柴油機雙燃料系統風險分析與評估

游哲銳

（中國船級社上海分社 上海200120）

柴油機雙燃料系統風險分析與評估

游哲銳

（中國船級社上海分社 上海200120）

通過運用故障模式和影響分析法，對柴油機雙燃料系統的風險進行分析和評估,來確定雙燃料系統有關故障的風險程度，以便按照風險值的大小對相應故障采取有效的預防措施，以提高雙燃料系統柴油機運行的安全性和可靠性。

雙燃料系統；柴油機；風險；分析評估；故障模式和影響分析法

引 言

隨著國際社會及航運界對海上環境保護日趨重視，燃油成本不斷升高，使得越來越多的船東傾向于選擇更加清潔廉價的能源作為船舶動力來源的替代燃料。雙燃料系統的柴油機具有燃料混合靈活以及低排放的特點［1］，從而在市場需求中脫穎而出。與此同時，雙燃料運用所帶來的風險也逐漸成為焦點。

近年來，由于柴油機可靠性日趨提高，更多的LNG船采用雙燃料技術的柴油機。早在2003年，MAN公司就提出ME-GI雙燃料柴油機概念［2］，航運界對此極為關注，與此同時，業界權威也開始對雙燃料柴油機運用于LNG船舶進行可行性探討。

LNG是一種潔凈高效的能源。雙燃料柴油機可充分利用LNG液艙蒸發氣（BOG）作為燃料，使用成本較低。但由于需要在機艙內使用LNG，故在船舶上使用雙燃料柴油機的安全性值得關注。

1　柴油機雙燃料系統發展現狀與應用

早在1994年，12K80MC-GI雙燃料柴油機在日本千葉Chiba電站項目中作為動力裝置采用［3］，這為后續的LNG船舶采用雙燃料技術提供了技術基礎。航運市場對經濟性、可靠性的追求，催生了ME電子控制柴油機。2004年，6S70ME-C柴油機成功運用于LNG船，開辟了LNG船舶采用柴油機為主動力的時代。目前，MAN B&W MEGI 發動機采用直噴形式，屬于高壓進氣；瓦錫蘭DF發動機采用支管進氣。M.V．klatawa 是迄今記錄最早的一艘由雙燃料推進的客渡船，2005年法國大西洋船廠建造了世界第一艘最大雙燃料LNG船。國外比較有代表性的雙燃料動力船有：M/F Glutra、Viking Energy、Maersk Drury等。

2　雙燃料系統柴油機

2.1簡 介

目前，相對成熟的雙燃料柴油機主要有MAN B&W ME-GI電控雙燃料柴油機及瓦錫蘭DF系列。

ME-GI，即ME engine with gas injection，是由MAN B&W公司在2005年推出的一款電子控制的雙燃料機。與過去生產的ME柴油機相比，該機型增加了獨立的燃氣供給和噴射系統，如圖1所示。瓦錫蘭DF系列雙燃料柴油機，參見圖2。

圖1　ME-GI電控雙燃料柴油機系統

圖2　瓦錫蘭DF電控雙燃料柴油機

2.2結構特點

ME-GI柴油機是以成熟電子控制式ME柴油機為基礎，專為LNG市場開發的能燃燒天然氣和燃油的船用低速電控柴油機。它在ME電控型柴油機上安裝一個25～30 MPa壓力天然氣共軌，并對一些零部件進行改進，能實現柴油和第二燃料之間的方便轉換。

瓦錫蘭DF系列柴油機運用氣體開關單元對從裝有低壓泵蒸發器、加熱器的LNG 箱（罐）里的氣體進行控制。主要特點為該系列機型采用預噴射和預燃燒室技術，最小化點火油耗，提高燃燒穩定性并減少排放。

3　柴油機雙燃料系統風險

柴油機雙燃料系統技術研究已有20余年，從最初的陸用到現今的航運市場。LNG燃料動力船的柴油機雙燃料系統一般包括燃料充裝、燃料儲存、燃料供應和燃料利用，典型布置圖見圖3。

圖3　典型LNG船柴油機雙燃料系統簡圖

從燃料特性角度考慮，配備雙燃料柴油機的LNG船，其危險點主要在于燃料利用的機器處所以及燃料供應的管系。

首先，在機器處所內，發動機、ECU（中央控制系統）和氣體通道管路的布置，導致其著火源較為集中，發動機及其管路泄漏所產生的可燃氣體危害性極大，極易引起火災。且發動機燃料結構及性質變化，會帶來磨損、拉缸、爆燃等故障。同時，ECU（中央控制系統）作為控制燃料供給的中樞及紐帶，對其可靠性要求和與主機互相協調的工況能力尤為重要。

其次，管系作為燃料供應的承接部分，其主要風險在于各個連接部位的閥件、密封接頭等，以上部分的泄漏將導致船體部分區域引發低溫損害及可燃氣體聚積，極易造成火災和爆燃等危害。因此，對燃料供應管系的安全可靠性應嚴加控制。

綜上所述，雙燃料柴油機系統的風險因素主要包括以下兩個方面：

3.1外部系統

3.1.1系統管路

燃氣噴射閥因其工作特點，是燃氣供給的主要門戶。噴射閥的密封性不好以及外部連接管路的破損，都會導致燃氣的泄漏。雙層管路及相關密封閥件的損壞，也會導致燃氣泄漏。

3.1.2密封油供給系統故障

在燃氣噴射閥中，如果密封油的壓力過低，則燃氣將阻止燃氣噴射控制電磁閥打開。

3.2內部系統

3.2.1燃氣噴射閥故障

燃氣噴射閥開閉緩慢或者是在開啟位置中卡死，導致燃氣大量噴入氣缸。當排氣閥打開時，燃燒產物和未燃燒物在高溫環境下以混合物形式流出，進入廢氣管路。經過排氣閥的混合物溫度也會升得很高，當其與廢氣混合時，因含有部分氧氣，則可能在廢氣系統發生劇烈燃燒，從而導致氣缸排溫高，甚至引發爆炸。

3.2.2控制油系統

控制油系統供油不足，將導致燃氣噴射量減少，功率輸出下降。

3.2.3通風系統故障

通風不良，將導致供氣系統滲漏的燃氣聚集，存在潛在的著火爆炸危險。

3.2.4其 他

蓄壓器能力不足，氣液分離器功能喪失等。

4　標準指南

我社在2010年12月制定的《氣體燃料動力船檢驗指南》第6.1條“一般規定”中指出，應對所有可能影響發動機燃燒過程的故障進行故障模式和影響分析（FMEA），并提交分析報告［4］。

5　故障模式與影響分析

在實施故障模式和影響分析的過程中，本人制作了調查表，進行相關調查。根據每一份調查表，將故障發生的頻次O、影響嚴重程度S和檢測難易程度D的評判結果轉化為相應的十分制數字。然后根據12組數據，對各個指標進行計算，算出算術平均并取整數，得到各個故障模式相應O、S、D算術平均值（如公式1、2、3），并由公式4進一步計算出各模式所對應的風險順序數RPN值。

式中：O為故障發生頻次分值，分；S為影響嚴重程度分值，分；D為檢測難易程度分值，分；N為調查次數，次。

同時，對RPN各指標評價標準進行定義，參見表1、表2、表3。

表1　故障發生頻次評價標準

表2　影響嚴重程度評價標準

表3　檢測難易程度評價標準

綜上所述，并根據第3點中所列舉的系統風險進行細化分析，對燃氣系統制定如表4所示詳細的FMEA表格。

表4　雙燃料柴油機燃氣系統故障模式和影響分析表

6　結 論

由表4可見，風險順序數的排名為通風系統通風不良、燃氣雙層管內管泄漏、氣液分離器功能散失等。RPN值較大的項目存在較大的風險，需要根據其影響嚴重程度采取專門的控制和預防措施。通過對柴油機雙燃料系統進行故障模式和影響分析，旨在評估雙燃料系統存在的風險，由此來提高雙燃料船舶的安全系數，對高風險項目進行預防。

［1］ 顧磊，張善杰.聚焦船用柴油機最新技術［J］.船舶物資與市場，2010（6）：36.

［2］ 單卓.MAN B&W ME-GI柴油機雙燃料系統風險評估研究［D］.大連海事大學，2008：1-2.

［3］ 夏立國，翁昕昊.MAN B&W ME-GI雙燃料低速二沖程柴油機［J］.船舶標準化工程師，2012（1）：24-25.

［4］ 中國船級社.氣體燃料動力船檢驗指南［M］.北京：人民交通出版社，2010：27.

Risk analysis and evaluation of diesel dual-fuel system

YOU Zhe-rui
(CCS Shanghai Branch, Shanghai 200120,China)

Based on the failure mode and impact analysis method, this paper analyzes and evaluates the risk of diesel dual-fuel system in order to ascertain the degree of risk relating to the failure of the dual-fuel system. Therefore, the effective prevention measures can be took according to the risk level for the improvement of the security and reliability of the diesel dual-fuel system.

dual-fuel system; diesel engine; risk; analysis and evaluation; failure mode and impact analysis method

U664.121

A

1001-9855（2015）02-0070-04

2014-07-16；

2014-11-06

游哲銳（1987-），男，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程。