21/31型發電柴油機燃油供給系統優化設計與實現

潘學義 趙富國 譚 鵬

（中國衛星海上測控部，江蘇無錫214431）

0 引言

某船動力機艙的布置滿足國際海事組織最新船舶規范，分為前后主、輔機艙，以保證更高的船舶安全性。在前后輔機艙各安裝有3臺5 L 21/31型主發電柴油機，額定功率1 000 kW，完全能夠滿足某船特裝設備和通用設備的用電需求。針對后輔機艙頻繁出現的燃油進機壓力低、啟動失敗報警現象，崗位人員結合機艙布局進行系統排查，最終提出了改造方案，有效解決了無法啟機的設計缺陷。

1 系統描述

1.1 故障情況

位于前后輔機艙的6臺主發電柴油機在運行過程中總體狀態平穩，但后輔機艙3臺柴油機頻繁出現啟動失敗報警。經排查，燃油進機壓力低、燃油系統進氣是導致啟動失敗的直接原因。對比前后輔機艙的設備狀態后發現，前輔機艙燃油系統均無進氣和低壓現象。

5 L 21/31型柴油機各缸均有獨立的噴油裝置，包括高壓油泵、高壓油管和噴油器等。柱塞式高壓油泵安裝在滾輪導筒上方，滾輪導筒座直接安裝于噴油凸輪軸上。高壓油泵是由凸輪軸凸輪通過裝在滾輪導筒內的滾輪導筒驅動的。如果高壓油泵前端的燃油系統進入空氣（空氣的密度比燃油小），高壓油泵在工作時就會一直吸前端的空氣，并將空氣壓縮后送入噴油器，此時噴油器無法噴油，而是將前端的空氣壓縮后送入氣缸，從而使柴油機無法正常發火，導致啟動失敗。

1.2 原因分析

經過相關技術分析排查和現場勘驗，發現后輔機艙燃油日用柜的高度比前輔機艙低一層（一層高度大約2 m），而壓力是指垂直作用在物體表面的力，壓強表示壓力的作用效果，是指單位面積上受到的壓力。壓強公式：P=ρgh，與高度成正比；壓力公式：F=PS=ρghS（ρ≈0.815 kg/m3，S≈0.001 m2）。由此可見，后輔機艙的柴油機燃油進機壓力要比前輔機艙大約低16 kPa（0.16 bar），由于某船5 L 21/31型柴油機燃油系統管路上沒有供給泵，在停機狀態下，由燃油日用柜相對于柴油機的高度產生的壓差提供燃油進機壓力；在柴油機啟動運行后，依靠機帶燃油泵提供穩定的燃油進機壓力。啟動統計情況如表1所示。

1.3 設計缺陷

現場勘驗發現，前輔機艙燃油日用柜位于平臺甲板，柴油機位于底艙，而后輔機艙燃油日用柜和柴油機均位于平臺甲板，因此，后輔機艙日用柜無法在停機狀態下保證足夠的燃油進機壓力。燃油系統部件無法保證絕對密封，從而引起燃油系統進氣，在柴油機啟動時引發燃油進機壓力低和啟動失敗的報警。

表1 系泊試驗期間啟動統計表

2 優化設計方案

2.1 優化方案一

針對上述故障及原因分析，結合機艙設計布局，崗位人員結合自身經驗，提出在原有的燃油系統管路上加裝一臺預供泵，為后輔機艙4、5、6號發電柴油機提供穩定可靠的進機壓力，并在原有的燃油管路上加裝截止閥，防止燃油倒流回燃油日用柜。

系統優化設計方案如圖1所示。

圖1 系統優化設計方案一

此方案能夠為燃油系統提供穩定的進機壓力，但是存在改造困難、工程量大、費用高、泵部可靠性差等原因，與下面的方案二相比較不確定性因素過多，故本文不推薦采用此方案。

2.2 優化方案二

方案二對現有燃油系統管路的改造措施如下：首先利用鍋爐燃油柜位于上甲板，高出后輔機艙2層的高度優勢（大約4 m），對后柴油機形成足夠的壓差，再進一步合理設計管路。在停機狀態下，通過鍋爐燃油柜提供燃油進機壓力，將管路中空氣排出，保證管路中充滿燃油。當柴油機啟動運行后，再由機帶燃油泵提供進機油壓。

具體方案如下：在鍋爐燃油柜上引出三路管系（本文稱其為“注油管路”）分別接入4、5、6號發電柴油機的燃油進機管路，保證柴油機停機時的燃油壓力。

系統優化設計方案如圖2所示。

圖2 系統優化設計方案二

由于鍋爐燃油柜容量有限，柴油機運行時必須消耗燃油日用柜的燃油，本文設計在鍋爐油柜引出的三路管系和燃油日用柜至柴油機的供油管路上分別加裝VCSF11FEB型控制電磁閥，并將該型控制電磁閥的開關信號采集點接入柴油機滑油預供泵的啟停開關。

在柴油機停機過程中，當滑油壓力低于110 kPa（1.1 bar）時，滑油預供泵自動啟動運行，此時，注油管路上的電磁閥自動打開，而供油管路上的電磁閥自動關閉，在柴油機停機狀態下確保燃油系統壓力正常，為下一次啟動提供良好的狀態。在啟機過程中，當滑油壓力超過110 kPa（1.1 bar）時，滑油預供泵自動停止運行，此時，注油管路上的電磁閥自動關閉，而供油管路上的電磁閥自動打開，此時，柴油機轉速不斷升高，機帶燃油泵已逐步建立油壓，完全能夠為柴油機運行提供穩定的燃油供給。

3 效果驗證

在塢修過程中，經崗位人員積極要求，已按照本文的優化思路對燃油管路系統重新進行設計改造，采用油路加裝電磁閥控制與柴油機預潤滑系統聯控方案，消除了燃油日用柜相對于柴油機的高度產生的壓差太小的缺陷，提高了燃油進機壓力；在柴油機啟動運行后，再依靠機帶燃油泵提供穩定的燃油進機壓力。徹底解決了后輔機艙3臺柴油發電機長期出現啟動困難和啟機失敗現象，經設備運行驗證，4、5、6號發電柴油機在停機狀態下燃油進機壓力均正常，數值為40 kPa（0.4 bar），如圖3所示；在啟機狀態下，燃油進機壓力如圖4所示。

圖3 優化設計后柴油機燃油進機壓力

圖4 優化設計后柴油機動態燃油進機壓力

通過柴油機靜態與實際運行參數圖及表2啟動情況統計表可以看出，優化設計后，靜態燃油壓力與動態燃油進機壓力有了明顯的優化提高，燃油進機壓力低導致啟動失敗故障徹底消除，且未引發任何新的故障隱患。由此可見，本文提出的系統改造設計方案是正確可靠的，柴油機啟動失敗這一故障得到了有效解決。

表2 優化設計后啟動統計表

4 結語

本文針對某船柴油機出現的啟動失敗這一現象進行分析，歸納出了其發生的原因，提出了優化解決思路。通過驗證，優化設計方案有效提高了某船主發電柴油機的穩定性和實用性，對于類似問題的解決有一定的借鑒意義，能夠更經濟、更實用、更簡便地解決此類問題。