng)和燃料利用，典型布置圖見(jiàn)圖3。

圖3　典型LNG船柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

從燃料特性角度考慮，配備雙燃料柴油機(jī)的LNG船，其危險(xiǎn)點(diǎn)主要在于燃料利用的機(jī)器處所以及燃料供應(yīng)的管系。

首先，在機(jī)器處所內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)、ECU（中央控制系統(tǒng)）和氣體通道管路的布置，導(dǎo)致其著火源較為集中，發(fā)動(dòng)機(jī)及其管路泄漏所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w危害性極大，極易引起火災(zāi)。且發(fā)動(dòng)機(jī)燃料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)變化，會(huì)帶來(lái)磨損、拉缸、爆燃等故障。同時(shí)，ECU（中央控制系統(tǒng)）作為控制燃料供給的中樞及紐帶，對(duì)其可靠性要求和與主機(jī)互相協(xié)調(diào)的工況能力尤為重要。

其次，管系作為燃料供應(yīng)的承接部分，其主要風(fēng)險(xiǎn)在于各個(gè)連接部位的閥件、密封接頭等，以上部分的泄漏將導(dǎo)致船體部分區(qū)域引發(fā)低溫?fù)p害及可燃?xì)怏w聚積，極易造成火災(zāi)和爆燃等危害。因此，對(duì)燃料供應(yīng)管系的安全可靠性應(yīng)嚴(yán)加控制。

綜上所述，雙燃料柴油機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括以下兩個(gè)方面：

3.1外部系統(tǒng)

3.1.1系統(tǒng)管路

燃?xì)鈬娚溟y因其工作特點(diǎn)，是燃?xì)夤┙o的主要門(mén)戶。噴射閥的密封性不好以及外部連接管路的破損，都會(huì)導(dǎo)致燃?xì)獾男孤ｋp層管路及相關(guān)密封閥件的損壞，也會(huì)導(dǎo)致燃?xì)庑孤?/p>

3.1.2密封油供給系統(tǒng)故障

在燃?xì)鈬娚溟y中，如果密封油的壓力過(guò)低，則燃?xì)鈱⒆柚谷細(xì)鈬娚淇刂齐姶砰y打開(kāi)。

3.2內(nèi)部系統(tǒng)

3.2.1燃?xì)鈬娚溟y故障

燃?xì)鈬娚溟y開(kāi)閉緩慢或者是在開(kāi)啟位置中卡死，導(dǎo)致燃?xì)獯罅繃娙霘飧?。?dāng)排氣閥打開(kāi)時(shí)，燃燒產(chǎn)物和未燃燒物在高溫環(huán)境下以混合物形式流出，進(jìn)入廢氣管路。經(jīng)過(guò)排氣閥的混合物溫度也會(huì)升得很高，當(dāng)其與廢氣混合時(shí)，因含有部分氧氣，則可能在廢氣系統(tǒng)發(fā)生劇烈燃燒，從而導(dǎo)致氣缸排溫高，甚至引發(fā)爆炸。

3.2.2控制油系統(tǒng)

控制油系統(tǒng)供油不足，將導(dǎo)致燃?xì)鈬娚淞繙p少，功率輸出下降。

3.2.3通風(fēng)系統(tǒng)故障

通風(fēng)不良，將導(dǎo)致供氣系統(tǒng)滲漏的燃?xì)饩奂?，存在潛在的著火爆炸危險(xiǎn)。

3.2.4其 他

蓄壓器能力不足，氣液分離器功能喪失等。

4　標(biāo)準(zhǔn)指南

我社在2010年12月制定的《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》第6.1條“一般規(guī)定”中指出，應(yīng)對(duì)所有可能影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的故障進(jìn)行故障模式和影響分析（FMEA），并提交分析報(bào)告［4］。

5　故障模式與影響分析

在實(shí)施故障模式和影響分析的過(guò)程中，本人制作了調(diào)查表，進(jìn)行相關(guān)調(diào)查。根據(jù)每一份調(diào)查表，將故障發(fā)生的頻次O、影響嚴(yán)重程度S和檢測(cè)難易程度D的評(píng)判結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的十分制數(shù)字。然后根據(jù)12組數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，算出算術(shù)平均并取整數(shù)，得到各個(gè)故障模式相應(yīng)O、S、D算術(shù)平均值（如公式1、2、3），并由公式4進(jìn)一步計(jì)算出各模式所對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN值。

式中：O為故障發(fā)生頻次分值，分；S為影響嚴(yán)重程度分值，分；D為檢測(cè)難易程度分值，分；N為調(diào)查次數(shù)，次。

同時(shí)，對(duì)RPN各指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，參見(jiàn)表1、表2、表3。

表1　故障發(fā)生頻次評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2　影響嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3　檢測(cè)難易程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

綜上所述，并根據(jù)第3點(diǎn)中所列舉的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行細(xì)化分析，對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)制定如表4所示詳細(xì)的FMEA表格。

表4　雙燃料柴油機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)故障模式和影響分析表

6　結(jié) 論

由表4可見(jiàn)，風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)的排名為通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)不良、燃?xì)怆p層管內(nèi)管泄漏、氣液分離器功能散失等。RPN值較大的項(xiàng)目存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，需要根據(jù)其影響嚴(yán)重程度采取專(zhuān)門(mén)的控制和預(yù)防措施。通過(guò)對(duì)柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)進(jìn)行故障模式和影響分析，旨在評(píng)估雙燃料系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)，由此來(lái)提高雙燃料船舶的安全系數(shù)，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)防。

［1］ 顧磊，張善杰.聚焦船用柴油機(jī)最新技術(shù)［J］.船舶物資與市場(chǎng)，2010（6）：36.

［2］ 單卓.MAN B&W ME-GI柴油機(jī)雙燃料系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究［D］.大連海事大學(xué)，2008：1-2.

［3］ 夏立國(guó)，翁昕昊.MAN B&W ME-GI雙燃料低速二沖程柴油機(jī)［J］.船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2012（1）：24-25.

［4］ 中國(guó)船級(jí)社.氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南［M］.北京：人民交通出版社，2010：27.

Risk analysis and evaluation of diesel dual-fuel system

YOU Zhe-rui
(CCS Shanghai Branch, Shanghai 200120,China)

Based on the failure mode and impact analysis method, this paper analyzes and evaluates the risk of diesel dual-fuel system in order to ascertain the degree of risk relating to the failure of the dual-fuel system. Therefore, the effective prevention measures can be took according to the risk level for the improvement of the security and reliability of the diesel dual-fuel system.

dual-fuel system; diesel engine; risk; analysis and evaluation; failure mode and impact analysis method

U664.121

A

1001-9855（2015）02-0070-04

2014-07-16；

2014-11-06

游哲銳（1987-），男，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程。