（湖北迪峰船舶技術(shù)有限公司，武漢 430070）

0 引言

目前船用雙燃料發(fā)動機(jī)的供氣壓力有多種，包括300 bar（1 bar=0.1 MPa）、16 bar和 6 bar～8 bar等。高壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)一般較多用于大型船舶，而且其功率大、單位時間內(nèi)耗氣量多，因而在整個發(fā)動機(jī)運行過程中對燃?xì)夤┙o的要求相對較高，這就對燃?xì)夤┙o系統(tǒng)提出了較高的要求。

ME-GI雙燃料二沖程發(fā)動機(jī)是 MAN公司生產(chǎn)的低速大功率雙燃料發(fā)動機(jī)，該機(jī)最核心的概念是缸內(nèi)燃?xì)庵眹?，即通過加壓裝置把燃?xì)庠鰤褐?00 bar，由燃?xì)鈬娚溟y將高壓燃?xì)庵苯訃娙霘飧譡1]。該機(jī)型是船用高壓燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的典型代表。

由于供氣系統(tǒng)的氣源來自常規(guī)的LNG儲罐，供氣壓力一般為4 bar～7 bar，如果要達(dá)到發(fā)動機(jī)對供氣壓力的要求，就必須采取相應(yīng)的措施，確保FGSS供氣壓力滿足MAN雙燃料二沖程發(fā)動機(jī)的要求。在系統(tǒng)設(shè)計時，對此給予了充分考慮，通過系統(tǒng)設(shè)置的設(shè)備，如LNG輸送泵、高壓泵和儲壓罐等，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、燃?xì)鉁囟冗m合，確保燃?xì)夤馄焚|(zhì)（壓力、溫度）達(dá)到發(fā)動機(jī)所規(guī)定的要求，并確保系統(tǒng)的安全可靠。

1 燃?xì)夤┙o壓力

1.1 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的組成

高壓燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)備包括LNG儲罐、LNG輸送泵、高壓泵、高壓氣化/加熱器、儲壓罐和相應(yīng)閥件等。

在發(fā)動機(jī)運行過程中，當(dāng)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)給發(fā)動機(jī)供給燃?xì)鈺r，首先通過高壓泵給LNG加壓，經(jīng)高壓氣化/加熱器氣化和升溫、高壓儲壓罐及調(diào)壓閥穩(wěn)壓，使燃?xì)馄焚|(zhì)（溫度、壓力等）達(dá)到發(fā)動機(jī)所需要的參數(shù)要求，最后進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒作功，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)高壓燃?xì)夤┙o系統(tǒng)基本原理

1.2 增壓方式的選擇

將4 bar～7 bar的LNG增壓至300 bar，可以采用氣態(tài)壓縮方式，也可以采用液態(tài)加壓方式。通過分析比較，選擇液態(tài)加壓比氣態(tài)加壓更經(jīng)濟(jì)，能耗相對較小。由于同種物質(zhì)氣體密度遠(yuǎn)小于液體的密度，氣體靜壓能項數(shù)值比液體大得多，單位重量氣體要從壓縮機(jī)獲得的靜壓能比液體從泵獲得的靜壓能大得多，同等條件下，用泵加壓更節(jié)省功耗[2]。而且液態(tài)加壓泵設(shè)備體積比氣態(tài)壓縮機(jī)小得多，有利于設(shè)備在船舶上的布置。

1.3 穩(wěn)壓

ME-GI雙燃料發(fā)動機(jī)燃?xì)夤鈮毫σ鬄椋?/p>

100%負(fù)載時：300 bar

動態(tài)波動率：±5%

靜態(tài)波動率：±1%

供氣溫度：≤+45℃

發(fā)動機(jī)在雙燃料模式下的燃?xì)庀氖窃?20%負(fù)荷至100%負(fù)荷之間變化的[3]。

雙燃料發(fā)動機(jī)初始運行階段以純柴油模式運行，當(dāng)發(fā)動機(jī)從純柴油模式轉(zhuǎn)入雙燃料模式時，供氣系統(tǒng)的燃?xì)夤┙o流量從零突然加大至發(fā)動機(jī)燃燒做功所需的流量。在流量突變的影響下，管路壓力會發(fā)生瞬間的波動及變化。其次，當(dāng)發(fā)動機(jī)工況在20%負(fù)荷至100%負(fù)荷之間變化時，燃?xì)夂臍饬恳苍诓粩嘧兓臍饬康淖兓沟霉苈返膲毫υ谒查g不斷地變化波動[4]。

由于發(fā)動機(jī)供氣壓力高（300 bar），為保證連續(xù)穩(wěn)定的供氣壓力及供氣安全，從以下幾個方面加以考慮：

1）LNG輸送泵

為了維持系統(tǒng)供氣壓力，LNG高壓泵必須連續(xù)運行。雖然高壓泵具有一定的自吸能力，但由于高壓泵所處的燃料準(zhǔn)備間距LNG儲罐有一定距離，且受管路摩擦阻力的影響，以及船舶在航行中出現(xiàn)搖晃時導(dǎo)致高壓泵進(jìn)口端出現(xiàn)瞬間真空，從而使供氣管道壓力出現(xiàn)波動。當(dāng)壓力波動超過動態(tài)波動率時，就會影響發(fā)動機(jī)的正常運行。為保證發(fā)動機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運行，在高壓泵進(jìn)口端（儲罐內(nèi)或管路中）設(shè)置了LNG輸送泵，向高壓泵提供連續(xù)不斷的LNG，確保高壓泵在任何狀態(tài)下進(jìn)口端不會出現(xiàn)真空狀態(tài)，使供氣系統(tǒng)連續(xù)可靠運行。

2）變頻高壓泵

ME-GI雙燃料發(fā)動機(jī)滿工況燃?xì)夤鈮毫?00 bar，為維持壓力穩(wěn)定，高壓泵需連續(xù)不斷的運行。為了穩(wěn)定供氣變量條件下的供氣壓力，采用變頻電機(jī)驅(qū)動的高壓泵。變頻電機(jī)可實現(xiàn)8 Hz～50 Hz自動無級變速，轉(zhuǎn)速可以根據(jù)高壓儲壓罐的壓力控制跟蹤調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)供氣壓力的恒定[5]。當(dāng)系統(tǒng)消耗氣量降低時，高壓泵提供的LNG量大于系統(tǒng)消耗量，自動控制變頻電機(jī)降低轉(zhuǎn)速，減少輸出 LNG量；反之則提高電機(jī)轉(zhuǎn)速增加LNG量，以保持穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力值。此外，采用的變頻高壓泵具有電機(jī)壽命長、故障率低和節(jié)能等優(yōu)點。

3）高壓氣化/加熱器

高壓氣化/加熱器是確保供氣品質(zhì)的重要設(shè)備之一，既要保證足夠的 LNG氣化量供給發(fā)動機(jī)，又要確保氣化后的燃?xì)鉁囟葷M足發(fā)動機(jī)的要求，同時還要考慮換熱器在高壓、低溫狀態(tài)下的可靠性和使用壽命。因此選擇了繞管式氣化/加熱器的結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)型式具有良好的換熱效率，同時具有結(jié)構(gòu)相對緊湊、耐高壓、密封可靠、熱膨脹可自行補(bǔ)償?shù)奶攸c[6]，氣化/加熱器的這些特點可提高系統(tǒng)的安全性。

相對于其他結(jié)構(gòu)型式的換熱器，繞管式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊的特點有利于設(shè)備在船上的安裝布置。

為了保證燃?xì)鉁囟葷M足發(fā)動機(jī)的供氣要求，采用兩個措施：（1）LNG氣化/加熱介質(zhì)-水/乙二醇溶液加熱器出口設(shè)置溫控閥，控制水/乙二醇溶液最高溫度不超過發(fā)動機(jī)供氣溫度；（2）LNG氣化/加熱器的水/乙二醇溶液進(jìn)口設(shè)溫控閥，由LNG氣出口溫度傳感器控制水/乙二醇溶液流量，最終控制供氣溫度，使之達(dá)到發(fā)動機(jī)所需要的燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度要求。

圖2 繞管式氣化/加熱器

4）高壓儲壓罐

由于ME-GI雙燃料發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷工況燃?xì)夤鈮毫?00 bar，發(fā)動機(jī)工況在20%負(fù)荷至100%負(fù)荷之間變化，耗氣量也隨之不斷變化。當(dāng)發(fā)動機(jī)由 20%負(fù)荷至100%負(fù)荷變化或由100%負(fù)荷至20%負(fù)荷變化時，系統(tǒng)的供氣壓力有可能會超過發(fā)動機(jī)規(guī)定的動態(tài)波動率±5%的要求，發(fā)動機(jī)就會出現(xiàn)運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的情況。

為了保證發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運行，考慮設(shè)置一個高壓儲壓罐，用于補(bǔ)償系統(tǒng)瞬間出現(xiàn)的壓力波動，穩(wěn)定系統(tǒng)供氣壓力。儲壓罐猶如一只柔軟的彈簧，起到吸收流體脈動作用，以減少瞬間壓力波動[7]。

同時儲壓罐的壓力值也為高壓泵的運行提供了控制參數(shù)，通過儲壓罐的壓力值間接控制高壓泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)高壓泵LNG的供給量，使系統(tǒng)壓力始終處在發(fā)動機(jī)要求的穩(wěn)定狀態(tài)，也提高了系統(tǒng)冗余。

在開展上述研究工作的同時，運用油氣系統(tǒng)工藝仿真軟件Aspen HYSYS和換熱器單元仿真軟件Aspen Shell & Tube Exchanger對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校核，確認(rèn)相關(guān)設(shè)備選型的合理性，并基于計算結(jié)果對工藝系統(tǒng)及設(shè)備選型進(jìn)行優(yōu)化；同時開展“LNG燃料高壓供氣系統(tǒng)危險源辨識（HAZID）分析”和“船舶LNG發(fā)動機(jī)燃料儲存及供給系統(tǒng)危險與可操作性（HAZOP）分析”，對船舶運營過程中LNG燃料儲存、供給系統(tǒng)存在的潛在危險進(jìn)行識別，為系統(tǒng)優(yōu)化提供了詳實的理論分析支撐。

在上述設(shè)備配置基礎(chǔ)上，再做好高壓泵出液壓力聯(lián)鎖、氣化器后溫度聯(lián)鎖以及氣化器后壓力聯(lián)鎖控制，使系統(tǒng)在安全可靠的前提下滿足發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運行需求。

2 結(jié)論

IMO決定：自2020年實施0.5%的全球硫限制，也就是在《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）附則VI下的要求在硫排放控制區(qū)（ECA）以外航行的所有船舶使用硫含量不高于 0.5%的燃油。隨著全球ECA區(qū)不斷設(shè)立，雙燃料發(fā)動機(jī)、純氣體燃料發(fā)動機(jī)或其他清潔燃料發(fā)動機(jī)的應(yīng)用將會越來越多。

因此，在推廣使用LNG燃料發(fā)動機(jī)的時候，應(yīng)該關(guān)注使用過程中供氣系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠，確保發(fā)動機(jī)在使用清潔燃料時真正做到運行高效、綠色環(huán)保。

[1] 高子朋, 詹宇, 王民, 等.船用ME-GI雙燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)分析[J].中國船檢, 2014(10)： 68-70.

[2] 劉浩, 金國強(qiáng).LNG接收站BOG氣體處理工藝[J].化工設(shè)計, 2006(1)： 13-16.

[3] 馬義平, 王忠誠, 時繼東, 等.曼恩和瓦西蘭船用二沖程雙燃料發(fā)動機(jī)之比較[J].船舶動力裝置,2015(5)： 94-98.

[4] 劉明輝, 劉玉蘭, 祝冰峰.大功率二沖程發(fā)動機(jī)燃?xì)夤庀到y(tǒng)概述[J].機(jī)電設(shè)備, 2016(1)： 27-29.

[5] 謝水英, 韓承江, 徐偉君.螺桿式空壓機(jī)變頻節(jié)能改造[J].中國現(xiàn)代教育裝備, 2010(22)： 30-33.

[6] 浦暉, 陳杰.繞管式換熱器在大型天然氣液化裝置中的應(yīng)用及國產(chǎn)化分析[J].制冷技術(shù), 2011(3)：24-27.

[7] 樊長博, 張來斌, 王朝暉, 等.往復(fù)式壓縮機(jī)氣體管道振動分析及消振方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007(7)： 1309-1312.