MAN雙燃料四沖程柴油機(jī)的油/氣混燒模式及應(yīng)用

王書雷　陳業(yè)平

摘要：隨著雙燃料四沖程柴油機(jī)在海洋工程中的不斷應(yīng)用，一些優(yōu)化功能也得到了不斷的開發(fā)和應(yīng)用。本文對MAN 51/60DF雙燃料柴油機(jī)的油/氣混燒模式進(jìn)行簡單介紹，該功能對LNG船運(yùn)營帶來的好處進(jìn)行分析，并闡述該模式的控制和使用限制條件。

關(guān)鍵詞： 雙燃料柴油機(jī) 油/氣混燒 LNG船 運(yùn)行模式

目前，應(yīng)用于LNG船舶的雙燃料四沖程柴油機(jī)主要有兩家生產(chǎn)商，分別是瓦錫蘭和曼恩。兩家雙燃料柴油機(jī)的運(yùn)行模式基本是一致的，可分為燃?xì)饽Ｊ剑℅AS MODE）、液態(tài)燃油模式（DIESEL MODE）和備用模式（BACKUP MODE）。燃?xì)饽Ｊ较码p燃料柴油機(jī)約99%的燃料為燃?xì)?，約1%的輕質(zhì)柴油作為點(diǎn)燃油（PILOT OIL）；液態(tài)燃油模式下雙燃料柴油機(jī)全部使用液態(tài)燃料，包括高壓油泵驅(qū)動(dòng)的主燃油和約1%的輕質(zhì)點(diǎn)火燃油；備用模式是在點(diǎn)火引導(dǎo)油系統(tǒng)故障時(shí)，僅依靠高壓油泵驅(qū)動(dòng)的主燃油作為全部燃料，但只能短時(shí)運(yùn)行。上述三種運(yùn)行模式可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入雙燃料柴油機(jī)氣缸內(nèi)的主燃料幾乎全部利用氣態(tài)燃料或液態(tài)燃料，運(yùn)行模式可以相互轉(zhuǎn)換，但燃油和燃?xì)庾鳛橹魅剂喜荒芡瑫r(shí)進(jìn)入柴油機(jī)氣缸。為了真正實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的雙燃料混燒運(yùn)行，MAN Diesel & Turbo公司針開發(fā)了另一運(yùn)行模式——油/氣混燒模式（Fuel-Sharing Mode），本文就MAN 51DF雙燃料柴油機(jī)使用油/氣混燒功能進(jìn)行探討。

1 油/氣混燒模式的開發(fā)

目前大型雙燃料柴油機(jī)電力推進(jìn)LNG船多數(shù)使用4～5臺(tái)雙燃料柴油機(jī)，如果某一臺(tái)雙燃料柴油機(jī)能夠液體燃料和揮發(fā)氣燃料同時(shí)混燒并根據(jù)揮發(fā)氣的量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)夂鸵簯B(tài)燃油的比率，對LNG船艙壓的控制和節(jié)能有著明顯的積極作用。MAN Diesel & Turbo 公司設(shè)計(jì)人員根據(jù)雙燃料柴油機(jī)從燃油模式轉(zhuǎn)換到燃?xì)饽Ｊ接幸欢稳加秃腿細(xì)夤餐紵倪^程為思路，經(jīng)過大量的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出了油/氣混燒這一工作模式。就是LNG揮發(fā)氣和液態(tài)燃油（MGO、MDO或HFO）可以在柴油機(jī)的同一氣缸內(nèi)共同燃燒做功，整臺(tái)柴油機(jī)所有氣缸同時(shí)以一定的氣體/液體燃料比率來使用混合燃燒的工作模式，如下圖1-1所示。

2 油/氣混燒功能的操作限制

雙燃料柴油機(jī)在油/氣混燒模式下運(yùn)行時(shí)，燃?xì)夂鸵簯B(tài)燃油共同進(jìn)入柴油機(jī)氣缸，這就要求該雙燃料柴油機(jī)既要滿足燃?xì)膺\(yùn)行的條件又要滿足液態(tài)燃油燃燒的要求。雙燃料柴油機(jī)在液態(tài)燃油模式工作的原理是基于狄賽爾循環(huán)（Diesel Cycle），而在燃?xì)饽Ｊ焦ぷ鞯脑硎腔趭W托循環(huán)（Otto Cycle）。工作原理的不同，雙燃料柴油機(jī)部件的機(jī)械性能和排放限制等要求，決定了油/氣混燒功能必然有一定的操作限制。曼恩在進(jìn)行大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)液態(tài)和氣態(tài)燃料比以及機(jī)器的負(fù)荷對油/氣混燒模式的運(yùn)行分為A1-A5個(gè)區(qū)域，可參考下圖2-1。

圖中下橫軸——?dú)鈶B(tài)燃料占總需求能量的百分比；上橫軸——液態(tài)燃料占總需求能量的百分比，兩者相加為100%。豎軸——柴油機(jī)的負(fù)荷?？梢姡?～15%MCR只能使用液態(tài)燃油；15%～100%MCR可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其中深色區(qū)域可以實(shí)行油/氣混燒，100%～110%MCR僅為頻率調(diào)節(jié)時(shí)使用，如突加負(fù)荷等。

圖2-1中的A1區(qū)域?yàn)橛?氣混燒推薦的運(yùn)行區(qū)域：該區(qū)域位于雙燃料柴油機(jī)運(yùn)行區(qū)域的中央，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加可操作區(qū)域逐漸變寬。

A2區(qū)域油/氣混燒可以運(yùn)行，但不推薦的區(qū)域。該區(qū)域總體負(fù)荷大約低于50%MCR，隨著燃?xì)庠诳偰芰康陌俜直戎饾u增加，燃油百分比隨之相應(yīng)減少，區(qū)域也隨之?dāng)U大；該區(qū)域油/氣混燒模式可以操作，但盡量避免。在本區(qū)域柴油機(jī)的負(fù)荷較低，燃?xì)饽芰空嫉谋壤^高，液態(tài)燃油比例較小，會(huì)造成霧化不良而導(dǎo)致冒黑煙。

A3區(qū)域不能進(jìn)行油/氣混燒運(yùn)行：該區(qū)域隨著負(fù)荷的增加逐漸減小，氣體進(jìn)氣閥門需要最小的開關(guān)時(shí)間，氣體噴射不能有效進(jìn)行，只能采用燃油模式。備注：燃?xì)膺M(jìn)入氣缸需要經(jīng)過燃?xì)膺M(jìn)氣閥，該進(jìn)氣閥是美國伍德沃德（WOODWARD）公司專門為雙燃料柴油機(jī)設(shè)計(jì)的電磁脈沖作用的閥門，內(nèi)部使用金屬閥片，具有一定延遲，需要最小的開關(guān)時(shí)間。

A4區(qū)域不能進(jìn)行油/氣混燒運(yùn)行：該區(qū)域?yàn)榱吮ＷC燃油霧化質(zhì)量，噴油嘴最小油量無法保證，從而無法進(jìn)行氣體混燒模式運(yùn)行，只能采用燃?xì)饽Ｊ健?/p>

A5區(qū)域不能進(jìn)行油/氣混燒運(yùn)行：出于柴油機(jī)運(yùn)行安全的考量，0～15%MCR范圍內(nèi)，雙燃料柴油機(jī)的負(fù)荷低，會(huì)造成大量沒有燃燒的燃?xì)膺M(jìn)入排氣系統(tǒng)，不允許使用氣體模式，而只能采用燃油模式。

3 油/氣混燒模式的控制

對于雙燃料柴油機(jī)電力推進(jìn)液化天然氣船，船舶的控制系統(tǒng)包含有能源管理系統(tǒng)（PMS Power Management System）和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（IAS Integrated Automation System）。為了描述油/氣混燒功能和船舶控制系統(tǒng)的界面和控制，下面以一艘雙燃料柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)的液化天然氣船中的任意兩臺(tái)雙燃料柴油機(jī)為例進(jìn)行說明如下圖所示。

根據(jù)上圖可以看出，使用油/氣混燒模式的雙燃料柴油機(jī)與沒有該模式的雙燃料柴油機(jī)，需要額外的輸入/輸出信號(hào)與船舶能源管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，是否使用油/氣混燒功能需要船員確認(rèn)的開關(guān)量信號(hào)和燃?xì)?燃油的比率的4-20毫安模擬量信號(hào)。船員根據(jù)需要對其中某臺(tái)雙燃料柴油機(jī)選擇使用油/氣混燒功能后，為了船員的操作方便，使用貨艙壓力信號(hào)作為控制信號(hào)，對燃?xì)?燃油的比率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

為了理解方便，以液化天然氣船在滿載航行時(shí)的一個(gè)操作為例來進(jìn)行說明。液化天然氣船從裝貨港開出，此時(shí)因?yàn)樨浥搩?nèi)貨物不穩(wěn)定，自然揮發(fā)氣較多而造成貨艙壓力較高。為了消耗掉該部分自然揮發(fā)氣，需要所有的雙燃料柴油機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较氯?fù)荷運(yùn)行，通過一定時(shí)間的航行后，貨艙內(nèi)揮發(fā)氣量趨于穩(wěn)定，如果柴油機(jī)消耗的燃?xì)饬看笥诜€(wěn)定的揮發(fā)量，則貨艙內(nèi)壓力逐漸降低，當(dāng)貨艙壓力降低到貨艙設(shè)定的最低值，如果還需要全負(fù)荷運(yùn)行，則燃?xì)鈱⒐┎粦?yīng)求，此時(shí)，船舶綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信號(hào)給船舶功率管理系統(tǒng)要求。a.增加一臺(tái)柴油機(jī)使用燃油補(bǔ)充功率，降低氣體燃料消耗量（無混燒功能）；b.給出指令讓其中一臺(tái)雙燃料柴油機(jī)從燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)換到油/氣混燒模式，同樣降低氣體燃料消耗量，并發(fā)出提醒信號(hào)給船員，船員需要選定一臺(tái)雙燃料柴油機(jī)，并在該臺(tái)雙燃料柴油機(jī)的控制系統(tǒng)內(nèi)通過確認(rèn)按鈕進(jìn)行確認(rèn)。這樣，該臺(tái)雙燃料柴油機(jī)就會(huì)在一定的燃?xì)?燃油比率（如20%的燃油，80%燃?xì)猓┻\(yùn)行在油/氣混燒模式。如果艙壓進(jìn)一步降低，雙燃料柴油機(jī)的控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)改變?nèi)細(xì)?燃油的比率（如30%燃油，70%燃?xì)猓?/p>

上述兩種方式都可以通過增加液體燃料、降低了氣體燃料的消耗而達(dá)到控制貨艙內(nèi)壓力的目的，但因?yàn)閍模式比b模式需要多運(yùn)行一臺(tái)柴油機(jī)。所以很明顯，b模式比a模式節(jié)能。

4 結(jié)束語

雙燃料柴油機(jī)是近年來為了滿足LNG船舶運(yùn)輸需要而開發(fā)的一種新型柴油機(jī)，油/氣混燒是為了優(yōu)化LNG船貨艙壓力而開發(fā)的特殊的操作模式。目前世界上只有MAN公司的雙燃料柴油機(jī)有此功能，而且此功能在2014年1月份才得到世界上知名的船級社（美國、法國、挪威、中國、德國和英國勞氏船級社等）的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

[1] MAN Diesel & Turbo.51/60DF Project Guide-Marine[M].Version 3.5， 2013.06，Page 2-61-63.