可變比例摻水甲醇燃料供給系統原理性設計

孫瑞,黃朝俊,司徒穎峰,劉建成,易志金,劉鶴

(1.招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054；2.招商局海洋裝備研究院，廣東 深圳 518067；3.廣東省海洋資源勘探開發裝備工程技術研究中心，廣東 深圳 518054；4.必維船級社(中國)有限公司，上海 200010)

國際海事組織(IMO)MEPC72決議制定了《船舶溫室氣體減排初步戰略》，提出了到本世紀中葉實現“碳中和”的遠景目標，傳統柴油燃料系統將不能滿足相關要求或需要高成本的輔助設施幫助減排，LNG、LPG燃料可顯著減少NOx、SOx排放[1]，但作為化石能源，其減少碳排放為10%～25%，只能作為中間過渡燃料，而甲醇、液氨、液氫等脫穎而出，成為接近符合零排放的燃料選項，燃燒柴油的主機可以直接使用甲醇作為燃料，使得甲醇領先液氨和液氫一步實現實際應用。

1 甲醇特性分析、主機要求和系統設計目標

甲醇常壓、常溫下呈液態，易存儲，相對于LNG/LPG需要低溫或高壓液化儲存[2]，在燃料儲存和BOG處理上節省了很大的成本，是較理想的低碳燃料載體，并使其成為一種可行的替代燃料解決方案，但甲醇的汽化潛熱高，閃點12 ℃，低溫起動性能差，冬天需要采取相應加熱措施；此外，甲醇對人體有毒，易燃，蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物[3]。

MAN甲醇主機要求壓力為(1±0.05) MPa，溫度為25～50 ℃，同時根據6G50ME-LGIM型發動機的試驗數據(見圖1)，表明甲醇摻水燃燒有助于降低NOx的排放[4]，可以達到IMO Tier Ⅲ標準。

圖1 3種燃料下NOx排放對比

根據甲醇特性，為6G50ME-LGIM機型設計一套摻水甲醇燃料系統和惰化吹除系統，在保障燃料供給系統和內部管路安全的前提下，使主機NOx排放符合IMO Tier Ⅲ標準要求。

2 重點問題和關鍵點

1)定壓定溫供給。主機工作要求甲醇壓力為(1±0.05) MPa，溫度為25～50 ℃，與普通柴油相比，壓力要求類似，容易實現，但為了克服其低溫起動性能較差的缺點，溫度要求高。

2)實現比例混合供給。為達到甲醇摻水燃燒以降低NOx排放，需要將額定比例的水和甲醇進行混合。甲醇易溶于水，雖然在源頭的燃料罐內預先混合較易實現，但在整罐混合燃料用完前不能隨意改變比例，否則容易比例失控。因此，由于甲醇與水混合后不易分離，如何實現實時可變比例混合是甲醇燃料供給系統設計的關鍵點。

3)解決供給過程中的氣阻。甲醇在供給管路中需加壓輸送，難免產生振動沖擊和在閥門啟閉時形成局部水錘，管道中容易形成蒸發氣氣阻，造成供給不暢，穩定性差。因此，為保持主機穩定工作，需要消除輸送過程中的氣阻現象。

4)防爆安全問題。甲醇有毒且易燃易爆，在25 ℃時爆炸極限為5.5%～44.0%，因此，需要設計一套惰氣系統來配合主機啟動、運行、停止等工況進行驅氣、置換和惰化操作，以確保系統的運行安全。

3 解決方案、理論分析、方案對比

3.1 供給系統原理模型和方案對比

甲醇供給系統原理模型見圖2，由燃料罐、燃料供給單元、淡水供給管路、DBB閥組(雙截止泄放閥組)、供醇管、回醇管，以及泄放柜等組成。通過燃料供給單元對甲醇進行加壓加溫，然后與淡水進行比例混合后進入主機燃燒做功[5]，并通過流量計精確控制?；卮脊苈飞暇哂腥ㄩy和泄放柜，回醇為醇水混合物時至泄放柜，回醇為純甲醇燃料時回燃料罐。燃料管進入機艙區域應為雙壁管設計，并采用防爆風機進行管夾層間負壓通風，雙壁管上設有流量開關和可燃氣體濃度檢測儀，以檢測通風量和泄漏情況。

圖2 原理模型

主機工作時，沒有燃料經回醇管返回，但停機時需將系統內殘余燃料經回醇管進行泄放處理，由此簡化了整個供給系統的回醇控制。

3.2 二級加壓加溫和消除管路氣阻

3.2.1 燃料供應單元的設計方案

為解決燃料的定壓定溫供給，設計一套具有二級加壓加溫功能的燃料供應單元(見圖3)，燃料供給單元可以做成單獨的撬塊，將燃料加壓泵、管路、濾器、控制閥門、熱交換器、流量計、混合罐、壓力傳感器、溫度傳感器，以及控制盤等集中安裝在一個底座上，提前預裝，節省空間，方便批量生產、運輸、安裝和操控?？刂票P可對各附件進行監控和控制，并將信號接入ECS(主機控制系統)。

圖3 燃料供應單元

低壓泵將甲醇加壓至0.6 MPa后進入混合罐，再經高壓泵進一步加壓到1 MPa后由出醇口供給主機，出醇口設置有壓力傳感器，控制邏輯：如甲醇供過于求，則壓力傳感器顯示超壓，開啟旁通管路上的控制閥調節開度，甲醇經旁通管回流進入混合罐, 直至壓力恢復到1 MPa。低壓泵和高壓泵都可通過VFD變頻調節流量和壓力，流量計用于檢測從低壓泵進入混合罐的流量，并將數據接入控制盤。

換熱器1用于低壓階段的加熱，將甲醇加熱到15 ℃左右，進入混合罐；換熱器2用于高壓階段的加熱，將甲醇加熱到35℃左右,換熱器一般為水乙二醇介質，采用質量分數20%～35%乙二醇即可。在冬季或寒區作業時，燃料進入主機前溫度受環境影響降幅較大，可在管路上安裝伴熱防凍[6]。

甲醇燃料對清潔度要求很高[7]，管路上設置有粗濾器和精濾器，粗濾器精度為20～50 μm，精濾器精度為10 μm，以去除燃料中雜質，保護主機。粗濾器和精濾器可以在各自位置上多個并聯布置，濾器進出口兩端各裝有差壓計，當壓差超過設定閾值時，判斷為濾器堵塞，即切換到并聯的濾器使用，以便清理堵塞的濾器。

3.2.2 混合罐的功能設計

為消除燃料泵輸送過程中產生的氣阻及維持罐內和出醇口壓力平衡，在燃料供應單元內設計一個混合罐，混合罐由罐體、氮氣管、安全閥、低位液位開關、高位液位開關、壓力傳感器、溫度傳感器、進液管、回液管和出液管等組成?；旌瞎薰ぷ鲏毫?.6 MPa，壓力和溫度傳感器用于監測罐內壓力和溫度，并接入燃料供應單元控制盤，當數值與設定閾值有偏差時，信號傳輸給控制盤，低壓泵和換熱器1進行相應壓力和溫度調節。通過調節低壓泵出口閥門和旁通控制閥的開度，讓甲醇通過回醇口按比例回流到燃料罐，即可對低壓泵出口壓力和流量進行精確控制。

混合罐收集甲醇液體及其蒸發氣，具有緩沖和消除管路中氣阻功能，甲醇液體處于罐內下層，蒸發氣和氮氣混合物處于罐內上層。通過高低液位開關信號來控制高壓泵排量，以將罐內液位控制在高低位報警中間的范圍。氮氣管與壓力傳感器信號可由控制盤進行關聯控制，通過進氣回氣調節混合罐內部壓力在指定閾值范圍，并在需要檢修時行使惰化吹除功能。當罐內壓力超出工作壓力0.6 MPa達到安全閥設定閾值0.66 MPa，安全閥進行超壓開啟應急釋放。

3.2.3 方案對比

如果是常規柴油系統，其蒸發氣少氣阻小，且需求溫度低，通過一臺泵和一臺換熱器即可實現主機需求。圖3方案采用二級泵加壓，二級換熱器加溫并在管路中設置混合罐，正是針對甲醇的特點特別設計的，通過對比設計可知，該方案可有效實現定溫定壓供給，也可消除管路中的氣阻，從而保持供油通暢和穩定。

3.3 比例混合供給設計

3.3.1 淡水供給管路設計和比例混合

淡水供給管路由淡水源、淡水泵、質量流量計、控制閥、旁通管和DBB閥等組成,見圖4。控制閥為開度調節閥，可調節泵出口的流量和壓力，旁通管上的控制閥可進行回流量調節，2個控制閥配合可調節淡水泵出口壓力和流量，同時淡水源需經調溫處理，與換熱器2出口甲醇溫度一致。

圖4 淡水供給管路

淡水系統工作方式:流量計監測淡水流量和燃料供給單元里的甲醇流量接入ECS，進行聯網控制。根據MAN6G50ME-LGIM試驗數據顯示，為使NOx排放達到IMO Tier Ⅲ，在100%負荷時淡水質量流量為甲醇質量流量的40%，在主機負荷為25%時淡水質量流量為甲醇質量流量的80%。隨著主機負荷變化，通過ECS對相應的泵、閥進行控制，淡水和甲醇即可按任意指定比例混合后供給主機。

3.3.2 方案對比

通過在淡水供給管路和甲醇供給管路各設置流量計，接入ECS進行聯網，并通過VFD變頻泵和回流旁通支管來調節流量的設計，是實現可變比例供給主機的一種可行方案。

3.4 惰氣系統防爆設計

氮氣系統應保證：①在主機運行燃料供給時，管路內部不會形成爆炸混合氣，氧氣的質量分數<2%；②在停機檢修時，管內殘余甲醇蒸發氣質量分數<20%LEL，氧氣濃度≥20%(根據實際情況可選)，從而實現整個供給系統的防爆安全。該系統設計的關鍵點如下。

1)雙截止泄放閥的設置。根據IMO《使用甲醇/乙醇作為燃料的船舶安全臨時導則》(MSC.1/Circ.1621通函)要求，供醇管和惰氣吹除管路上應設置雙截止泄放閥，簡稱DBB閥組，配置為兩個串聯的截止閥中間設置一個用于緊急泄放和透氣閥，3個閥皆為氣動遙控操作，并接入ECS進行控制。甲醇供給系統中共設置有4處DBB閥組，參考圖2和圖5，分別為供醇管、第一氮氣管、第二氮氣管和淡水供給管，并且需要設置止回閥，以阻止燃料回流至氮氣系統和淡水系統。淡水供給管和氮氣管工作時，雙截止閥開啟，泄放閥關閉，在主機停機后，雙截止閥關閉，泄放閥開啟，減壓放殘到安全區域或進行收集再利用。

為進一步保障安全，氮氣管路上的DBB閥組進出口兩端裝有差壓計，當壓差超過設定閾值時，例如，超過0.2 MPa，即判斷為管路產生泄漏，報警信號發送給ECS，雙截止閥關閉，泄放閥開啟。

2)主機控制閥塊內雙惰化設計。主機內控制閥塊采用雙惰化管路設計(見圖5)，第一氮氣管用于停機模式，第二氮氣管用于待機模式。

圖5 雙惰化吹除設計

停機模式時，第一氮氣源經P5按實心箭頭方向進行吹除，閥門V1,V2開啟，氮氣將氣缸噴嘴里燃料全部吹除干凈，經斜度管P2進入液池。

待機模式時，第二氮氣源沿空心箭頭方向進行吹除，閥門V5開啟，P2、P4外圍管路內燃料被吹除，氣缸噴嘴內燃料保留，以方便主機隨時啟動進入工作模式。

當失去一路氮氣源，另一路氮氣源可作為備用，開啟閥門V4進行備用切換。吹除出口P2設置為斜度管，以方便被吹除燃料進入液池，當管路內燃料全部被吹除時，液池內液位開關低位報警，即判斷為吹除完畢。

3)甲醇泵的惰氣密封。為避免甲醇泵軸密封泄漏，采用惰氣“氣體封阻”，替代常見“液體封阻”，適合易揮發燃料，可靠性高。泵內密封結構參考文獻[8]已有詳細描述，僅介紹對外部管路，從第二氮氣源就近接一路氮氣支管，對甲醇泵進行氣體封阻，進口管路上具有控制閥和調壓閥，出口管路具有節流孔板和壓力傳感器，出口接至透氣桅。氮氣密封作為泵軸機械密封的第二次保障，以避免甲醇蒸發氣帶來爆炸危險。節流孔板為保持氮氣在泵內具有一定的壓力，當甲醇泄漏汽化進入氮氣管將導致管內壓力增加。典型設計為，氮氣經調壓閥調節后壓力為1.5 bar，當壓力高于2.0 bar時報警，判斷甲醇泵軸泄漏。

4)方案對比。

①DBB閥為標準設計，此處增加設置差壓計，在管路泄漏時，將報警信號給ECS，避免甲醇倒流入氮氣系統，進一步增強了安全性。

②主機內控制閥塊采用雙惰化管路設計，互為備用，相對于普通的單惰化管路設計，控制更精確，有備份冗余，為內部管路的安全防爆和防泄漏提供了雙保險。

③甲醇泵軸密封采用惰氣進行“氣體封阻”，替代常見“液體封阻”方案，更適合甲醇這類易揮發燃料，密封可靠性進一步提高。

4 系統控制方法和方案確定

4.1 該甲醇系統控制步驟

1)步驟1。惰氣系統進行主機和管內吹除，檢測到氧氣質量分數<2%后，低壓泵啟動，甲醇經粗過濾、加壓、加溫，然后進入混合罐消除氣阻，再經高壓泵加壓、加溫、精過濾后進入供醇管。

2)步驟2。主機啟動前，ECS檢測條件：①雙壁管風機開啟，換氣風量至少每小時30次；②雙壁管夾層內可燃蒸發氣質量分數低于20%LEL。

3)步驟3。主機啟動，加載至25%負荷。燃料供給單元內流量計和低壓泵、高壓泵配合，通過控制泵轉速、閥門開度、旁通管回流量和流量計監控反饋，給供醇管定量提供甲醇燃料。淡水供給管路內流量計和泵配合, 通過控制泵轉速、閥門開度、旁通管回流量和流量計監控反饋，給主機定量提供質量流量為甲醇流量80%的淡水與甲醇混合燃料，甲醇泵由惰氣密封。

4)步驟4。主機啟動，加載至100%負荷。與步驟3類似，給主機定量提供質量流量為甲醇流量的40%的淡水與甲醇混合燃料。

5)步驟5。主機停止，殘余燃料被泄放或收集，進行惰氣系統吹除，直至甲醇蒸發氣的濃度<20%LEL，然后供給系統和甲醇泵惰氣密封即停止運行。

4.2 方案確定

主機負荷和摻水比例關系是根據MAN 6G50ME LGIM機型的公開試驗數據確定的，可以實現如圖6所示NOx排放，達到IMO Tier Ⅲ標準。但根據以上控制方法并基于圖2的原理，實際摻混比例可以任意控制。

圖6 NOx排放與主機負荷和摻水比例關系

5 結論

根據甲醇燃料特性提出一種甲醇發動機燃料供給系統的設計原理模型，以MAN 6G50ME LGIM作為對象，進行了燃料供給單元、淡水供給管路和惰化系統中幾個重點問題和關鍵點的具體分析，確定了可變摻混比例原理模型方案的可行性，論證了惰氣防爆設計的可靠性。