LNG運輸船雙燃料柴油機燃料系統配置

摘 要：本文論述了船用LNG雙燃料柴油機的燃料系統的原理，設備配置，安全監測與法規要求，并作NG的使用對常規柴油機的利弊分析。LNG雙燃料柴油機是指使用LNG和柴油的混合動力的柴油機，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，因為燃燒后的硫化物與進氣的水霧結合形成酸，腐蝕金屬構件。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生的酸。現在對燃油脫硫有很多種方法：石油生產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中樞造成障礙。一氧化氮并與臭氧結合，生成二氧化氮。二氧化氮吸入人體后會造成輸氧能力下降，長時間會導致人肺氣腫死亡。減少柴油機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，調節噴油定時與廢氣催化裝置等。終上所述，使用柴油的柴油機的尾氣對環境有很大危害，LNG的使用就應運而生，他的經濟型與環保型使它逐漸被重視，陸地上的交通工具很多已經長時間使用LNG燃料了，對環境污染得到很大緩解。所以，LNG新能源的應用有很美好的前景！

關鍵詞：雙燃料柴油機；LNG新能源；燃料

一、船用傳統柴油機燃油系統原理及配置

（一）燃油系統簡介

一般船用燃油有重油（Heavy Fuel Oil ）輕柴油（Marine Diesel Oil）兩種。輕柴油根據國標（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，柴油機必須轉化輕柴油。

重油一般是石油煉油后的最后產品，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，在遠海航線上廣泛應用。

（二）柴油機外界燃油系統與設備

在船舶兩側有加油站，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，若用單層，破損導致泄漏，會對海洋造成污染。儲存艙配有獨立的透氣系統和液位（容量）遙測系統。

經過燃油駁運泵，將燃油從儲存艙駁到燃油沉淀柜。沉淀柜一般位于機艙。沉淀柜是使油通過重力分層，密度大的水和雜質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，也有高低位浮球開關，低液位時浮球開關動作，駁運泵啟動，向沉淀柜注油，到達高液位時，高位浮球開關動作，將泵停止。

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

日用柜將油駁倒柴油機供油單元，供油單元有供油泵，將油輸送到柴油機燃油進油口 。

1.阿法拉伐牌分油機布置圖

2.阿法拉伐牌分油機原理圖

（三）柴油機設備本體系統與設備

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

現在的柴油機的燃油系統有很大的改善。

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動，改變與柱塞油孔尺寸，來改變進油量，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”。傳統柴油機每個氣缸備有一個高壓油泵，而高壓燃油共軌柴油機配有少量的單元式高壓油泵，經凸輪驅動，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。根據各個氣缸的發火定時，給電磁閥信號，電磁閥開啟，將燃油噴入到氣缸。

二、LNG 雙燃料柴油機燃料原理與配置

LNG 雙燃料柴油機是指柴油機可以使用LNG與柴油的發動機，柴油系統與本文第一節介紹完全一致。

LNG 雙燃料柴油機 啟動時必須用柴油作為引燃油。運行中，天然氣和柴油可以相互轉換，目前，船上大多數采用99%天然氣和1%柴油作為混合材料。

本節將著重介紹LNG燃料系統。

（一）什么是BOG

大型LNG運輸船，由于在航行時LNG艙內會產生大量的蒸發燃氣（Boiled Off Gas），雖然經過不斷改進絕緣減少蒸發，但其蒸發率還有約0.1%～0.15%，如果將這些蒸發燃氣作為能源加以利用，則兩全其美。最簡單的處理方法是將這些船舶推進裝置，供船舶推進用。

2.1.1 LNG 運輸船貨艙

（二）雙燃料柴油機LNG燃料系統原理及配置

LNG 進入發動機氣缸燃燒，一般有以下幾種方法：在進氣增壓器前與進氣空氣混合進取氣缸；或在進氣增壓器后與進氣總管連接，隨總管進入氣缸；直接噴入氣缸內部等。根據本人所從事的項目經驗，本文著重介紹LNG缸內直噴系統。

MAN-BW在ME二沖程低速柴油機的基礎上開發了ME-GI型二沖程低速雙燃料柴油機，采用LNG缸內直噴。

活塞式壓縮機高壓壓縮機BOG 進行壓縮，向主機供氣需要兩級壓縮才能滿足，即常規的低壓壓縮機將貨艙出來的BOG壓縮到0.3 MPa～0.5MPa，再由活塞式高壓壓縮機將以壓縮到25MPa～30MPa，經雙壁管道輸送到燃氣控制閥組（Gas Valve Unit），經過調壓處理。后進入柴油機的噴氣嘴。雙壁管道是雙層管壁的管子，管壁間本質安全型可燃氣體探測器，如果內壁發生泄漏，當可燃氣濃度大于30%LEL時，系統會發出聲光報警，并將雙燃料柴油機由燃氣模式自動切換到燃油模式。此時，GVU上方為雙燃料柴油機供氣的電磁閥自動關閉，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）雙燃料柴油機的規范要求及安全運行監測

可燃氣體探測系統設計時，滿足以下要求：

1.從甲板BOG機艙供氣總管截止閥到氣體閥組的雙層壁管子的外壁上應裝至少兩只經認可的本質安全型可燃氣體探測器。

2.在GVU室，每只GVU上方需安裝至少兩只經認可的本質安全型可燃氣體探測器。

3.從GVU室到雙燃料柴油機雙層壁管子的外壁上應裝至少兩只經認可的本質安全型可燃氣體探測器。當可燃氣濃度大于30%LEL時，系統會發出聲光報警，并將雙燃料柴油機由燃氣模式自動切換到燃油模式。此時，GVU上方為雙燃料柴油機供氣的電磁閥自動關閉，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室及雙燃料發動機間的排風管上需裝至少兩只經認可的本質安全型可燃氣體探測器。

5.為防止可燃氣體泄漏，并在雙燃料柴油機上方聚集，每臺雙燃料柴油機上方需安裝至少兩只經認可的本質安全型可燃氣體探測器。

6.當雙燃料柴油機所需要的空氣直接通過風管取自大氣，而不是由機艙風機供應時，進風口需設置進風關閉裝置，并設置安裝至少兩只相互獨立經認可的本質安全型可燃氣體探測器。當探測器檢測到可燃氣體超標并報警時，雙燃料柴油機進風口的關閉裝置會自動關閉以切斷雙燃料柴油機所需要的空氣，避免爆炸危險。

7.當雙燃料柴油機以燃氣模式運行或是供氣設備及管系處于惰化狀態時，必須要有兩套相互獨立并能連續檢測的固定式可燃氣體探測系統處于運行狀態。

8.為防止設備取樣管路自身的泄漏，可燃氣體探測裝置應能相互自檢。

9.由于維修時的安全考慮，雙燃料柴油機的曲軸箱、滑油循環艙、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設有便攜式可燃氣體探測器接口及惰氣接口。

（四）LNG的使用對柴油機壽命影響

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，控制不好會影響發動機壽命及安全操作。

柴油機是為燃燒柴油而設計的，改用天然氣后，天然氣活性較高，火焰傳播速度慢的特點，因此燃燒周期長，產生后燃。甚至部分燃氣在上止點附件燃燒做功，會造成排溫升高，使受熱部件冷卻環境惡化，可靠性急劇下降，嚴重時不能工作；天然氣穩定和可靠燃燒的空然比要求比柴油更窄，當空燃比過高時，天然氣發生不著火或著火不穩定，導致可燃氣浪費和發動機異常工作；當空燃比過低時，極端情況會爆炸，導致發動機損壞；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，影響發動機壽命。

參考文獻：

[1] 中國船舶工業集團公司 船舶設計實用手冊輪機分冊.北京：國防工業出版社，2013.

[2] 上海船舶工藝研究所.中國LNG船發展報.2015 .