LNG運(yùn)輸船雙燃料柴油機(jī)燃料系統(tǒng)配置

摘 要：本文論述了船用LNG雙燃料柴油機(jī)的燃料系統(tǒng)的原理，設(shè)備配置，安全監(jiān)測與法規(guī)要求，并作NG的使用對常規(guī)柴油機(jī)的利弊分析。LNG雙燃料柴油機(jī)是指使用LNG和柴油的混合動力的柴油機(jī)，在大氣污染的時下，是一種對排氣污染有很好的改善。眾所周知，使用柴油的柴油機(jī)排放的尾氣主要有氮氧化物，硫化物，一氧化碳等。特別是硫化物，在大氣中與水霧結(jié)合，形成“酸雨”，對生物的危害極大。本人所從事的新造船中，專門有裝載低硫燃油 （Marine Gas Oil） 的油艙，MGO是指含硫量低于0.1%燃油，在歐盟海域必須用此類油。另外，氣缸燃燒后的硫化物對氣缸有很大腐蝕，因?yàn)槿紵蟮牧蚧锱c進(jìn)氣的水霧結(jié)合形成酸，腐蝕金屬構(gòu)件。所以使用不同堿值的氣缸滑油來中和不同硫含量的燃油產(chǎn)生的酸?，F(xiàn)在對燃油脫硫有很多種方法：石油生產(chǎn)過程中的堿性脫硫等。一氧化氮是無色并有刺激性的氣體，少量的一氧化氮是對人體健康是沒有明顯影響的，但大量的一氧化氮會對人的神經(jīng)中樞造成障礙。一氧化氮并與臭氧結(jié)合，生成二氧化氮。二氧化氮吸入人體后會造成輸氧能力下降，長時間會導(dǎo)致人肺氣腫死亡。減少柴油機(jī)氮氧化物的排放有很多種方法：廢氣再循化（Exhaust Gas Recirculation），燃油乳化，調(diào)節(jié)噴油定時與廢氣催化裝置等。終上所述，使用柴油的柴油機(jī)的尾氣對環(huán)境有很大危害，LNG的使用就應(yīng)運(yùn)而生，他的經(jīng)濟(jì)型與環(huán)保型使它逐漸被重視，陸地上的交通工具很多已經(jīng)長時間使用LNG燃料了，對環(huán)境污染得到很大緩解。所以，LNG新能源的應(yīng)用有很美好的前景！

關(guān)鍵詞：雙燃料柴油機(jī)；LNG新能源；燃料

一、船用傳統(tǒng)柴油機(jī)燃油系統(tǒng)原理及配置

（一）燃油系統(tǒng)簡介

一般船用燃油有重油（Heavy Fuel Oil ）輕柴油（Marine Diesel Oil）兩種。輕柴油根據(jù)國標(biāo)（GB252-81）分為0號、10號、-10號和-35號。輕柴油使用方便，不需加熱處理，易于啟動和操車，所以船舶在港口或狹小水域行駛時，柴油機(jī)必須轉(zhuǎn)化輕柴油。

重油一般是石油煉油后的最后產(chǎn)品，燃燒值高且粘度大，一般需加熱到80攝氏度左右使用，此時具有良好的流動性，對高壓油泵柱塞有很好的潤滑，重油價格相對較低，在遠(yuǎn)海航線上廣泛應(yīng)用。

（二）柴油機(jī)外界燃油系統(tǒng)與設(shè)備

在船舶兩側(cè)有加油站，不同種類的燃油有不同的管道，管道將不同的燃油加入對應(yīng)的燃油儲存艙（storage tank），儲存艙一般布置在船體最下方，并且雙殼保護(hù)，若用單層，破損導(dǎo)致泄漏，會對海洋造成污染。儲存艙配有獨(dú)立的透氣系統(tǒng)和液位（容量）遙測系統(tǒng)。

經(jīng)過燃油駁運(yùn)泵，將燃油從儲存艙駁到燃油沉淀柜。沉淀柜一般位于機(jī)艙。沉淀柜是使油通過重力分層，密度大的水和雜質(zhì)下沉到沉淀柜的底部，通過瀉放閥，初步將水和渣排出。沉淀柜有液位報警系統(tǒng)，也有高低位浮球開關(guān)，低液位時浮球開關(guān)動作，駁運(yùn)泵啟動，向沉淀柜注油，到達(dá)高液位時，高位浮球開關(guān)動作，將泵停止。

初步除雜后，沉淀柜的油到分油機(jī)，經(jīng)過分油機(jī)分離，將分好后的燃油注入到燃油日用柜。分油機(jī)采用水密封，通過高速離心旋轉(zhuǎn)，密度大的水和雜質(zhì)被分離出去，定期排出。

日用柜將油駁倒柴油機(jī)供油單元，供油單元有供油泵，將油輸送到柴油機(jī)燃油進(jìn)油口 。

1.阿法拉伐牌分油機(jī)布置圖

2.阿法拉伐牌分油機(jī)原理圖

（三）柴油機(jī)設(shè)備本體系統(tǒng)與設(shè)備

來自日用油柜，經(jīng)過分離的燃油，通過管路到達(dá)柴油機(jī)，經(jīng)過高壓油泵，將油加壓約200公斤后，通過雙層高壓油管，燃油到達(dá)噴油嘴，將油霧化，噴到氣缸燃燒做功，燃燒后，經(jīng)排氣閥，排到大氣中。

現(xiàn)在的柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)有很大的改善。

例如VIT（Various Injection Timing），通過齒條與高壓油泵套筒連接，齒條帶動高壓油泵套轉(zhuǎn)動，改變與柱塞油孔尺寸，來改變進(jìn)油量，這個裝置可以改善各個缸的噴油量差異。

高壓燃油共軌：俗稱“電噴”。傳統(tǒng)柴油機(jī)每個氣缸備有一個高壓油泵，而高壓燃油共軌柴油機(jī)配有少量的單元式高壓油泵，經(jīng)凸輪驅(qū)動，將燃油輸送到高壓燃油總管，總管通過電磁閥連接到各個氣缸的噴油嘴。根據(jù)各個氣缸的發(fā)火定時，給電磁閥信號，電磁閥開啟，將燃油噴入到氣缸。

二、LNG 雙燃料柴油機(jī)燃料原理與配置

LNG 雙燃料柴油機(jī)是指柴油機(jī)可以使用LNG與柴油的發(fā)動機(jī)，柴油系統(tǒng)與本文第一節(jié)介紹完全一致。

LNG 雙燃料柴油機(jī) 啟動時必須用柴油作為引燃油。運(yùn)行中，天然氣和柴油可以相互轉(zhuǎn)換，目前，船上大多數(shù)采用99%天然氣和1%柴油作為混合材料。

本節(jié)將著重介紹LNG燃料系統(tǒng)。

（一）什么是BOG

大型LNG運(yùn)輸船，由于在航行時LNG艙內(nèi)會產(chǎn)生大量的蒸發(fā)燃?xì)猓˙oiled Off Gas），雖然經(jīng)過不斷改進(jìn)絕緣減少蒸發(fā)，但其蒸發(fā)率還有約0.1%～0.15%，如果將這些蒸發(fā)燃?xì)庾鳛槟茉醇右岳?，則兩全其美。最簡單的處理方法是將這些船舶推進(jìn)裝置，供船舶推進(jìn)用。

2.1.1 LNG 運(yùn)輸船貨艙

（二）雙燃料柴油機(jī)LNG燃料系統(tǒng)原理及配置

LNG 進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸燃燒，一般有以下幾種方法：在進(jìn)氣增壓器前與進(jìn)氣空氣混合進(jìn)取氣缸；或在進(jìn)氣增壓器后與進(jìn)氣總管連接，隨總管進(jìn)入氣缸；直接噴入氣缸內(nèi)部等。根據(jù)本人所從事的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本文著重介紹LNG缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。

MAN-BW在ME二沖程低速柴油機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)了ME-GI型二沖程低速雙燃料柴油機(jī)，采用LNG缸內(nèi)直噴。

活塞式壓縮機(jī)高壓壓縮機(jī)BOG 進(jìn)行壓縮，向主機(jī)供氣需要兩級壓縮才能滿足，即常規(guī)的低壓壓縮機(jī)將貨艙出來的BOG壓縮到0.3 MPa～0.5MPa，再由活塞式高壓壓縮機(jī)將以壓縮到25MPa～30MPa，經(jīng)雙壁管道輸送到燃?xì)饪刂崎y組（Gas Valve Unit），經(jīng)過調(diào)壓處理。后進(jìn)入柴油機(jī)的噴氣嘴。雙壁管道是雙層管壁的管子，管壁間本質(zhì)安全型可燃?xì)怏w探測器，如果內(nèi)壁發(fā)生泄漏，當(dāng)可燃?xì)鉂舛却笥?0%LEL時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，并將雙燃料柴油機(jī)由燃?xì)饽Ｊ阶詣忧袚Q到燃油模式。此時，GVU上方為雙燃料柴油機(jī)供氣的電磁閥自動關(guān)閉，同時惰氣二氧化氮會將GVU供氣管路惰化，以完全消除爆炸的危險。

（三）雙燃料柴油機(jī)的規(guī)范要求及安全運(yùn)行監(jiān)測

可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，滿足以下要求：

1.從甲板BOG機(jī)艙供氣總管截止閥到氣體閥組的雙層壁管子的外壁上應(yīng)裝至少兩只經(jīng)認(rèn)可的本質(zhì)安全型可燃?xì)怏w探測器。

2.在GVU室，每只GVU上方需安裝至少兩只經(jīng)認(rèn)可的本質(zhì)安全型可燃?xì)怏w探測器。

3.從GVU室到雙燃料柴油機(jī)雙層壁管子的外壁上應(yīng)裝至少兩只經(jīng)認(rèn)可的本質(zhì)安全型可燃?xì)怏w探測器。當(dāng)可燃?xì)鉂舛却笥?0%LEL時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，并將雙燃料柴油機(jī)由燃?xì)饽Ｊ阶詣忧袚Q到燃油模式。此時，GVU上方為雙燃料柴油機(jī)供氣的電磁閥自動關(guān)閉，同時惰氣二氧化氮會將GVU供氣管路惰化，以完全消除爆炸的危險。

4.GVU室及雙燃料發(fā)動機(jī)間的排風(fēng)管上需裝至少兩只經(jīng)認(rèn)可的本質(zhì)安全型可燃?xì)怏w探測器。

5.為防止可燃?xì)怏w泄漏，并在雙燃料柴油機(jī)上方聚集，每臺雙燃料柴油機(jī)上方需安裝至少兩只經(jīng)認(rèn)可的本質(zhì)安全型可燃?xì)怏w探測器。

6.當(dāng)雙燃料柴油機(jī)所需要的空氣直接通過風(fēng)管取自大氣，而不是由機(jī)艙風(fēng)機(jī)供應(yīng)時，進(jìn)風(fēng)口需設(shè)置進(jìn)風(fēng)關(guān)閉裝置，并設(shè)置安裝至少兩只相互獨(dú)立經(jīng)認(rèn)可的本質(zhì)安全型可燃?xì)怏w探測器。當(dāng)探測器檢測到可燃?xì)怏w超標(biāo)并報警時，雙燃料柴油機(jī)進(jìn)風(fēng)口的關(guān)閉裝置會自動關(guān)閉以切斷雙燃料柴油機(jī)所需要的空氣，避免爆炸危險。

7.當(dāng)雙燃料柴油機(jī)以燃?xì)饽Ｊ竭\(yùn)行或是供氣設(shè)備及管系處于惰化狀態(tài)時，必須要有兩套相互獨(dú)立并能連續(xù)檢測的固定式可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)。

8.為防止設(shè)備取樣管路自身的泄漏，可燃?xì)怏w探測裝置應(yīng)能相互自檢。

9.由于維修時的安全考慮，雙燃料柴油機(jī)的曲軸箱、滑油循環(huán)艙、高溫冷卻淡水膨脹水箱、低溫冷卻水箱以及噴油嘴冷卻水均應(yīng)設(shè)有便攜式可燃?xì)怏w探測器接口及惰氣接口。

（四）LNG的使用對柴油機(jī)壽命影響

LNG燃料比柴油更清潔，對廢氣污染得到很好控制，但某些時候，控制不好會影響發(fā)動機(jī)壽命及安全操作。

柴油機(jī)是為燃燒柴油而設(shè)計(jì)的，改用天然氣后，天然氣活性較高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷奶攸c(diǎn)，因此燃燒周期長，產(chǎn)生后燃。甚至部分燃?xì)庠谏现裹c(diǎn)附件燃燒做功，會造成排溫升高，使受熱部件冷卻環(huán)境惡化，可靠性急劇下降，嚴(yán)重時不能工作；天然氣穩(wěn)定和可靠燃燒的空然比要求比柴油更窄，當(dāng)空燃比過高時，天然氣發(fā)生不著火或著火不穩(wěn)定，導(dǎo)致可燃?xì)饫速M(fèi)和發(fā)動機(jī)異常工作；當(dāng)空燃比過低時，極端情況會爆炸，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)損壞；天然氣不具備燃油的潤滑功能，加上燃燒室溫度過高，會使零件因高溫和潤滑損壞，影響發(fā)動機(jī)壽命。

參考文獻(xiàn)：

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