大功率船用發(fā)動機高壓燃氣供氣系統(tǒng)

（湖北迪峰船舶技術(shù)有限公司，武漢 430070）

0 引言

目前船用雙燃料發(fā)動機的供氣壓力有多種，包括300 bar（1 bar=0.1 MPa）、16 bar和 6 bar～8 bar等。高壓燃氣發(fā)動機一般較多用于大型船舶，而且其功率大、單位時間內(nèi)耗氣量多，因而在整個發(fā)動機運行過程中對燃氣供給的要求相對較高，這就對燃氣供給系統(tǒng)提出了較高的要求。

ME-GI雙燃料二沖程發(fā)動機是 MAN公司生產(chǎn)的低速大功率雙燃料發(fā)動機，該機最核心的概念是缸內(nèi)燃氣直噴，即通過加壓裝置把燃氣增壓至300 bar，由燃氣噴射閥將高壓燃氣直接噴入氣缸[1]。該機型是船用高壓燃氣發(fā)動機的典型代表。

由于供氣系統(tǒng)的氣源來自常規(guī)的LNG儲罐，供氣壓力一般為4 bar～7 bar，如果要達到發(fā)動機對供氣壓力的要求，就必須采取相應(yīng)的措施，確保FGSS供氣壓力滿足MAN雙燃料二沖程發(fā)動機的要求。在系統(tǒng)設(shè)計時，對此給予了充分考慮，通過系統(tǒng)設(shè)置的設(shè)備，如LNG輸送泵、高壓泵和儲壓罐等，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、燃氣溫度適合，確保燃氣供氣品質(zhì)（壓力、溫度）達到發(fā)動機所規(guī)定的要求，并確保系統(tǒng)的安全可靠。

1 燃氣供給壓力

1.1 燃氣供給系統(tǒng)的組成

高壓燃氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備包括LNG儲罐、LNG輸送泵、高壓泵、高壓氣化/加熱器、儲壓罐和相應(yīng)閥件等。

在發(fā)動機運行過程中，當燃氣供應(yīng)系統(tǒng)給發(fā)動機供給燃氣時，首先通過高壓泵給LNG加壓，經(jīng)高壓氣化/加熱器氣化和升溫、高壓儲壓罐及調(diào)壓閥穩(wěn)壓，使燃氣品質(zhì)（溫度、壓力等）達到發(fā)動機所需要的參數(shù)要求，最后進入發(fā)動機燃燒作功，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機高壓燃氣供給系統(tǒng)基本原理

1.2 增壓方式的選擇

將4 bar～7 bar的LNG增壓至300 bar，可以采用氣態(tài)壓縮方式，也可以采用液態(tài)加壓方式。通過分析比較，選擇液態(tài)加壓比氣態(tài)加壓更經(jīng)濟，能耗相對較小。由于同種物質(zhì)氣體密度遠小于液體的密度，氣體靜壓能項數(shù)值比液體大得多，單位重量氣體要從壓縮機獲得的靜壓能比液體從泵獲得的靜壓能大得多，同等條件下，用泵加壓更節(jié)省功耗[2]。而且液態(tài)加壓泵設(shè)備體積比氣態(tài)壓縮機小得多，有利于設(shè)備在船舶上的布置。

1.3 穩(wěn)壓

ME-GI雙燃料發(fā)動機燃氣供氣壓力要求為：

100%負載時：300 bar

動態(tài)波動率：±5%

靜態(tài)波動率：±1%

供氣溫度：≤+45℃

發(fā)動機在雙燃料模式下的燃氣消耗是在 20%負荷至100%負荷之間變化的[3]。

雙燃料發(fā)動機初始運行階段以純柴油模式運行，當發(fā)動機從純柴油模式轉(zhuǎn)入雙燃料模式時，供氣系統(tǒng)的燃氣供給流量從零突然加大至發(fā)動機燃燒做功所需的流量。在流量突變的影響下，管路壓力會發(fā)生瞬間的波動及變化。其次，當發(fā)動機工況在20%負荷至100%負荷之間變化時，燃氣耗氣量也在不斷變化，耗氣量的變化使得管路的壓力在瞬間不斷地變化波動[4]。

由于發(fā)動機供氣壓力高（300 bar），為保證連續(xù)穩(wěn)定的供氣壓力及供氣安全，從以下幾個方面加以考慮：

1）LNG輸送泵

為了維持系統(tǒng)供氣壓力，LNG高壓泵必須連續(xù)運行。雖然高壓泵具有一定的自吸能力，但由于高壓泵所處的燃料準備間距LNG儲罐有一定距離，且受管路摩擦阻力的影響，以及船舶在航行中出現(xiàn)搖晃時導(dǎo)致高壓泵進口端出現(xiàn)瞬間真空，從而使供氣管道壓力出現(xiàn)波動。當壓力波動超過動態(tài)波動率時，就會影響發(fā)動機的正常運行。為保證發(fā)動機連續(xù)穩(wěn)定運行，在高壓泵進口端（儲罐內(nèi)或管路中）設(shè)置了LNG輸送泵，向高壓泵提供連續(xù)不斷的LNG，確保高壓泵在任何狀態(tài)下進口端不會出現(xiàn)真空狀態(tài)，使供氣系統(tǒng)連續(xù)可靠運行。

2）變頻高壓泵

ME-GI雙燃料發(fā)動機滿工況燃氣供氣壓力為300 bar，為維持壓力穩(wěn)定，高壓泵需連續(xù)不斷的運行。為了穩(wěn)定供氣變量條件下的供氣壓力，采用變頻電機驅(qū)動的高壓泵。變頻電機可實現(xiàn)8 Hz～50 Hz自動無級變速，轉(zhuǎn)速可以根據(jù)高壓儲壓罐的壓力控制跟蹤調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)供氣壓力的恒定[5]。當系統(tǒng)消耗氣量降低時，高壓泵提供的LNG量大于系統(tǒng)消耗量，自動控制變頻電機降低轉(zhuǎn)速，減少輸出 LNG量；反之則提高電機轉(zhuǎn)速增加LNG量，以保持穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力值。此外，采用的變頻高壓泵具有電機壽命長、故障率低和節(jié)能等優(yōu)點。

3）高壓氣化/加熱器

高壓氣化/加熱器是確保供氣品質(zhì)的重要設(shè)備之一，既要保證足夠的 LNG氣化量供給發(fā)動機，又要確保氣化后的燃氣溫度滿足發(fā)動機的要求，同時還要考慮換熱器在高壓、低溫狀態(tài)下的可靠性和使用壽命。因此選擇了繞管式氣化/加熱器的結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)型式具有良好的換熱效率，同時具有結(jié)構(gòu)相對緊湊、耐高壓、密封可靠、熱膨脹可自行補償?shù)奶攸c[6]，氣化/加熱器的這些特點可提高系統(tǒng)的安全性。

相對于其他結(jié)構(gòu)型式的換熱器，繞管式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊的特點有利于設(shè)備在船上的安裝布置。

為了保證燃氣溫度滿足發(fā)動機的供氣要求，采用兩個措施：（1）LNG氣化/加熱介質(zhì)-水/乙二醇溶液加熱器出口設(shè)置溫控閥，控制水/乙二醇溶液最高溫度不超過發(fā)動機供氣溫度；（2）LNG氣化/加熱器的水/乙二醇溶液進口設(shè)溫控閥，由LNG氣出口溫度傳感器控制水/乙二醇溶液流量，最終控制供氣溫度，使之達到發(fā)動機所需要的燃氣進機溫度要求。

圖2 繞管式氣化/加熱器

4）高壓儲壓罐

由于ME-GI雙燃料發(fā)動機滿負荷工況燃氣供氣壓力為300 bar，發(fā)動機工況在20%負荷至100%負荷之間變化，耗氣量也隨之不斷變化。當發(fā)動機由 20%負荷至100%負荷變化或由100%負荷至20%負荷變化時，系統(tǒng)的供氣壓力有可能會超過發(fā)動機規(guī)定的動態(tài)波動率±5%的要求，發(fā)動機就會出現(xiàn)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的情況。

為了保證發(fā)動機的穩(wěn)定運行，考慮設(shè)置一個高壓儲壓罐，用于補償系統(tǒng)瞬間出現(xiàn)的壓力波動，穩(wěn)定系統(tǒng)供氣壓力。儲壓罐猶如一只柔軟的彈簧，起到吸收流體脈動作用，以減少瞬間壓力波動[7]。

同時儲壓罐的壓力值也為高壓泵的運行提供了控制參數(shù)，通過儲壓罐的壓力值間接控制高壓泵電機的轉(zhuǎn)速達到調(diào)節(jié)高壓泵LNG的供給量，使系統(tǒng)壓力始終處在發(fā)動機要求的穩(wěn)定狀態(tài)，也提高了系統(tǒng)冗余。

在開展上述研究工作的同時，運用油氣系統(tǒng)工藝仿真軟件Aspen HYSYS和換熱器單元仿真軟件Aspen Shell & Tube Exchanger對系統(tǒng)進行仿真模擬，對相關(guān)參數(shù)進行校核，確認相關(guān)設(shè)備選型的合理性，并基于計算結(jié)果對工藝系統(tǒng)及設(shè)備選型進行優(yōu)化；同時開展“LNG燃料高壓供氣系統(tǒng)危險源辨識（HAZID）分析”和“船舶LNG發(fā)動機燃料儲存及供給系統(tǒng)危險與可操作性（HAZOP）分析”，對船舶運營過程中LNG燃料儲存、供給系統(tǒng)存在的潛在危險進行識別，為系統(tǒng)優(yōu)化提供了詳實的理論分析支撐。

在上述設(shè)備配置基礎(chǔ)上，再做好高壓泵出液壓力聯(lián)鎖、氣化器后溫度聯(lián)鎖以及氣化器后壓力聯(lián)鎖控制，使系統(tǒng)在安全可靠的前提下滿足發(fā)動機穩(wěn)定運行需求。

2 結(jié)論

IMO決定：自2020年實施0.5%的全球硫限制，也就是在《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）附則VI下的要求在硫排放控制區(qū)（ECA）以外航行的所有船舶使用硫含量不高于 0.5%的燃油。隨著全球ECA區(qū)不斷設(shè)立，雙燃料發(fā)動機、純氣體燃料發(fā)動機或其他清潔燃料發(fā)動機的應(yīng)用將會越來越多。

因此，在推廣使用LNG燃料發(fā)動機的時候，應(yīng)該關(guān)注使用過程中供氣系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠，確保發(fā)動機在使用清潔燃料時真正做到運行高效、綠色環(huán)保。

[1] 高子朋, 詹宇, 王民, 等.船用ME-GI雙燃料發(fā)動機技術(shù)分析[J].中國船檢, 2014(10)： 68-70.

[2] 劉浩, 金國強.LNG接收站BOG氣體處理工藝[J].化工設(shè)計, 2006(1)： 13-16.

[3] 馬義平, 王忠誠, 時繼東, 等.曼恩和瓦西蘭船用二沖程雙燃料發(fā)動機之比較[J].船舶動力裝置,2015(5)： 94-98.

[4] 劉明輝, 劉玉蘭, 祝冰峰.大功率二沖程發(fā)動機燃氣供氣系統(tǒng)概述[J].機電設(shè)備, 2016(1)： 27-29.

[5] 謝水英, 韓承江, 徐偉君.螺桿式空壓機變頻節(jié)能改造[J].中國現(xiàn)代教育裝備, 2010(22)： 30-33.

[6] 浦暉, 陳杰.繞管式換熱器在大型天然氣液化裝置中的應(yīng)用及國產(chǎn)化分析[J].制冷技術(shù), 2011(3)：24-27.

[7] 樊長博, 張來斌, 王朝暉, 等.往復(fù)式壓縮機氣體管道振動分析及消振方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007(7)： 1309-1312.