MAN雙燃料四沖程柴油機的油/氣混燒模式及應用

王書雷　陳業(yè)平

摘要：隨著雙燃料四沖程柴油機在海洋工程中的不斷應用，一些優(yōu)化功能也得到了不斷的開發(fā)和應用。本文對MAN 51/60DF雙燃料柴油機的油/氣混燒模式進行簡單介紹，該功能對LNG船運營帶來的好處進行分析，并闡述該模式的控制和使用限制條件。

關鍵詞： 雙燃料柴油機 油/氣混燒 LNG船 運行模式

目前，應用于LNG船舶的雙燃料四沖程柴油機主要有兩家生產商，分別是瓦錫蘭和曼恩。兩家雙燃料柴油機的運行模式基本是一致的，可分為燃氣模式（GAS MODE）、液態(tài)燃油模式（DIESEL MODE）和備用模式（BACKUP MODE）。燃氣模式下雙燃料柴油機約99%的燃料為燃氣，約1%的輕質柴油作為點燃油（PILOT OIL）；液態(tài)燃油模式下雙燃料柴油機全部使用液態(tài)燃料，包括高壓油泵驅動的主燃油和約1%的輕質點火燃油；備用模式是在點火引導油系統(tǒng)故障時，僅依靠高壓油泵驅動的主燃油作為全部燃料，但只能短時運行。上述三種運行模式可以發(fā)現(xiàn)，進入雙燃料柴油機氣缸內的主燃料幾乎全部利用氣態(tài)燃料或液態(tài)燃料，運行模式可以相互轉換，但燃油和燃氣作為主燃料不能同時進入柴油機氣缸。為了真正實現(xiàn)柴油機的雙燃料混燒運行，MAN Diesel & Turbo公司針開發(fā)了另一運行模式——油/氣混燒模式（Fuel-Sharing Mode），本文就MAN 51DF雙燃料柴油機使用油/氣混燒功能進行探討。

1 油/氣混燒模式的開發(fā)

目前大型雙燃料柴油機電力推進LNG船多數使用4～5臺雙燃料柴油機，如果某一臺雙燃料柴油機能夠液體燃料和揮發(fā)氣燃料同時混燒并根據揮發(fā)氣的量進行自動調節(jié)燃氣和液態(tài)燃油的比率，對LNG船艙壓的控制和節(jié)能有著明顯的積極作用。MAN Diesel & Turbo 公司設計人員根據雙燃料柴油機從燃油模式轉換到燃氣模式有一段燃油和燃氣共同燃燒的過程為思路，經過大量的臺架實驗，開發(fā)出了油/氣混燒這一工作模式。就是LNG揮發(fā)氣和液態(tài)燃油（MGO、MDO或HFO）可以在柴油機的同一氣缸內共同燃燒做功，整臺柴油機所有氣缸同時以一定的氣體/液體燃料比率來使用混合燃燒的工作模式，如下圖1-1所示。

2 油/氣混燒功能的操作限制

雙燃料柴油機在油/氣混燒模式下運行時，燃氣和液態(tài)燃油共同進入柴油機氣缸，這就要求該雙燃料柴油機既要滿足燃氣運行的條件又要滿足液態(tài)燃油燃燒的要求。雙燃料柴油機在液態(tài)燃油模式工作的原理是基于狄賽爾循環(huán)（Diesel Cycle），而在燃氣模式工作的原理是基于奧托循環(huán)（Otto Cycle）。工作原理的不同，雙燃料柴油機部件的機械性能和排放限制等要求，決定了油/氣混燒功能必然有一定的操作限制。曼恩在進行大量試驗的基礎上，根據液態(tài)和氣態(tài)燃料比以及機器的負荷對油/氣混燒模式的運行分為A1-A5個區(qū)域，可參考下圖2-1。

圖中下橫軸——氣態(tài)燃料占總需求能量的百分比；上橫軸——液態(tài)燃料占總需求能量的百分比，兩者相加為100%。豎軸——柴油機的負荷?？梢?，0～15%MCR只能使用液態(tài)燃油；15%～100%MCR可以持續(xù)運轉，其中深色區(qū)域可以實行油/氣混燒，100%～110%MCR僅為頻率調節(jié)時使用，如突加負荷等。

圖2-1中的A1區(qū)域為油/氣混燒推薦的運行區(qū)域：該區(qū)域位于雙燃料柴油機運行區(qū)域的中央，隨著柴油機負荷的增加可操作區(qū)域逐漸變寬。

A2區(qū)域油/氣混燒可以運行，但不推薦的區(qū)域。該區(qū)域總體負荷大約低于50%MCR，隨著燃氣在總能量的百分比逐漸增加，燃油百分比隨之相應減少，區(qū)域也隨之擴大；該區(qū)域油/氣混燒模式可以操作，但盡量避免。在本區(qū)域柴油機的負荷較低，燃氣能量占的比例較高，液態(tài)燃油比例較小，會造成霧化不良而導致冒黑煙。

A3區(qū)域不能進行油/氣混燒運行：該區(qū)域隨著負荷的增加逐漸減小，氣體進氣閥門需要最小的開關時間，氣體噴射不能有效進行，只能采用燃油模式。備注：燃氣進入氣缸需要經過燃氣進氣閥，該進氣閥是美國伍德沃德（WOODWARD）公司專門為雙燃料柴油機設計的電磁脈沖作用的閥門，內部使用金屬閥片，具有一定延遲，需要最小的開關時間。

A4區(qū)域不能進行油/氣混燒運行：該區(qū)域為了保證燃油霧化質量，噴油嘴最小油量無法保證，從而無法進行氣體混燒模式運行，只能采用燃氣模式。

A5區(qū)域不能進行油/氣混燒運行：出于柴油機運行安全的考量，0～15%MCR范圍內，雙燃料柴油機的負荷低，會造成大量沒有燃燒的燃氣進入排氣系統(tǒng)，不允許使用氣體模式，而只能采用燃油模式。

3 油/氣混燒模式的控制

對于雙燃料柴油機電力推進液化天然氣船，船舶的控制系統(tǒng)包含有能源管理系統(tǒng)（PMS Power Management System）和綜合自動化系統(tǒng)（IAS Integrated Automation System）。為了描述油/氣混燒功能和船舶控制系統(tǒng)的界面和控制，下面以一艘雙燃料柴油機電力推進系統(tǒng)的液化天然氣船中的任意兩臺雙燃料柴油機為例進行說明如下圖所示。

根據上圖可以看出，使用油/氣混燒模式的雙燃料柴油機與沒有該模式的雙燃料柴油機，需要額外的輸入/輸出信號與船舶能源管理系統(tǒng)進行聯(lián)系，是否使用油/氣混燒功能需要船員確認的開關量信號和燃氣/燃油的比率的4-20毫安模擬量信號。船員根據需要對其中某臺雙燃料柴油機選擇使用油/氣混燒功能后，為了船員的操作方便，使用貨艙壓力信號作為控制信號，對燃氣/燃油的比率進行自動調節(jié)控制。

為了理解方便，以液化天然氣船在滿載航行時的一個操作為例來進行說明。液化天然氣船從裝貨港開出，此時因為貨艙內貨物不穩(wěn)定，自然揮發(fā)氣較多而造成貨艙壓力較高。為了消耗掉該部分自然揮發(fā)氣，需要所有的雙燃料柴油機在燃氣模式下全負荷運行，通過一定時間的航行后，貨艙內揮發(fā)氣量趨于穩(wěn)定，如果柴油機消耗的燃氣量大于穩(wěn)定的揮發(fā)量，則貨艙內壓力逐漸降低，當貨艙壓力降低到貨艙設定的最低值，如果還需要全負荷運行，則燃氣將供不應求，此時，船舶綜合自動化控制系統(tǒng)會發(fā)出信號給船舶功率管理系統(tǒng)要求。a.增加一臺柴油機使用燃油補充功率，降低氣體燃料消耗量（無混燒功能）；b.給出指令讓其中一臺雙燃料柴油機從燃氣模式轉換到油/氣混燒模式，同樣降低氣體燃料消耗量，并發(fā)出提醒信號給船員，船員需要選定一臺雙燃料柴油機，并在該臺雙燃料柴油機的控制系統(tǒng)內通過確認按鈕進行確認。這樣，該臺雙燃料柴油機就會在一定的燃氣/燃油比率（如20%的燃油，80%燃氣）運行在油/氣混燒模式。如果艙壓進一步降低，雙燃料柴油機的控制系統(tǒng)會自動改變燃氣/燃油的比率（如30%燃油，70%燃氣）。

上述兩種方式都可以通過增加液體燃料、降低了氣體燃料的消耗而達到控制貨艙內壓力的目的，但因為a模式比b模式需要多運行一臺柴油機。所以很明顯，b模式比a模式節(jié)能。

4 結束語

雙燃料柴油機是近年來為了滿足LNG船舶運輸需要而開發(fā)的一種新型柴油機，油/氣混燒是為了優(yōu)化LNG船貨艙壓力而開發(fā)的特殊的操作模式。目前世界上只有MAN公司的雙燃料柴油機有此功能，而且此功能在2014年1月份才得到世界上知名的船級社（美國、法國、挪威、中國、德國和英國勞氏船級社等）的認可。

參考文獻：

[1] MAN Diesel & Turbo.51/60DF Project Guide-Marine[M].Version 3.5， 2013.06，Page 2-61-63.