双燃料船用发动机控制技术

2020-07-01覃慧

舰船科学技术 2020年6期

覃慧

（玉柴船舶动力股份有限公司，广东珠海 519175）

0 引言

双燃料船用发动机作为一种新型动力系统，与传统发动机相比，该类发动机的动力更强，消耗的能源更少，并且由于使用液化天然气，整个运行过程中，产生的废弃物较少，符合现阶段节能减排的相关要求。为更好地发挥出双燃料船用发动机的技术优势，本文在分析其原理的基础上，明确发动机控制系统的调试要点，制定安全管控策略，逐步形成完备的双燃料船用发动机控制机制。

1 双燃料发动机概述

对双燃料发动机进行整体性分析，有助于工作人员在思维层面形成正确的认知，掌握其运行特点，为后续控制系统工作原理的分析以及调试工作的进行起到指导作用。

在相关技术的支持下，双燃料发动机往往将已有的柴油发动机作为基础，进行必要的技术改装，增加液化天然气的供给装置，在此基础上，提升发动机的功率，为船舶提供更为稳定、持续的动力输出。具体来看，双燃料发动机能够根据实际的使用需求，进行纯柴油和双燃料2 种动力模式，充分满足不同场景的动力需求，例如当船只处于空载或者怠速状态下，操控人员可以选择纯柴油，对船只进行驱动，当船只处于满载或者标定状态下时，操控人员可以选择双燃料模式，增加液化天然气的使用量，逐步减少柴油的燃烧比例，以达到提升动力输出、减少能源损耗的目的，在这一过程中，天然气对于柴油的替代率可以达到85%左右，从天然气的价格、燃烧率等角度来分析，天然气的价格相对于柴油而言较低，并且燃烧率较高，在燃烧过程中，不会产生二氧化碳、含氮废物，具有较高的生态效益[1]。这种设备的性能优势，使得双燃料发动机逐步成为目前船用动力系统的主流构成，具有较为广阔的市场。同时双燃料发动机具有模块化设计的特点，设计难度相对较低，并且不同的设备组件之间有着较好的兼容性，使得双燃料发动机的运行稳定，事故发生率相对较低。

2 双燃料船用发动机控制系统工作原理

作为管控双燃料船用发动机运行状态的重要机制，控制系统在调控发动机运行效率、调控能耗等方面发挥着关键性作用。出于这种考量，在双燃料船用发动机运行过程中，工作人员需要明确控制系统的工作原理，明确控制系统的运转流程，对后续控制系统的调试、安全管控有着一定的促进作用。

双燃料船用发动机控制系统主要由双燃料发电机控制器、喷阀、各类传感器、控制执行器等组件构成，其具体结构组成如图1 所示。

图1 双燃料船用发动机控制系统结构图

考虑到双船用发动机运行模式特性，控制系统在组建、优化的过程中，针对于双燃料船用发动机的不同运行模式，进行不同控制模式的切换，满足差异化的控制需求。例如双燃料船用发动机控制系统在各类传感器、执行器的支持下，能够根据纯柴油模式以及双燃料模式的特点，对控制系统进行优化。例如在双燃料模式下，控制系统能够自主检测燃气的压力、流量情况，根据发动机的运行要求，在传感器、执行器的控制下，对燃气流量、气压进行必要的管控，在管控过程中，将燃气与柴油进行充分的混合，为发动机提供更为稳定、强劲的动力。除了进行动力模式的转化之外，控制系统还能够做好双燃料发动机故障诊断等工作，实时掌握发动机的运转状态，并根据运转状态判定双燃料船用发动机是否存在故障以及故障发生的位置。除了进行故障诊断之外，控制系统还可以开展压力保护、排温保护、安全预警等系列保护举措，逐步提升双燃料船用发动机的运行成效，减少设备故障的发生机率，满足实际的船舶发动机使用、保养需求。

3 双燃料船用发动机控制系统调试要点

为增强双燃料船用发动机控制系统各项控制指令的准确性、有效性，确保发动机始终处于良性运转状态，工作人员有必要在科学性原则、实用性原则的引导下，依托双燃料船用发动机以及控制系统的运行原理，采取必要技术举措，对系统调试工作作出相应调整，掌握系统调试的要点，增强控制系统运行的有效性。

双燃料船用发动机控制系统在调试的过程中，为保证调试效果，可以从船舶柴油油门目标设定、燃气开度调整等几个角度出发，有针对性地做好调试工作，确保控制系统的运行符合预期，强化对双燃料船用发动机，在不同运行模式下，管控工作的开展要求。具有来看，对于船舶柴油油门目标设定，可以确定出双燃料发动机最经济的运行方案，从过往经验来看，在发动机以柴油为动力进行运行的过程中，控制系统会根据传感器反馈的数据，对各类执行器进行调节，使得燃气有序参与燃烧作业，在参与的过程中，柴油的供给量逐步减少，实现混合动力供给。为保证这一混合过程的有序进行，控制系统需要对船舶柴油油门的运行曲线进行分析，确定油门的运行区间。经过必要的数学模型分析，研究人员发现，在双燃料船用发动机运行过程中，考虑到发动机运行安全性、故障管控的考量，在双燃料船舶空载或者负载率达到80%以上的情况下，不建议加气，采用船舶柴油纯动力模式。在有效荷载处于80%以下时，可以不断增加天然气参与比例，逐步扩大燃气阀门的开度，实现对柴油的有效替代。考虑到双燃料船用发动机的特点，在控制系统调试的过程中，除了做好上述宏观层面的调试工作之外，还需要针对控制系统内使用的传感器、控制器等进行性能测试，保证其实际的运行成效，避免出现传感器、控制器功能缺失的情况。具体来看，在控制系统构建环节，工作人员需要结合过往经验，对传感器的类型、数量进行梳理，并对传感器进行必要的调试，确保其处于良性的运转状态，保证控制系统能够根据双燃料船用发动机的实际，快速作出反应，强化发动机的控制能力，同时也大大增强控制系统在故障判定以及组件维护方面的作用。

4 双燃料船用发动机安全管控策略

双燃料船用发动机控制系统重要职能在于维持发动机良性运转状态，减少发动机运行过程中出现安全事故的机率，为双燃料船用发动机的运行营造出安全、稳定的环境，提升了发动机连续工作的能力[2]。

双燃料船用发动机在安全管理的过程中，一方面需要相关管理人员，结合实际情况，制定详实的安全管控制度，形成完备的管控制度框架，引导相关管理人员有序参与到双燃料船用发动机的安全管控工作之中。这就要求，逐步细化责任，明确工作分工，同时做好培训工作，在系统化培训的基础上，有序增强工作人员对于安全管控举措的落实能力。另一方面要加大控制系统完善的力度，通过必要的系统完善与优化，使得控制系统能够识别双燃料船用发动机存在的安全风险，并进行必要的压力保护、排温保护、安全预警等工作，实现双燃料发动机运行平稳化与安全化，降低发动机内部组件发生安全事故的机率，例如燃气泄漏的监测，惰性气体安全吹扫，还有一些防爆设计。同时火灾声光报警以及一些消防系统在预警机制的支持下，工作人员能够快速作出反应，应对各类突发状况。