淺談LNG運輸船雙燃料發動機燃氣系統

馬 奔，曾 輝，曹成立

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

1 前言

隨著科學技術的發展，自上世紀九十年代開始，天然氣作為潔凈燃料日益引起人們的關注。相對于采用煤或燃油作為燃料的船舶，采用天燃氣為燃料的船舶在減少碳排放和氮氧化物污染方面優點突出，使得采用LNG+燃油的雙燃料發動機技術的船舶越來越受關注。特別在LNG運輸船上應用，具有明顯的經濟性。LNG運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和發電機原動機的燃料。

本文介紹某LNG運輸船搭載的MAN 8L51/60DF LNG+燃油雙燃料發動機燃氣系統輔助設備、運行模式及測試結果，有助于讀者進一步了解雙燃料發動機的工作特點。

2 雙燃料發動機燃氣系統輔助設備

2.1 燃氣閥組單元（GVU）

2.1.1 GVU的組成及其功能

GVU由燃氣濾器、燃氣流量計、燃氣壓力控制單元、快速切斷閥組、透氣管路和惰性氣體接口組成。

（1）燃氣濾器

用于燃氣管道系統的氣體過濾，保證管路系統設備正常運行。

（2）燃氣流量計

用于測量發動機的燃氣消耗量。

（3）燃氣壓力控制單元

作用是將高、低不同的壓力信號反饋給發動機控制系統，對燃氣壓力進行自動控制和實時調節。

（4）快速切斷閥組和透氣管路

作用是當發動機燃氣管路中可燃氣體探測儀檢測到可燃氣體泄漏，或在發動機由燃氣模式轉換到燃油模式時，自動快速關閉主供氣閥，切斷燃氣的供給，并將GVU和GVU與發動機之間的燃氣管路中的燃氣泄放到規定的位置。

（5）惰性氣體接口

作用是當發動機從燃氣模式下轉換至燃油模式，或在燃氣模式下，緊急停止并快速中斷發動機的燃氣供應之后，對GVU和GVU與發動機之間的燃氣管道進行吹掃，確保燃氣管路內無燃氣殘留而留下安全隱患。

2.1.2 GVU的設置要求

由于MAN雙燃料發動機所配置的GVU的燃氣管道均為單壁管，其閥門附件也未采取密封措施，按照氣體安全型機艙的設計要求，須在機艙外部設置單獨的房間進行布置；并且該房間應作為危險區域進行管理，室內所有的電器設備均需按照危險區1的有關規定加以設定，對房間內部空間都要設置高效的通風系統，以避免燃氣意外泄漏在這些房間內積聚，并設置易燃氣體探測系統，對易燃氣體濃度實施持續的監控。

2.2 雙壁管

貨艙LNG自然蒸發氣連接GVU雙燃料發動機的管路，均需采用雙壁管，且對雙壁管內外管空間設置有效的通風；雙壁管材質為不銹鋼，其中內壁管和外壁管都需要經過焊前校管、焊后探傷、管路表面清潔鈍化及整個管路系統的密性和泄漏試驗等幾個過程。

為確保燃氣供給系統能夠對雙燃料發動機在燃氣模式下的負荷變化作出快速反應，GVU出口至雙燃料發動機燃氣進口之間的供給管路應盡可能的短，MAN雙燃料發動機要求該段管路≤20 m，而瓦錫蘭雙燃料發動機則要求≤10 m。

2.3 引燃油單元

當發動機在燃氣模式下工作時，燃氣被噴入發動機進氣管中，與空氣混合產生均勻的可燃混合氣進入氣缸內，引燃油單元引導燃油噴射到氣缸內引燃混合氣。這種燃燒方式，同時具有點火式和壓燃式發動機的燃燒特點。

引燃油單元由油箱、過濾器、進出口管路等組成，是一個單獨的系統，引燃油一般使用輕柴油或船用柴油。

2.4 引燃油噴射系統

在發動機上除了主噴油系統外，還有一套獨立的引燃油噴射系統，它由噴油器、高壓單元、高壓管路等組成。

引燃油的噴油量，一般是根據負載的大小通過節流閥的開度來控制。節流閥由電磁信號控制，當無電磁信號時節流閥全開；需要實時調整整個系統的參數來保持一定的共軌壓力，引燃油噴射系統最大共軌壓力為1 400 bar。

3 雙燃料發動機運行模式

3.1 燃油模式

和傳統的柴油發動機相同，燃油的高壓油泵在凸輪軸的推動下工作，主噴油器噴油，引燃油系統運轉并噴油，而燃氣進氣閥處于關閉狀態，見圖1所示。

圖1 發動機燃油模式運行示意圖

3.2 燃氣模式

在燃氣模式下，主噴油系統正常工作，但油路旁通，主噴油器不噴油。燃氣進氣閥根據負荷的大小選擇打開時間長短，以控制進氣量，見圖2所示。

圖2 發動機燃氣模式運行示意圖

3.3 油氣混燒模式

當貨艙LNG自然蒸發氣不足，且發動機的功率高于35%但低于85%時，雙燃料發動機進入油氣混燒模式，以便更有效的控制貨艙壓力和實現最佳節能效果;當發動機功率低于35%或者高于85%時，發動機自動轉換為燃油模式。

3.4 備用模式

雙燃料發動機在運行過程中，若機艙跳電或引燃油系統故障，不僅BOG供氣系統會停止工作，而且引燃油單元和噴射系統也會停止工作,不管發動機原來處在什么模式下，都會立即自動轉入備用模式工作,啟動備用模式后，智能控制器就會默認引燃油系統故障，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 發動機備用模式運行示意圖

在前三種模式下，引燃油系統都在工作，這是因為要保持引燃油噴油器的清潔，要求不管是在燃油模式下還是在燃氣模式下都要求引燃油系統工作；備用模式是在引燃油系統出現故障、發動機處于燃油模式、并且只有主噴油系統工作情況下的一種應急工作狀態；廠家建議備用模式下發動機總運行時間不應超過15小時，超過15小時有可能會造成引燃油噴油器損壞；LNG運輸船試航階段，會進行短時間的雙燃料發動機備用模式試驗。

3.5 發動機油氣模式轉換及管路吹掃

出于安全性的考慮，ABS和LR等主要船級社都要求所有雙燃料發動機必須以燃油模式啟動，目的是驗證主燃油和引燃油系統是否正常，并準備好隨時可以將燃氣模式切換到燃油模式；以燃油模式起動發動機，在切換為燃氣模式之前，需要對燃氣管路進行吹掃，先用氮氣吹掃，再用天然氣吹掃。吹掃管路，包括發動機機帶燃氣管、船廠雙壁管與GVU相關管路。

（1）發動機燃氣管路吹掃

執 行 吹 掃 指 令 時，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域；吹掃結束后，這3個閥關閉；

（2）GVU管路吹掃

吹掃時，CG408、CG410、4FV-002打開，吹掃過程持續180 s；吹掃廢氣經過透氣管，排放到安全區域；吹掃結束后，這3個閥關閉；

（3）泄漏檢測

吹掃結束后，控制程序還要執行泄漏檢測，檢測分為三個步驟：

① 2PV5865、3PV5865打開，1PV5864關閉，燃氣進入GVU；通過檢測1PT5865處的壓力變化（設定為30 s內升高2 bar），判斷1PV5864是否泄漏，如果有報警，則執行氮氣吹掃程序；然后檢查1PV5864的情況；如果沒有報警則執行下一步；

② 1PV5864打開，1PV5865、2PV5864關閉，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，這時用氮氣進行吹掃；然后檢查這三者的情況，如果沒有報警進入下一步；

③ 1PV5864關閉；通過檢測1PT5865處的壓力變化（30 s內降低2 bar），判斷2PV5864和1PV5865是否有泄漏。如有報警則用氮氣吹掃，然后檢查二者的情況；如果沒有報警，泄漏試驗結束；1PV5864和1PV5865打開，2PV5865和3PV5865關閉，燃氣進入發動機，發動機自動切換為燃氣模式。

3.6 發動機切斷供氣試驗

試驗目的是驗證在切斷燃氣供應后，發動機能否自動轉換為燃油模式：

（1）關閉機艙左舷供氣主閥,檢查左側發動機是否轉換為燃油模式；

（2）關閉機艙右舷供氣主閥,檢查右側發動機是否轉換為燃油模式；

（3）關閉供氣總閥,檢查左、右側發動機是否轉換為燃油模式，功率輸出是否有中斷的情況。

通過上述測試表明，雙燃料發動機的運行模式轉換、燃氣管路吹掃、GVU管路吹掃、泄漏檢測等方面性能良好，滿足要求。

4 結語

本文介紹了某LNG運輸船搭載的 MAN 8L51/60DF LNG+燃油雙燃料發動機燃氣系統輔助設備的功能、運行模式及測試結果，可供船廠工程技術人員學習和參考。隨著國家大氣環保要求的提高、國家財稅政策扶持力度的增大和LNG氣站的增加，同時伴隨著我國LNG產業的快速發展，LNG運輸船也將迎來發展的黃金時代。