劉慧光
(中國長江航運集團青山船廠, 武漢 430082)
淺析高壓雙燃料主機
劉慧光
(中國長江航運集團青山船廠, 武漢 430082)
隨著國際能源危機和環(huán)境惡化狀況日益加劇,航運業(yè)對節(jié)能減排也日趨重視,LNG已成為最有前景的替代燃料,以LNG為主要燃料的雙燃料發(fā)動機也將是未來的一大發(fā)展趨勢。本文介紹了MAN ME-GI系列雙燃料發(fā)動機的技術(shù)細(xì)節(jié)及其特性,并總結(jié)了該機型的優(yōu)缺點和發(fā)展前景。
節(jié)能減排;LNG;雙燃料發(fā)動機;ME-GI
LNG是液化天然氣的英文縮寫,其主要成分是甲烷。LNG無色、無味、無毒且無腐蝕,低溫、氣液膨脹比大、能效高易于運輸和儲存.天然氣作為清潔能源越來越受到青睞,很多國家都將LNG列為首選燃料,天然氣在能源供應(yīng)中的比例也迅速增加,LNG燃料船也必將是未來的一大趨勢。為應(yīng)對這一趨勢、提升造船能力,我廠在去年承接了2艘LNG-OIL雙燃料冰區(qū)加強雜貨船,該船是世界首艘雙燃料冰區(qū)加強雜貨船,技術(shù)含量高,建造規(guī)格要求高,同時對環(huán)保要求也極高。該船通過以LNG代替柴油作為燃料,不僅在燃料消耗量上有明顯下降,而且能夠極大減少硫氧化物和顆粒物排放,氮氧化物及二氧化碳的排放都有顯著降低。為此該船選用了MAN公司的5G45ME-C9.5-GI雙燃料主機。該主機既可以燃燒天然氣又可以用燃油作為單一燃料。下面針對該機型進行一些簡要分析。
MANME-GI系列為船用二沖程雙燃料發(fā)動機,核心概念是缸內(nèi)高壓燃?xì)庵眹?,即在發(fā)動機壓縮沖程末期向氣缸內(nèi)噴入少量引燃油,由于此時氣缸內(nèi)壓力很高,隨后向缸內(nèi)噴入的天然氣需達到300bar的高壓,自燃溫度較低的引燃油將隨后噴入的高壓天然氣引燃,可燃混合氣燃燒膨脹對外做功。MANME-GI雙燃料發(fā)動機缸內(nèi)高壓噴射示意見圖1。
圖1
MANME-GI發(fā)動機的雙燃料系統(tǒng)是將常規(guī)的ME/ME-B機型上的燃油系統(tǒng)和新的燃?xì)庀到y(tǒng)結(jié)合在一起,詳見圖2.
MANME-GI發(fā)動機為了能同時燃燒燃?xì)夂腿加?,增加了燃?xì)怆p壁管、帶蓄壓塊和控制閥的燃?xì)忾y塊、燃?xì)鈬娚溟y、密封油系統(tǒng)、電控燃?xì)鈬娚溟yELGI、燃?xì)饪刂仆L(fēng)和安全系統(tǒng)等。
除發(fā)動機本體外,船舶還需增加相應(yīng)的供氣系統(tǒng)作為配套的輔助設(shè)備,包括儲氣罐、高壓泵、外部雙壁管、GVT、惰氣系統(tǒng)等。
圖2 ME-GI雙燃料系統(tǒng)示意圖
燃油的噴射是通過FIVA閥控制燃油增壓器將低壓燃油壓入燃油噴射閥最終噴入燃燒室,如圖3所示。燃油噴射閥在燃油模式下作為主噴油器,在燃?xì)饽J较录孀鲆加蛧娪推?。在燃?xì)饽J较?,?fù)荷在10%—100%時,引燃油消耗量恒定為大約8g/(kW·h),柴油和重油都可作為引燃油。
燃?xì)獾膰娚渲饕揽咳細(xì)鈬娚溟y和燃?xì)饪刂颇K(見圖2中的Gascontrolblock)來完成。圖2中燃?xì)饪刂颇K包含電控燃?xì)鈬娚溟yELGI、電控燃?xì)獯翱陂yELWI、窗口閥V1、放氣閥V2、除氣閥V3、蓄壓器ACCU。在燃?xì)饽J较?,燃?xì)鈬娚涞木唧w過程如下:首先ELGI閥和ELWI閥都處于關(guān)閉狀態(tài),ELWI先動作,通過液壓控制油打開V1,高壓燃?xì)獾竭_燃?xì)鈬娚溟y。然后ELGI動作,通過液壓控制油打開燃?xì)鈬娚溟y(見圖3),高壓燃?xì)饨?jīng)過燃?xì)鈬娚溟y噴入燃燒室。隨后先后關(guān)閉ELGI和ELWI,停止高壓燃?xì)獾膰娚洹?/p>
由于MANME-GI雙燃料發(fā)動機中的燃?xì)馐峭ㄟ^定壓的高壓共軌系統(tǒng)分配到各個燃?xì)鈬娚溟y的,因此燃?xì)鈬娚溟y以及一邊是燃?xì)庖贿吺且簤嚎刂朴偷拇翱陂y、切斷閥等閥上的燃?xì)鈮毫κ冀K保持在300bar左右,為了防止高壓燃?xì)膺M入液壓控制油中,需要一套密封油系統(tǒng)。密封油系統(tǒng)是一套高壓液壓油系統(tǒng),保持高于燃?xì)饧s20-25bar的壓力,以防止氣體進入液壓油系統(tǒng)。密封油系統(tǒng)主要由一臺泵和一個帶蓄壓器的安全閥塊組成,并通過雙壁管輸送密封油。密封油的消耗很少,并且會與燃?xì)庖黄鸨粐娺M燃燒室燃燒。
MANME-GI發(fā)動機控制系統(tǒng)(ME-GI-ECS),是一個可以控制所有發(fā)動機功能的集中控制系統(tǒng)。主要可控制如下功能:燃油的噴射、排氣閥動作、轉(zhuǎn)速控制、啟動和反轉(zhuǎn)、氣缸潤滑、燃?xì)獾膰娚?、燃油模式和雙燃料模式的切換、燃?xì)馊紵O(jiān)控和安全切斷、雙壁管通風(fēng)和泄漏監(jiān)控、密封油控制、掃氣及進氣、供氣系統(tǒng)通信。圖5為MEGI-ECS的核心控制功能,即燃油和燃?xì)獾膰娚淇刂啤?/p>
圖4 ME-GI-ECS燃油和燃?xì)獾膰娚淇刂剖疽鈭D
如圖4所示,ME-ECS和GI延伸系統(tǒng)同時接收曲軸的位置和速度信號,并相互傳輸負(fù)荷分配和正時信號。兩者分別控制燃油和燃?xì)獾膰娚淞亢蛧娚鋾r間,并相互配合使得引燃油先于燃?xì)鈬娙肴紵?,并保證總負(fù)荷等于燃油油門和燃?xì)庥烷T之和。
為了燃?xì)獍踩紤],很多功能都是雙份的,特別是傳感器。因此GI延伸系統(tǒng)被分為兩個部分,GI控制系統(tǒng)和GI安全系統(tǒng),用于分別接受同一個功能中的2個重復(fù)的傳感器的信號。
MANME-GI的燃?xì)夤苁且惶锥▔旱母邏汗曹壪到y(tǒng),采用雙壁式設(shè)計,內(nèi)管輸送高壓燃?xì)?,外管起保護作用,防止內(nèi)管破裂時高壓燃?xì)鈬姵?。?nèi)、外管之間有機械通風(fēng),無燃?xì)鈪^(qū)域的空氣經(jīng)過內(nèi)外管之間,再被抽出機艙排放到安全區(qū)域,從而將機艙和高壓燃?xì)庀到y(tǒng)隔離。機械抽風(fēng)的換氣量能達到每小時約10-30次。在通風(fēng)管出口安裝有碳?xì)浠衔锾綔y器,一旦探測器探測到燃?xì)庑孤?,就會發(fā)出報警信號,發(fā)動機將自動切換到燃油模式。
MANME-GI雙燃料發(fā)動機在降低船舶廢氣中的污染物含量方面有很大的優(yōu)勢,可使SOx降低約95%。由于主要使用LNG作為燃料,CO2和粉塵的排放也將顯著降低。此外NOx也可下降約12%-15%左右,但是僅能滿足IMOTierII的NOx排放要求。因此,必須配備EGR(廢氣再循環(huán))或SCR(選擇性催化還原)系統(tǒng),才能滿足IMO TierIII的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。
MANME-GI雙燃料發(fā)動機在壓縮行程的末端將高壓燃?xì)庵苯訃娙霘飧?,其工作循環(huán)和二沖程柴油機相同,被稱為狄塞爾循環(huán)。這種循環(huán)的熱效率隨壓縮比的增大而增大。狄塞爾循環(huán)在壓縮行程中只須壓縮新鮮空氣,燃?xì)獠粎⑴c壓縮過程;在引燃油壓燃后,燃?xì)飧邏簢娙?,直接燃燒,無須控制空燃比來消除失火和爆燃問題,可采用與柴油機相同的壓縮比。因此,MANME-GI在燃?xì)饽J较戮哂信c二沖程柴油機相同的熱效率(達到50%左右),經(jīng)濟性較好。
由于甲烷和空氣混合物的燃燒延遲時間長于柴油,甲烷燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮诓裼停虼瞬裼?天然氣雙燃料發(fā)動機容易產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。由于MANME-GI雙燃料發(fā)動機已消除爆燃問題,因此對燃?xì)鉀]有抗爆性能的要求,發(fā)動機對燃?xì)獾倪m應(yīng)性好,甚至可以使用液態(tài)石油氣(LPG)等低甲烷值的燃?xì)庾鳛槿剂稀?/p>
總的來說,MANME-GI雙燃料發(fā)動機除了具有傳統(tǒng)ME電控柴油機的所有功能和優(yōu)勢外,還能以LNG、LPG等多種燃?xì)庾鳛橹饕剂?,適應(yīng)性高,熱效率高,經(jīng)濟性好,大幅降低了柴油的使用,減少了船舶運營成本。極大的減少了船舶廢氣中的污染物排放,配備EGR或SCR后可滿足IMOTierIII的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)。MANME-GI雙燃料發(fā)動機滿足航運業(yè)綠色環(huán)保、高效節(jié)能的發(fā)展趨勢,市場前景廣闊。
[1]G45ME-C9.5-GI Project Guide[Z].2014.
[2]李斌.船舶柴油機[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2008.
[3]LNG Carriers with ME-GI Engine and High Pressure Gas Supply System.[Z].MAN Diesel A/S,Copenhagen,Denmark,2007.
[4]MARPOL 73/78 附則VI[S].2008.
10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.015