柴油机双燃料系统风险分析与评估

游哲锐

（中国船级社上海分社 上海200120）

柴油机双燃料系统风险分析与评估

游哲锐

（中国船级社上海分社 上海200120）

通过运用故障模式和影响分析法，对柴油机双燃料系统的风险进行分析和评估,来确定双燃料系统有关故障的风险程度，以便按照风险值的大小对相应故障采取有效的预防措施，以提高双燃料系统柴油机运行的安全性和可靠性。

双燃料系统；柴油机；风险；分析评估；故障模式和影响分析法

引 言

随着国际社会及航运界对海上环境保护日趋重视，燃油成本不断升高，使得越来越多的船东倾向于选择更加清洁廉价的能源作为船舶动力来源的替代燃料。双燃料系统的柴油机具有燃料混合灵活以及低排放的特点［1］，从而在市场需求中脱颖而出。与此同时，双燃料运用所带来的风险也逐渐成为焦点。

近年来，由于柴油机可靠性日趋提高，更多的LNG船采用双燃料技术的柴油机。早在2003年，MAN公司就提出ME-GI双燃料柴油机概念［2］，航运界对此极为关注，与此同时，业界权威也开始对双燃料柴油机运用于LNG船舶进行可行性探讨。

LNG是一种洁净高效的能源。双燃料柴油机可充分利用LNG液舱蒸发气（BOG）作为燃料，使用成本较低。但由于需要在机舱内使用LNG，故在船舶上使用双燃料柴油机的安全性值得关注。

1　柴油机双燃料系统发展现状与应用

早在1994年，12K80MC-GI双燃料柴油机在日本千叶Chiba电站项目中作为动力装置采用［3］，这为后续的LNG船舶采用双燃料技术提供了技术基础。航运市场对经济性、可靠性的追求，催生了ME电子控制柴油机。2004年，6S70ME-C柴油机成功运用于LNG船，开辟了LNG船舶采用柴油机为主动力的时代。目前，MAN B&W MEGI 发动机采用直喷形式，属于高压进气；瓦锡兰DF发动机采用支管进气。M.V．klatawa 是迄今记录最早的一艘由双燃料推进的客渡船，2005年法国大西洋船厂建造了世界第一艘最大双燃料LNG船。国外比较有代表性的双燃料动力船有：M/F Glutra、Viking Energy、Maersk Drury等。

2　双燃料系统柴油机

2.1简 介

目前，相对成熟的双燃料柴油机主要有MAN B&W ME-GI电控双燃料柴油机及瓦锡兰DF系列。

ME-GI，即ME engine with gas injection，是由MAN B&W公司在2005年推出的一款电子控制的双燃料机。与过去生产的ME柴油机相比，该机型增加了独立的燃气供给和喷射系统，如图1所示。瓦锡兰DF系列双燃料柴油机，参见图2。

图1　ME-GI电控双燃料柴油机系统

图2　瓦锡兰DF电控双燃料柴油机

2.2结构特点

ME-GI柴油机是以成熟电子控制式ME柴油机为基础，专为LNG市场开发的能燃烧天然气和燃油的船用低速电控柴油机。它在ME电控型柴油机上安装一个25～30 MPa压力天然气共轨，并对一些零部件进行改进，能实现柴油和第二燃料之间的方便转换。

瓦锡兰DF系列柴油机运用气体开关单元对从装有低压泵蒸发器、加热器的LNG 箱（罐）里的气体进行控制。主要特点为该系列机型采用预喷射和预燃烧室技术，最小化点火油耗，提高燃烧稳定性并减少排放。

3　柴油机双燃料系统风险

柴油机双燃料系统技术研究已有20余年，从最初的陆用到现今的航运市场。LNG燃料动力船的柴油机双燃料系统一般包括燃料充装、燃料储存、燃料供应和燃料利用，典型布置图见图3。

图3　典型LNG船柴油机双燃料系统简图

从燃料特性角度考虑，配备双燃料柴油机的LNG船，其危险点主要在于燃料利用的机器处所以及燃料供应的管系。

首先，在机器处所内，发动机、ECU（中央控制系统）和气体通道管路的布置，导致其着火源较为集中，发动机及其管路泄漏所产生的可燃气体危害性极大，极易引起火灾。且发动机燃料结构及性质变化，会带来磨损、拉缸、爆燃等故障。同时，ECU（中央控制系统）作为控制燃料供给的中枢及纽带，对其可靠性要求和与主机互相协调的工况能力尤为重要。

其次，管系作为燃料供应的承接部分，其主要风险在于各个连接部位的阀件、密封接头等，以上部分的泄漏将导致船体部分区域引发低温损害及可燃气体聚积，极易造成火灾和爆燃等危害。因此，对燃料供应管系的安全可靠性应严加控制。

综上所述，双燃料柴油机系统的风险因素主要包括以下两个方面：

3.1外部系统

3.1.1系统管路

燃气喷射阀因其工作特点，是燃气供给的主要门户。喷射阀的密封性不好以及外部连接管路的破损，都会导致燃气的泄漏。双层管路及相关密封阀件的损坏，也会导致燃气泄漏。

3.1.2密封油供给系统故障

在燃气喷射阀中，如果密封油的压力过低，则燃气将阻止燃气喷射控制电磁阀打开。

3.2内部系统

3.2.1燃气喷射阀故障

燃气喷射阀开闭缓慢或者是在开启位置中卡死，导致燃气大量喷入气缸。当排气阀打开时，燃烧产物和未燃烧物在高温环境下以混合物形式流出，进入废气管路。经过排气阀的混合物温度也会升得很高，当其与废气混合时，因含有部分氧气，则可能在废气系统发生剧烈燃烧，从而导致气缸排温高，甚至引发爆炸。

3.2.2控制油系统

控制油系统供油不足，将导致燃气喷射量减少，功率输出下降。

3.2.3通风系统故障

通风不良，将导致供气系统渗漏的燃气聚集，存在潜在的着火爆炸危险。

3.2.4其 他

蓄压器能力不足，气液分离器功能丧失等。

4　标准指南

我社在2010年12月制定的《气体燃料动力船检验指南》第6.1条“一般规定”中指出，应对所有可能影响发动机燃烧过程的故障进行故障模式和影响分析（FMEA），并提交分析报告［4］。

5　故障模式与影响分析

在实施故障模式和影响分析的过程中，本人制作了调查表，进行相关调查。根据每一份调查表，将故障发生的频次O、影响严重程度S和检测难易程度D的评判结果转化为相应的十分制数字。然后根据12组数据，对各个指标进行计算，算出算术平均并取整数，得到各个故障模式相应O、S、D算术平均值（如公式1、2、3），并由公式4进一步计算出各模式所对应的风险顺序数RPN值。

式中：O为故障发生频次分值，分；S为影响严重程度分值，分；D为检测难易程度分值，分；N为调查次数，次。

同时，对RPN各指标评价标准进行定义，参见表1、表2、表3。

表1　故障发生频次评价标准

表2　影响严重程度评价标准

表3　检测难易程度评价标准

综上所述，并根据第3点中所列举的系统风险进行细化分析，对燃气系统制定如表4所示详细的FMEA表格。

表4　双燃料柴油机燃气系统故障模式和影响分析表

6　结 论

由表4可见，风险顺序数的排名为通风系统通风不良、燃气双层管内管泄漏、气液分离器功能散失等。RPN值较大的项目存在较大的风险，需要根据其影响严重程度采取专门的控制和预防措施。通过对柴油机双燃料系统进行故障模式和影响分析，旨在评估双燃料系统存在的风险，由此来提高双燃料船舶的安全系数，对高风险项目进行预防。

［1］ 顾磊，张善杰.聚焦船用柴油机最新技术［J］.船舶物资与市场，2010（6）：36.

［2］ 单卓.MAN B&W ME-GI柴油机双燃料系统风险评估研究［D］.大连海事大学，2008：1-2.

［3］ 夏立国，翁昕昊.MAN B&W ME-GI双燃料低速二冲程柴油机［J］.船舶标准化工程师，2012（1）：24-25.

［4］ 中国船级社.气体燃料动力船检验指南［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

游哲锐（1987-），男，助理工程师，研究方向：船舶与海洋工程。