大功率船用发动机高压燃气供气系统

（湖北迪峰船舶技术有限公司，武汉 430070）

0 引言

目前船用双燃料发动机的供气压力有多种，包括300 bar（1 bar=0.1 MPa）、16 bar和 6 bar～8 bar等。高压燃气发动机一般较多用于大型船舶，而且其功率大、单位时间内耗气量多，因而在整个发动机运行过程中对燃气供给的要求相对较高，这就对燃气供给系统提出了较高的要求。

ME-GI双燃料二冲程发动机是 MAN公司生产的低速大功率双燃料发动机，该机最核心的概念是缸内燃气直喷，即通过加压装置把燃气增压至300 bar，由燃气喷射阀将高压燃气直接喷入气缸[1]。该机型是船用高压燃气发动机的典型代表。

由于供气系统的气源来自常规的LNG储罐，供气压力一般为4 bar～7 bar，如果要达到发动机对供气压力的要求，就必须采取相应的措施，确保FGSS供气压力满足MAN双燃料二冲程发动机的要求。在系统设计时，对此给予了充分考虑，通过系统设置的设备，如LNG输送泵、高压泵和储压罐等，使系统压力稳定、燃气温度适合，确保燃气供气品质（压力、温度）达到发动机所规定的要求，并确保系统的安全可靠。

1 燃气供给压力

1.1 燃气供给系统的组成

高压燃气供应系统设备包括LNG储罐、LNG输送泵、高压泵、高压气化/加热器、储压罐和相应阀件等。

在发动机运行过程中，当燃气供应系统给发动机供给燃气时，首先通过高压泵给LNG加压，经高压气化/加热器气化和升温、高压储压罐及调压阀稳压，使燃气品质（温度、压力等）达到发动机所需要的参数要求，最后进入发动机燃烧作功，如图1所示。

图1 发动机高压燃气供给系统基本原理

1.2 增压方式的选择

将4 bar～7 bar的LNG增压至300 bar，可以采用气态压缩方式，也可以采用液态加压方式。通过分析比较，选择液态加压比气态加压更经济，能耗相对较小。由于同种物质气体密度远小于液体的密度，气体静压能项数值比液体大得多，单位重量气体要从压缩机获得的静压能比液体从泵获得的静压能大得多，同等条件下，用泵加压更节省功耗[2]。而且液态加压泵设备体积比气态压缩机小得多，有利于设备在船舶上的布置。

1.3 稳压

ME-GI双燃料发动机燃气供气压力要求为：

100%负载时：300 bar

动态波动率：±5%

静态波动率：±1%

供气温度：≤+45℃

发动机在双燃料模式下的燃气消耗是在 20%负荷至100%负荷之间变化的[3]。

双燃料发动机初始运行阶段以纯柴油模式运行，当发动机从纯柴油模式转入双燃料模式时，供气系统的燃气供给流量从零突然加大至发动机燃烧做功所需的流量。在流量突变的影响下，管路压力会发生瞬间的波动及变化。其次，当发动机工况在20%负荷至100%负荷之间变化时，燃气耗气量也在不断变化，耗气量的变化使得管路的压力在瞬间不断地变化波动[4]。

由于发动机供气压力高（300 bar），为保证连续稳定的供气压力及供气安全，从以下几个方面加以考虑：

1）LNG输送泵

为了维持系统供气压力，LNG高压泵必须连续运行。虽然高压泵具有一定的自吸能力，但由于高压泵所处的燃料准备间距LNG储罐有一定距离，且受管路摩擦阻力的影响，以及船舶在航行中出现摇晃时导致高压泵进口端出现瞬间真空，从而使供气管道压力出现波动。当压力波动超过动态波动率时，就会影响发动机的正常运行。为保证发动机连续稳定运行，在高压泵进口端（储罐内或管路中）设置了LNG输送泵，向高压泵提供连续不断的LNG，确保高压泵在任何状态下进口端不会出现真空状态，使供气系统连续可靠运行。

2）变频高压泵

ME-GI双燃料发动机满工况燃气供气压力为300 bar，为维持压力稳定，高压泵需连续不断的运行。为了稳定供气变量条件下的供气压力，采用变频电机驱动的高压泵。变频电机可实现8 Hz～50 Hz自动无级变速，转速可以根据高压储压罐的压力控制跟踪调节，从而实现供气压力的恒定[5]。当系统消耗气量降低时，高压泵提供的LNG量大于系统消耗量，自动控制变频电机降低转速，减少输出 LNG量；反之则提高电机转速增加LNG量，以保持稳定的系统压力值。此外，采用的变频高压泵具有电机寿命长、故障率低和节能等优点。

3）高压气化/加热器

高压气化/加热器是确保供气品质的重要设备之一，既要保证足够的 LNG气化量供给发动机，又要确保气化后的燃气温度满足发动机的要求，同时还要考虑换热器在高压、低温状态下的可靠性和使用寿命。因此选择了绕管式气化/加热器的结构型式，如图2所示。这种结构型式具有良好的换热效率，同时具有结构相对紧凑、耐高压、密封可靠、热膨胀可自行补偿的特点[6]，气化/加热器的这些特点可提高系统的安全性。

相对于其他结构型式的换热器，绕管式换热器结构紧凑的特点有利于设备在船上的安装布置。

为了保证燃气温度满足发动机的供气要求，采用两个措施：（1）LNG气化/加热介质-水/乙二醇溶液加热器出口设置温控阀，控制水/乙二醇溶液最高温度不超过发动机供气温度；（2）LNG气化/加热器的水/乙二醇溶液进口设温控阀，由LNG气出口温度传感器控制水/乙二醇溶液流量，最终控制供气温度，使之达到发动机所需要的燃气进机温度要求。

图2 绕管式气化/加热器

4）高压储压罐

由于ME-GI双燃料发动机满负荷工况燃气供气压力为300 bar，发动机工况在20%负荷至100%负荷之间变化，耗气量也随之不断变化。当发动机由 20%负荷至100%负荷变化或由100%负荷至20%负荷变化时，系统的供气压力有可能会超过发动机规定的动态波动率±5%的要求，发动机就会出现运转不稳定的情况。

为了保证发动机的稳定运行，考虑设置一个高压储压罐，用于补偿系统瞬间出现的压力波动，稳定系统供气压力。储压罐犹如一只柔软的弹簧，起到吸收流体脉动作用，以减少瞬间压力波动[7]。

同时储压罐的压力值也为高压泵的运行提供了控制参数，通过储压罐的压力值间接控制高压泵电机的转速达到调节高压泵LNG的供给量，使系统压力始终处在发动机要求的稳定状态，也提高了系统冗余。

在开展上述研究工作的同时，运用油气系统工艺仿真软件Aspen HYSYS和换热器单元仿真软件Aspen Shell & Tube Exchanger对系统进行仿真模拟，对相关参数进行校核，确认相关设备选型的合理性，并基于计算结果对工艺系统及设备选型进行优化；同时开展“LNG燃料高压供气系统危险源辨识（HAZID）分析”和“船舶LNG发动机燃料储存及供给系统危险与可操作性（HAZOP）分析”，对船舶运营过程中LNG燃料储存、供给系统存在的潜在危险进行识别，为系统优化提供了详实的理论分析支撑。

在上述设备配置基础上，再做好高压泵出液压力联锁、气化器后温度联锁以及气化器后压力联锁控制，使系统在安全可靠的前提下满足发动机稳定运行需求。

2 结论

IMO决定：自2020年实施0.5%的全球硫限制，也就是在《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）附则VI下的要求在硫排放控制区（ECA）以外航行的所有船舶使用硫含量不高于 0.5%的燃油。随着全球ECA区不断设立，双燃料发动机、纯气体燃料发动机或其他清洁燃料发动机的应用将会越来越多。

因此，在推广使用LNG燃料发动机的时候，应该关注使用过程中供气系统的安全、稳定和可靠，确保发动机在使用清洁燃料时真正做到运行高效、绿色环保。

[1] 高子朋, 詹宇, 王民, 等.船用ME-GI双燃料发动机技术分析[J].中国船检, 2014(10)： 68-70.

[2] 刘浩, 金国强.LNG接收站BOG气体处理工艺[J].化工设计, 2006(1)： 13-16.

[3] 马义平, 王忠诚, 时继东, 等.曼恩和瓦西兰船用二冲程双燃料发动机之比较[J].船舶动力装置,2015(5)： 94-98.

[4] 刘明辉, 刘玉兰, 祝冰峰.大功率二冲程发动机燃气供气系统概述[J].机电设备, 2016(1)： 27-29.

[5] 谢水英, 韩承江, 徐伟君.螺杆式空压机变频节能改造[J].中国现代教育装备, 2010(22)： 30-33.

[6] 浦晖, 陈杰.绕管式换热器在大型天然气液化装置中的应用及国产化分析[J].制冷技术, 2011(3)：24-27.

[7] 樊长博, 张来斌, 王朝晖, 等.往复式压缩机气体管道振动分析及消振方法[J].科学技术与工程,2007(7)： 1309-1312.