船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)分析

陳祎帆

摘要： 為通過液化天然氣為船舶提供動(dòng)力，充分發(fā)揮其在節(jié)能、環(huán)保等方面具備的優(yōu)勢，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)近年來在我國船舶領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛，相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索也大量涌現(xiàn)?；诖?，本文簡單分析船舶雙燃料柴油機(jī)使用現(xiàn)狀，并結(jié)合實(shí)例深入探討船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)，具體涉及機(jī)械部分、供氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的升級(jí)，以供業(yè)內(nèi)人士參考。

Abstract： In order to provide power to ships through liquefied natural gas and give full play to its advantages in energy conservation and environmental protection， double fuel engine has been increasingly widely used in the field of ships in China in recent years， and relevant theoretical research and practical exploration have also emerged.Based on this， this paper briefly analyzes the current situation of ship dual fuel diesel engine， and deeply discusses the key system technology of ship diesel engine upgrading， which specifically involves the upgrading of mechanical parts， gas supply system and electrical system for the reference of the industry.

關(guān)鍵詞： 船舶;雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);電噴柴油低速發(fā)動(dòng)機(jī)

Key words： ship;dual fuel engine;electric injection diesel low-speed engine

中圖分類號(hào)：F407.474? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0041-02

0? 引言

為滿足日益嚴(yán)苛的船舶能效和環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力的環(huán)保、節(jié)能、綠色、減排目標(biāo)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造近年來受到業(yè)界高度關(guān)注。本文研究主要圍繞ME低速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造開展研究，深入探討ME-GI雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)改造涉及的關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)，改造需要將新的燃?xì)庀到y(tǒng)與原有燃油噴射系統(tǒng)結(jié)合，存在一定難度。

1? 船舶雙燃料柴油機(jī)使用現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段我國船舶雙燃料柴油機(jī)以新燃料機(jī)和改造機(jī)為主，改造機(jī)多為混合型機(jī)器，需要改造單一的燃料加入，添加混合燃料融合方式，雙燃料改造機(jī)進(jìn)氣多借助總管實(shí)現(xiàn)，支管輔助應(yīng)用較少，同時(shí)改造多數(shù)會(huì)將原有使用模式部分保留，但能夠?qū)崿F(xiàn)能源利用和燃料節(jié)約層面的提升。支管與總管雙開模式引入氣體能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)支管多噴的改善，但由于現(xiàn)階段相應(yīng)改造技術(shù)尚不成熟，船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)的實(shí)踐需要積極吸收國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，充分應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，這對(duì)改造提出的挑戰(zhàn)必須得到重視[1]。

1.2 工作原理

結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段95%以上的船舶動(dòng)力由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，這類船舶會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染，雖然近年來船舶污染排放控制技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但受到這類技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、復(fù)雜性影響，船舶污染排放控制仍未達(dá)到預(yù)期。作為重要的空氣污染源頭，船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染開始引起國際社會(huì)的重視，新修訂的《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》（MARPOL73/78）國際公約對(duì)船舶排放提出嚴(yán)格要求，各國政府也陸續(xù)出臺(tái)相應(yīng)規(guī)范，而隨著新能源技術(shù)和清潔能源的快速發(fā)展，在環(huán)保方面優(yōu)勢明顯的液化天然氣開始在船舶中廣泛應(yīng)用。在控制碳排放和氮排放方面，液化天然氣的優(yōu)勢顯著，且基本不會(huì)產(chǎn)生PM和硫的排放，這使得使用液化天然氣作為船舶動(dòng)力逐漸成為優(yōu)秀航運(yùn)公司的重要選擇。結(jié)合調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，柴油高壓電噴技術(shù)在船齡較小的船舶中廣泛應(yīng)用，為達(dá)到超低排放目標(biāo)，這類船舶具備向液化天然氣/柴油雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)改造的條件[2]。

現(xiàn)階段的雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)可細(xì)分為兩類，狄塞爾循環(huán)的雙燃料低速機(jī)ME-GI屬于其中代表，該雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用高壓燃?xì)庀到y(tǒng)，氣體燃料在壓縮沖程終點(diǎn)前通過高壓直噴技術(shù)噴入，之后將點(diǎn)火柴油噴入3～5%實(shí)現(xiàn)氣體燃料引燃，氣體燃料的化學(xué)能通過膨脹沖程向機(jī)械能輸出轉(zhuǎn)換。雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓直噴技術(shù)支持下無法滿足IMOTier3的排放標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于NOX排放的要求，因此需要設(shè)置排氣再循環(huán)裝置或選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器，但在不含硫的液化天然氣支持下，雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SOX的零排放。使用“奧拓”循環(huán)模式的雙燃料低速機(jī)DF同樣屬于雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)代表，該雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)使用1.6MPa的低壓壓力燃?xì)?，初始階段噴入汽缸的壓縮沖程能夠充分混合新鮮空氣，將1%點(diǎn)火柴油在壓縮沖程的終點(diǎn)噴入即可將燃?xì)庖迹紵蛎浀娜剂匣瘜W(xué)能可在膨脹沖程中向機(jī)械能轉(zhuǎn)換，在燃?xì)夤ぷ髂Ｊ较?，這類應(yīng)用低壓預(yù)混技術(shù)的雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)存在完全滿足IMOTier3要求的NOX排放，且同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SOX的零排放。但從燃?xì)夤夥绞浇嵌冗M(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，低壓供氣模式需要將燃?xì)夤忾y安裝在汽缸套、汽缸體上，這就使得很多現(xiàn)有電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造無法順利開展，對(duì)比大量應(yīng)用的ME系列電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和上述兩種雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)可以發(fā)現(xiàn)，需要改造的范圍有限，僅需要對(duì)排氣閥、汽缸蓋等部位進(jìn)行改造，無須對(duì)機(jī)架、汽缸套、汽缸體等大部件區(qū)域進(jìn)行改造，因此設(shè)置有ME系列電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的船只能夠較為便利改造為雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)SOX的超低排放目標(biāo)，這種改造的技術(shù)可行性較高。為提升研究針對(duì)性，本文研究主要圍繞ME低速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)向雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)ME-GI的改造展開，通過結(jié)合新的燃?xì)庀到y(tǒng)與原有的常規(guī)燃油噴射系統(tǒng)，通過改造電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分、液壓天然氣供氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，即可使用較清潔的液化天然氣代替柴油消耗，這對(duì)排放控制、大氣污染減少、運(yùn)營成本降低均能夠帶來積極影響，可以說船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)具備較高可行性和實(shí)用性[3]。

2? 船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)

2.1 電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分改造

對(duì)于雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)ME-GI與ME低速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可以發(fā)現(xiàn)，前者新增的系統(tǒng)和部件包括安全系統(tǒng)、燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)、密封油泵站及系統(tǒng)、燃?xì)饪刂茊卧⑷細(xì)鈬娚溟y、燃?xì)怆p壁管，主要在發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋區(qū)域集中布置新增的部件，因此需要重新設(shè)計(jì)原汽缸蓋綜合布置，針對(duì)性更換主排氣閥組、汽缸蓋組件，圖1為雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)ME-GI的排氣閥組件、汽缸蓋示意圖。

同時(shí)需要安裝燃?xì)怆p壁管、燃?xì)饪刂茊卧?、氣體噴射閥，以及燃?xì)鈾z測管、低壓供油管、泄放油管、密封油管、液壓控制管等所屬附件，其中燃?xì)饪刂茊卧O(shè)置有蓄壓罐。對(duì)于更換的主機(jī)汽缸蓋組件，新增的燃?xì)饪刂茊卧?、燃?xì)怆p壁管，需要較大幅度修改主機(jī)缸頭區(qū)域具體布置，同時(shí)改裝相應(yīng)區(qū)域的主排氣管結(jié)構(gòu)、上下通道、平臺(tái)，圖2為缸頭區(qū)域具體布置示意圖，由此可直觀了解電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分改造內(nèi)容。

2.2 液壓天然氣供氣系統(tǒng)改造

船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)的液壓天然氣供氣系統(tǒng)改造涉及兩方面內(nèi)容，即液化天然氣罐體加裝、液化天然氣供氣系統(tǒng)設(shè)置。液化天然氣罐體加裝需要考慮低壓儲(chǔ)存液態(tài)燃?xì)獾拇笮酮?dú)立C型罐體，這種罐體具備設(shè)計(jì)建造相對(duì)簡單、能夠承受一定的壓力、保溫絕緣效率出色等優(yōu)勢，但相較于薄膜型儲(chǔ)罐存在較低的容積效率。一般船只可在露天甲板區(qū)域安裝布置大型獨(dú)立C型罐體，按照進(jìn)出排放限制區(qū)航程存在的燃料消耗量需求優(yōu)選罐體倉容。油化船可在貨艙區(qū)的主甲板區(qū)域設(shè)置加裝的C型罐體，具體安裝需要保證存在適當(dāng)?shù)木o固和加強(qiáng)，氣罐緊固帶來的應(yīng)力集中也需要設(shè)法消除?？紤]到泄露問題可能導(dǎo)致罐體結(jié)構(gòu)損壞，因此需要關(guān)注冷傳遞的阻隔;液化天然氣供氣系統(tǒng)設(shè)置需要滿足30MPa的高壓系統(tǒng)需要，對(duì)于較為復(fù)雜的液化天然氣供氣系統(tǒng)來說，可按照燃?xì)鉅顟B(tài)細(xì)分為子系統(tǒng)2個(gè)，包括自然狀態(tài)天然氣系統(tǒng)、液化天然氣系統(tǒng)，前者主要負(fù)責(zé)供給主輔機(jī)使用，后者主要負(fù)責(zé)加注、儲(chǔ)存、氣化燃?xì)?。液化天然氣供氣系統(tǒng)的管路系統(tǒng)可劃分為透氣及加壓氣化、機(jī)艙外燃?xì)饧幼?、燃?xì)怆p壁管等系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，應(yīng)在機(jī)艙外布置燃?xì)夤馓幚硐到y(tǒng)，機(jī)艙區(qū)域的燃?xì)夤夤苈沸钁?yīng)用雙壁管結(jié)構(gòu)，雙壁管外層空間需要設(shè)置通風(fēng)探測系統(tǒng)或惰性氣體，降低燃?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)，管路接頭數(shù)量也需要在設(shè)計(jì)布置雙壁管的過程中盡可能減少，同時(shí)在機(jī)艙處所外設(shè)置進(jìn)出風(fēng)口及通風(fēng)機(jī)，同時(shí)風(fēng)道內(nèi)需要持續(xù)檢測可燃?xì)怏w濃度，以此得到運(yùn)行安全的雙燃料供氣管路。機(jī)艙外燃?xì)夤苈废到y(tǒng)由二次加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、惰性氣體系統(tǒng)、氣動(dòng)遙控系統(tǒng)、蒸發(fā)氣透氣系統(tǒng)、燃?xì)饧幼⑾到y(tǒng)、氣體探測系統(tǒng)、高壓供應(yīng)系統(tǒng)資產(chǎn)，高壓供應(yīng)系統(tǒng)涉及的部件包括氣化加熱器、雙聯(lián)濾器、燃料高壓泵等，具體設(shè)計(jì)應(yīng)選擇模塊化方法。對(duì)于化學(xué)品船、油輪等船只，可結(jié)合原系統(tǒng)進(jìn)行二次加熱系統(tǒng)、惰性氣體系統(tǒng)的改裝布置。考慮到不同工況下液化天然氣供氣系統(tǒng)存在較大工作溫差，布置管路后需要開展應(yīng)力分析，對(duì)象為所有液化天然氣供氣系統(tǒng)管路分支，管的重量、熱收縮、內(nèi)部壓力、船舶運(yùn)動(dòng)載荷均需要得到充分考慮，以此結(jié)合熱應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果布置系統(tǒng)管路。

2.3 電氣系統(tǒng)改造

船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)涉及的電氣系統(tǒng)改造可細(xì)分為外部系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)兩部分。主機(jī)系統(tǒng)改造主機(jī)安全系統(tǒng)及燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)的新增，需要大范圍改造原系統(tǒng)并進(jìn)行加裝，需要新增供氣站安全單元、燃?xì)饪刂茊卧⒐庹究刂茊卧?、燃?xì)馄装踩珕卧瓤刂茊卧?。如燃?xì)饪刂茊卧饕?fù)責(zé)設(shè)定密封油壓力，燃?xì)饪捎纱送ㄟ^惰性氣體吹除。供氣站控制單元負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)、泵站啟停控制及設(shè)定燃?xì)夤鈮毫?，以及監(jiān)測雙壁管通風(fēng)、密封油系統(tǒng)、惰性氣體及其他系統(tǒng)。

3? 結(jié)論

綜上所述，船舶柴油機(jī)升級(jí)雙燃料機(jī)需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分改造、液壓天然氣供氣系統(tǒng)改造、電氣系統(tǒng)改造等內(nèi)容，則提供了可行性較高的改造路徑。為更好升級(jí)船舶柴油機(jī)，停缸技術(shù)的引入、甲板區(qū)域的充分利用同樣需要引起業(yè)界人士重視。

參考文獻(xiàn)：

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