浅谈LNG运输船双燃料发动机燃气系统

马 奔，曾 辉，曹成立

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

1 前言

随着科学技术的发展，自上世纪九十年代开始，天然气作为洁净燃料日益引起人们的关注。相对于采用煤或燃油作为燃料的船舶，采用天燃气为燃料的船舶在减少碳排放和氮氧化物污染方面优点突出，使得采用LNG+燃油的双燃料发动机技术的船舶越来越受关注。特别在LNG运输船上应用，具有明显的经济性。LNG运输船每天的液货自然汽化率为0.1%左右，可以将这部分自然汽化的天然气用作船舶主机和发电机原动机的燃料。

本文介绍某LNG运输船搭载的MAN 8L51/60DF LNG+燃油双燃料发动机燃气系统辅助设备、运行模式及测试结果，有助于读者进一步了解双燃料发动机的工作特点。

2 双燃料发动机燃气系统辅助设备

2.1 燃气阀组单元（GVU）

2.1.1 GVU的组成及其功能

GVU由燃气滤器、燃气流量计、燃气压力控制单元、快速切断阀组、透气管路和惰性气体接口组成。

（1）燃气滤器

用于燃气管道系统的气体过滤，保证管路系统设备正常运行。

（2）燃气流量计

用于测量发动机的燃气消耗量。

（3）燃气压力控制单元

作用是将高、低不同的压力信号反馈给发动机控制系统，对燃气压力进行自动控制和实时调节。

（4）快速切断阀组和透气管路

作用是当发动机燃气管路中可燃气体探测仪检测到可燃气体泄漏，或在发动机由燃气模式转换到燃油模式时，自动快速关闭主供气阀，切断燃气的供给，并将GVU和GVU与发动机之间的燃气管路中的燃气泄放到规定的位置。

（5）惰性气体接口

作用是当发动机从燃气模式下转换至燃油模式，或在燃气模式下，紧急停止并快速中断发动机的燃气供应之后，对GVU和GVU与发动机之间的燃气管道进行吹扫，确保燃气管路内无燃气残留而留下安全隐患。

2.1.2 GVU的设置要求

由于MAN双燃料发动机所配置的GVU的燃气管道均为单壁管，其阀门附件也未采取密封措施，按照气体安全型机舱的设计要求，须在机舱外部设置单独的房间进行布置；并且该房间应作为危险区域进行管理，室内所有的电器设备均需按照危险区1的有关规定加以设定，对房间内部空间都要设置高效的通风系统，以避免燃气意外泄漏在这些房间内积聚，并设置易燃气体探测系统，对易燃气体浓度实施持续的监控。

2.2 双壁管

货舱LNG自然蒸发气连接GVU双燃料发动机的管路，均需采用双壁管，且对双壁管内外管空间设置有效的通风；双壁管材质为不锈钢，其中内壁管和外壁管都需要经过焊前校管、焊后探伤、管路表面清洁钝化及整个管路系统的密性和泄漏试验等几个过程。

为确保燃气供给系统能够对双燃料发动机在燃气模式下的负荷变化作出快速反应，GVU出口至双燃料发动机燃气进口之间的供给管路应尽可能的短，MAN双燃料发动机要求该段管路≤20 m，而瓦锡兰双燃料发动机则要求≤10 m。

2.3 引燃油单元

当发动机在燃气模式下工作时，燃气被喷入发动机进气管中，与空气混合产生均匀的可燃混合气进入气缸内，引燃油单元引导燃油喷射到气缸内引燃混合气。这种燃烧方式，同时具有点火式和压燃式发动机的燃烧特点。

引燃油单元由油箱、过滤器、进出口管路等组成，是一个单独的系统，引燃油一般使用轻柴油或船用柴油。

2.4 引燃油喷射系统

在发动机上除了主喷油系统外，还有一套独立的引燃油喷射系统，它由喷油器、高压单元、高压管路等组成。

引燃油的喷油量，一般是根据负载的大小通过节流阀的开度来控制。节流阀由电磁信号控制，当无电磁信号时节流阀全开；需要实时调整整个系统的参数来保持一定的共轨压力，引燃油喷射系统最大共轨压力为1 400 bar。

3 双燃料发动机运行模式

3.1 燃油模式

和传统的柴油发动机相同，燃油的高压油泵在凸轮轴的推动下工作，主喷油器喷油，引燃油系统运转并喷油，而燃气进气阀处于关闭状态，见图1所示。

图1 发动机燃油模式运行示意图

3.2 燃气模式

在燃气模式下，主喷油系统正常工作，但油路旁通，主喷油器不喷油。燃气进气阀根据负荷的大小选择打开时间长短，以控制进气量，见图2所示。

图2 发动机燃气模式运行示意图

3.3 油气混烧模式

当货舱LNG自然蒸发气不足，且发动机的功率高于35%但低于85%时，双燃料发动机进入油气混烧模式，以便更有效的控制货舱压力和实现最佳节能效果;当发动机功率低于35%或者高于85%时，发动机自动转换为燃油模式。

3.4 备用模式

双燃料发动机在运行过程中，若机舱跳电或引燃油系统故障，不仅BOG供气系统会停止工作，而且引燃油单元和喷射系统也会停止工作,不管发动机原来处在什么模式下，都会立即自动转入备用模式工作,启动备用模式后，智能控制器就会默认引燃油系统故障，需要停车排除故障后,才可以切换至其他模式,见图3所示。

图3 发动机备用模式运行示意图

在前三种模式下，引燃油系统都在工作，这是因为要保持引燃油喷油器的清洁，要求不管是在燃油模式下还是在燃气模式下都要求引燃油系统工作；备用模式是在引燃油系统出现故障、发动机处于燃油模式、并且只有主喷油系统工作情况下的一种应急工作状态；厂家建议备用模式下发动机总运行时间不应超过15小时，超过15小时有可能会造成引燃油喷油器损坏；LNG运输船试航阶段，会进行短时间的双燃料发动机备用模式试验。

3.5 发动机油气模式转换及管路吹扫

出于安全性的考虑，ABS和LR等主要船级社都要求所有双燃料发动机必须以燃油模式启动，目的是验证主燃油和引燃油系统是否正常，并准备好随时可以将燃气模式切换到燃油模式；以燃油模式起动发动机，在切换为燃气模式之前，需要对燃气管路进行吹扫，先用氮气吹扫，再用天然气吹扫。吹扫管路，包括发动机机带燃气管、船厂双壁管与GVU相关管路。

（1）发动机燃气管路吹扫

执 行 吹 扫 指 令 时，2PV5865、3PV5865、1FSV5888A打开，吹扫压力要高于2.8 bar；吹扫的废气通过透气管排放到安全区域；吹扫结束后，这3个阀关闭；

（2）GVU管路吹扫

吹扫时，CG408、CG410、4FV-002打开，吹扫过程持续180 s；吹扫废气经过透气管，排放到安全区域；吹扫结束后，这3个阀关闭；

（3）泄漏检测

吹扫结束后，控制程序还要执行泄漏检测，检测分为三个步骤：

① 2PV5865、3PV5865打开，1PV5864关闭，燃气进入GVU；通过检测1PT5865处的压力变化（设定为30 s内升高2 bar），判断1PV5864是否泄漏，如果有报警，则执行氮气吹扫程序；然后检查1PV5864的情况；如果没有报警则执行下一步；

② 1PV5864打开，1PV5865、2PV5864关闭，通过1PT5865的压力变化，判断1PV5865和2PV5864是否有泄漏。如果压力没有升高，有可能是1PT5865或1PV5865、2PV5864有泄漏情况，这时用氮气进行吹扫；然后检查这三者的情况，如果没有报警进入下一步；

③ 1PV5864关闭；通过检测1PT5865处的压力变化（30 s内降低2 bar），判断2PV5864和1PV5865是否有泄漏。如有报警则用氮气吹扫，然后检查二者的情况；如果没有报警，泄漏试验结束；1PV5864和1PV5865打开，2PV5865和3PV5865关闭，燃气进入发动机，发动机自动切换为燃气模式。

3.6 发动机切断供气试验

试验目的是验证在切断燃气供应后，发动机能否自动转换为燃油模式：

（1）关闭机舱左舷供气主阀,检查左侧发动机是否转换为燃油模式；

（2）关闭机舱右舷供气主阀,检查右侧发动机是否转换为燃油模式；

（3）关闭供气总阀,检查左、右侧发动机是否转换为燃油模式，功率输出是否有中断的情况。

通过上述测试表明，双燃料发动机的运行模式转换、燃气管路吹扫、GVU管路吹扫、泄漏检测等方面性能良好，满足要求。

4 结语

本文介绍了某LNG运输船搭载的 MAN 8L51/60DF LNG+燃油双燃料发动机燃气系统辅助设备的功能、运行模式及测试结果，可供船厂工程技术人员学习和参考。随着国家大气环保要求的提高、国家财税政策扶持力度的增大和LNG气站的增加，同时伴随着我国LNG产业的快速发展，LNG运输船也将迎来发展的黄金时代。