淺析高壓雙燃料主機(jī)

劉慧光

（中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)青山船廠, 武漢 430082）

淺析高壓雙燃料主機(jī)

劉慧光

（中國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)集團(tuán)青山船廠, 武漢 430082）

隨著國(guó)際能源危機(jī)和環(huán)境惡化狀況日益加劇，航運(yùn)業(yè)對(duì)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(dòng)機(jī)也將是未來的一大發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了MAN ME-GI系列雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)及其特性，并總結(jié)了該機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展前景。

節(jié)能減排;LNG;雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);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(yùn)輸和儲(chǔ)存.天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國(guó)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(shì)。為應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)、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(qiáng)雜貨船，該船是世界首艘雙燃料冰區(qū)加強(qiáng)雜貨船，技術(shù)含量高，建造規(guī)格要求高，同時(shí)對(duì)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(jī)。該主機(jī)既可以燃燒天然氣又可以用燃油作為單一燃料。下面針對(duì)該機(jī)型進(jìn)行一些簡(jiǎn)要分析。

1　工作原理

MANME-GI系列為船用二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，核心概念是缸內(nèi)高壓燃?xì)庵眹?，即在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程末期向氣缸內(nèi)噴入少量引燃油，由于此時(shí)氣缸內(nèi)壓力很高，隨后向缸內(nèi)噴入的天然氣需達(dá)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(duì)外做功。MANME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高壓噴射示意見圖1。

圖1

MANME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)的雙燃料系統(tǒng)是將常規(guī)的ME/ME-B機(jī)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.

2　增加的主要零部件

MANME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)為了能同時(shí)燃燒燃?xì)夂腿加停黾恿巳細(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(dòng)機(jī)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(chǔ)氣罐、高壓泵、外部雙壁管、GVT、惰氣系統(tǒng)等。

3　燃料噴射系統(tǒng)

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加蛧娪推鳌Ｔ谌細(xì)饽Ｊ较拢?fù)荷在10%—100%時(shí)，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(dòng)作，通過液壓控制油打開V1，高壓燃?xì)獾竭_(dá)燃?xì)鈬娚溟y。然后ELGI動(dòng)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>

4　密封油系統(tǒng)

由于MANME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃?xì)馐峭ㄟ^定壓的高壓共軌系統(tǒng)分配到各個(gè)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(jìn)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(jìn)入液壓油系統(tǒng)。密封油系統(tǒng)主要由一臺(tái)泵和一個(gè)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(huì)與燃?xì)庖黄鸨粐娺M(jìn)燃燒室燃燒。

5　MAN ME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

MANME-GI發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（ME-GI-ECS），是一個(gè)可以控制所有發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)作、轉(zhuǎn)速控制、啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)、氣缸潤(rùn)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(jìn)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(shí)接收曲軸的位置和速度信號(hào)，并相互傳輸負(fù)荷分配和正時(shí)信號(hào)。兩者分別控制燃油和燃?xì)獾膰娚淞亢蛧娚鋾r(shí)間，并相互配合使得引燃油先于燃?xì)鈬娙肴紵遥⒈ＷC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(gè)部分，GI控制系統(tǒng)和GI安全系統(tǒng)，用于分別接受同一個(gè)功能中的2個(gè)重復(fù)的傳感器的信號(hào)。

6　雙壁管

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(jì)，內(nèi)管輸送高壓燃?xì)猓夤芷鸨Ｗo(hù)作用，防止內(nèi)管破裂時(shí)高壓燃?xì)鈬姵?。?nèi)、外管之間有機(jī)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(jī)艙排放到安全區(qū)域，從而將機(jī)艙和高壓燃?xì)庀到y(tǒng)隔離。機(jī)械抽風(fēng)的換氣量能達(dá)到每小時(shí)約10-30次。在通風(fēng)管出口安裝有碳?xì)浠衔锾綔y(cè)器，一旦探測(cè)器探測(cè)到燃?xì)庑孤?，就?huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)將自動(dòng)切換到燃油模式。

7　整體特性

MANME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在降低船舶廢氣中的污染物含量方面有很大的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)相同的熱效率（達(dá)到50%左右），經(jīng)濟(jì)性較好。

由于甲烷和空氣混合物的燃燒延遲時(shí)間長(zhǎng)于柴油，甲烷燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮诓裼?，因此柴?天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)容易產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。由于MANME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已消除爆燃問題，因此對(duì)燃?xì)鉀]有抗爆性能的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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>

8　結(jié)束語(yǔ)

總的來說，MANME-GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)除了具有傳統(tǒng)ME電控柴油機(jī)的所有功能和優(yōu)勢(shì)外，還能以LNG、LPG等多種燃?xì)庾鳛橹饕剂希m應(yīng)性高，熱效率高，經(jīng)濟(jì)性好，大幅降低了柴油的使用，減少了船舶運(yùn)營(yíng)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(dòng)機(jī)滿足航運(yùn)業(yè)綠色環(huán)保、高效節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，市場(chǎng)前景廣闊。

[1]G45ME-C9.5-GI Project Guide[Z].2014.

[2]李斌.船舶柴油機(jī)[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