淺談LNG運(yùn)輸船雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)

馬 奔，曾 輝，曹成立

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自上世紀(jì)九十年代開始，天然氣作為潔凈燃料日益引起人們的關(guān)注。相對(duì)于采用煤或燃油作為燃料的船舶，采用天燃?xì)鉃槿剂系拇霸跍p少碳排放和氮氧化物污染方面優(yōu)點(diǎn)突出，使得采用LNG+燃油的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的船舶越來越受關(guān)注。特別在LNG運(yùn)輸船上應(yīng)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。LNG運(yùn)輸船每天的液貨自然汽化率為0.1%左右，可以將這部分自然汽化的天然氣用作船舶主機(jī)和發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的燃料。

本文介紹某LNG運(yùn)輸船搭載的MAN 8L51/60DF LNG+燃油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)輔助設(shè)備、運(yùn)行模式及測(cè)試結(jié)果，有助于讀者進(jìn)一步了解雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)。

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)輔助設(shè)備

2.1 燃?xì)忾y組單元（GVU）

2.1.1 GVU的組成及其功能

GVU由燃?xì)鉃V器、燃?xì)饬髁坑?jì)、燃?xì)鈮毫刂茊卧?、快速切斷閥組、透氣管路和惰性氣體接口組成。

（1）燃?xì)鉃V器

用于燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的氣體過濾，保證管路系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行。

（2）燃?xì)饬髁坑?jì)

用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀牧俊?/p>

（3）燃?xì)鈮毫刂茊卧?/p>

作用是將高、低不同的壓力信號(hào)反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)燃?xì)鈮毫M(jìn)行自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

（4）快速切斷閥組和透氣管路

作用是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤苈分锌扇細(xì)怏w探測(cè)儀檢測(cè)到可燃?xì)怏w泄漏，或在發(fā)動(dòng)機(jī)由燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)換到燃油模式時(shí)，自動(dòng)快速關(guān)閉主供氣閥，切斷燃?xì)獾墓┙o，并將GVU和GVU與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的燃?xì)夤苈分械娜細(xì)庑狗诺揭?guī)定的位置。

（5）惰性氣體接口

作用是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從燃?xì)饽Ｊ较罗D(zhuǎn)換至燃油模式，或在燃?xì)饽Ｊ较拢o急停止并快速中斷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤?yīng)之后，對(duì)GVU和GVU與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行吹掃，確保燃?xì)夤苈穬?nèi)無燃?xì)鈿埩舳粝掳踩[患。

2.1.2 GVU的設(shè)置要求

由于MAN雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所配置的GVU的燃?xì)夤艿谰鶠閱伪诠?，其閥門附件也未采取密封措施，按照氣體安全型機(jī)艙的設(shè)計(jì)要求，須在機(jī)艙外部設(shè)置單獨(dú)的房間進(jìn)行布置；并且該房間應(yīng)作為危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行管理，室內(nèi)所有的電器設(shè)備均需按照危險(xiǎn)區(qū)1的有關(guān)規(guī)定加以設(shè)定，對(duì)房間內(nèi)部空間都要設(shè)置高效的通風(fēng)系統(tǒng)，以避免燃?xì)庖馔庑孤┰谶@些房間內(nèi)積聚，并設(shè)置易燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)易燃?xì)怏w濃度實(shí)施持續(xù)的監(jiān)控。

2.2 雙壁管

貨艙LNG自然蒸發(fā)氣連接GVU雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的管路，均需采用雙壁管，且對(duì)雙壁管內(nèi)外管空間設(shè)置有效的通風(fēng)；雙壁管材質(zhì)為不銹鋼，其中內(nèi)壁管和外壁管都需要經(jīng)過焊前校管、焊后探傷、管路表面清潔鈍化及整個(gè)管路系統(tǒng)的密性和泄漏試驗(yàn)等幾個(gè)過程。

為確保燃?xì)夤┙o系統(tǒng)能夠?qū)﹄p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌呢?fù)荷變化作出快速反應(yīng)，GVU出口至雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)口之間的供給管路應(yīng)盡可能的短，MAN雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)要求該段管路≤20 m，而瓦錫蘭雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)則要求≤10 m。

2.3 引燃油單元

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较鹿ぷ鲿r(shí)，燃?xì)獗粐娙氚l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中，與空氣混合產(chǎn)生均勻的可燃混合氣進(jìn)入氣缸內(nèi)，引燃油單元引導(dǎo)燃油噴射到氣缸內(nèi)引燃混合氣。這種燃燒方式，同時(shí)具有點(diǎn)火式和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特點(diǎn)。

引燃油單元由油箱、過濾器、進(jìn)出口管路等組成，是一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)，引燃油一般使用輕柴油或船用柴油。

2.4 引燃油噴射系統(tǒng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)上除了主噴油系統(tǒng)外，還有一套獨(dú)立的引燃油噴射系統(tǒng)，它由噴油器、高壓?jiǎn)卧?、高壓管路等組成。

引燃油的噴油量，一般是根據(jù)負(fù)載的大小通過節(jié)流閥的開度來控制。節(jié)流閥由電磁信號(hào)控制，當(dāng)無電磁信號(hào)時(shí)節(jié)流閥全開；需要實(shí)時(shí)調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)來保持一定的共軌壓力，引燃油噴射系統(tǒng)最大共軌壓力為1 400 bar。

3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式

3.1 燃油模式

和傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相同，燃油的高壓油泵在凸輪軸的推動(dòng)下工作，主噴油器噴油，引燃油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)并噴油，而燃?xì)膺M(jìn)氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，見圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油模式運(yùn)行示意圖

3.2 燃?xì)饽Ｊ?/h3>

在燃?xì)饽Ｊ较?，主噴油系統(tǒng)正常工作，但油路旁通，主噴油器不噴油。燃?xì)膺M(jìn)氣閥根據(jù)負(fù)荷的大小選擇打開時(shí)間長(zhǎng)短，以控制進(jìn)氣量，見圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饽Ｊ竭\(yùn)行示意圖

3.3 油氣混燒模式

當(dāng)貨艙LNG自然蒸發(fā)氣不足，且發(fā)動(dòng)機(jī)的功率高于35%但低于85%時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入油氣混燒模式，以便更有效的控制貨艙壓力和實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率低于35%或者高于85%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為燃油模式。

3.4 備用模式

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，若機(jī)艙跳電或引燃油系統(tǒng)故障，不僅BOG供氣系統(tǒng)會(huì)停止工作，而且引燃油單元和噴射系統(tǒng)也會(huì)停止工作,不管發(fā)動(dòng)機(jī)原來處在什么模式下，都會(huì)立即自動(dòng)轉(zhuǎn)入備用模式工作,啟動(dòng)備用模式后，智能控制器就會(huì)默認(rèn)引燃油系統(tǒng)故障，需要停車排除故障后,才可以切換至其他模式,見圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)備用模式運(yùn)行示意圖

在前三種模式下，引燃油系統(tǒng)都在工作，這是因?yàn)橐３忠加蛧娪推鞯那鍧?，要求不管是在燃油模式下還是在燃?xì)饽Ｊ较露家笠加拖到y(tǒng)工作；備用模式是在引燃油系統(tǒng)出現(xiàn)故障、發(fā)動(dòng)機(jī)處于燃油模式、并且只有主噴油系統(tǒng)工作情況下的一種應(yīng)急工作狀態(tài)；廠家建議備用模式下發(fā)動(dòng)機(jī)總運(yùn)行時(shí)間不應(yīng)超過15小時(shí)，超過15小時(shí)有可能會(huì)造成引燃油噴油器損壞；LNG運(yùn)輸船試航階段，會(huì)進(jìn)行短時(shí)間的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)備用模式試驗(yàn)。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)油氣模式轉(zhuǎn)換及管路吹掃

出于安全性的考慮，ABS和LR等主要船級(jí)社都要求所有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)必須以燃油模式啟動(dòng)，目的是驗(yàn)證主燃油和引燃油系統(tǒng)是否正常，并準(zhǔn)備好隨時(shí)可以將燃?xì)饽Ｊ角袚Q到燃油模式；以燃油模式起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在切換為燃?xì)饽Ｊ街?，需要?duì)燃?xì)夤苈愤M(jìn)行吹掃，先用氮?dú)獯祾?，再用天然氣吹掃。吹掃管路，包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)帶燃?xì)夤?、船廠雙壁管與GVU相關(guān)管路。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤苈反祾?/p>

執(zhí) 行 吹 掃 指 令 時(shí)，2PV5865、3PV5865、1FSV5888A打開，吹掃壓力要高于2.8 bar；吹掃的廢氣通過透氣管排放到安全區(qū)域；吹掃結(jié)束后，這3個(gè)閥關(guān)閉；

（2）GVU管路吹掃

吹掃時(shí)，CG408、CG410、4FV-002打開，吹掃過程持續(xù)180 s；吹掃廢氣經(jīng)過透氣管，排放到安全區(qū)域；吹掃結(jié)束后，這3個(gè)閥關(guān)閉；

（3）泄漏檢測(cè)

吹掃結(jié)束后，控制程序還要執(zhí)行泄漏檢測(cè)，檢測(cè)分為三個(gè)步驟：

① 2PV5865、3PV5865打開，1PV5864關(guān)閉，燃?xì)膺M(jìn)入GVU；通過檢測(cè)1PT5865處的壓力變化（設(shè)定為30 s內(nèi)升高2 bar），判斷1PV5864是否泄漏，如果有報(bào)警，則執(zhí)行氮?dú)獯祾叱绦?；然后檢查1PV5864的情況；如果沒有報(bào)警則執(zhí)行下一步；

② 1PV5864打開，1PV5865、2PV5864關(guān)閉，通過1PT5865的壓力變化，判斷1PV5865和2PV5864是否有泄漏。如果壓力沒有升高，有可能是1PT5865或1PV5865、2PV5864有泄漏情況，這時(shí)用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃；然后檢查這三者的情況，如果沒有報(bào)警進(jìn)入下一步；

③ 1PV5864關(guān)閉；通過檢測(cè)1PT5865處的壓力變化（30 s內(nèi)降低2 bar），判斷2PV5864和1PV5865是否有泄漏。如有報(bào)警則用氮?dú)獯祾撸缓髾z查二者的情況；如果沒有報(bào)警，泄漏試驗(yàn)結(jié)束；1PV5864和1PV5865打開，2PV5865和3PV5865關(guān)閉，燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)切換為燃?xì)饽Ｊ健?/p>

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)切斷供氣試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證在切斷燃?xì)夤?yīng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)能否自動(dòng)轉(zhuǎn)換為燃油模式：

（1）關(guān)閉機(jī)艙左舷供氣主閥,檢查左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是否轉(zhuǎn)換為燃油模式；

（2）關(guān)閉機(jī)艙右舷供氣主閥,檢查右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是否轉(zhuǎn)換為燃油模式；

（3）關(guān)閉供氣總閥,檢查左、右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是否轉(zhuǎn)換為燃油模式，功率輸出是否有中斷的情況。

通過上述測(cè)試表明，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換、燃?xì)夤苈反祾?、GVU管路吹掃、泄漏檢測(cè)等方面性能良好，滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某LNG運(yùn)輸船搭載的 MAN 8L51/60DF LNG+燃油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)輔助設(shè)備的功能、運(yùn)行模式及測(cè)試結(jié)果，可供船廠工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考。隨著國(guó)家大氣環(huán)保要求的提高、國(guó)家財(cái)稅政策扶持力度的增大和LNG氣站的增加，同時(shí)伴隨著我國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，LNG運(yùn)輸船也將迎來發(fā)展的黃金時(shí)代。