气体发动机气体燃料供给系统故障及风险防控措施研究

杨绍春 交通运输部烟台打捞局救捞拖轮船队

1.气体发动机船舶概述

低碳和环保的意识已变成了全世界航海业发展的目标，渐渐的受到了国内外航运公司的重视。我国正在建立经济节能、绿色环保的现代化水运体制，很大程度上推进了这方面的发展速度。以后，石油资源只会越来越稀少，人类必须找到可代替的能源来弥补石油的空缺，这样一来液化天然气就慢慢的受到了重视，它作为一种清洁能源，在各方面的竞争优势都要大于传统燃料。清洁环保，存储量大等等，所以天然气原料的使用拥有很好的环保效果和经济效果，随之使用率也逐渐增加。

2.气体发动机燃料供给系统组成及故障分析

2.1 组成

整个燃料使用链条上有很多的部件，但主要的运转设备有四大件：气罐、热交换器、压缩机（正常情况装有再液化装置的系统）、气体燃料发动机。燃料供给部分是船舶最为重要的环节之一，保证稳定可靠的输送燃料是发动机能够平稳运行的基础。

2.2 气体燃料供给系统的故障种类和原因分析

气体燃料供应管内压力波动异常，主要是在于调压阀的作用，当气体燃料供应管路里的调压阀失效，管道内的压力会上下波动，气体燃料的供应就不能稳定控制。

由于蒸发器并没有达到所需要的温度，会导致汽化器出口位置的温度较低，就会造成气液共存的局面，从而损坏运行部件对工作状态产生一些影响。

在进排气同时进行时，如果有小火星被吹入了进气管，就有可能导致进气管发生爆炸的概率。

没有按照规定的日常维护计划进行检查，供给管路有破损，造成气体泄漏。

2.3 燃料供给系统故障的解决方法

（1）当气体燃料供应管内压力产生波动时，同时相对应的压力变送器就收集异常的信号，并将压力信号转化为电信号，使报警器发出声光报警，此时供给系统自动转入备用管系。与此同时气体燃料供给总阀及管路速闭阀迅速自动关闭。后续通过人工报警异常数据找出故障点加以解决。

（2）当汽化器出口的温度低时，位于汽化器出口管路上的温度传感器收集到异常信号，并将温度信号转化成电信号，使对应的报警器发出声光报警，切换至备用管系，同时总阀和供应管路上的速闭阀自动关闭，且位于速闭阀之前的泄流阀打开将管路中的燃料重新流回到日用柜，之后通过人工检查，如为蒸发器故障，清楚后重新接入系统。如燃料问题，可以适当增加蒸发器的蒸发温度和回热装置，从而解决故障。

2.4 案例分析

在某船上发生过燃料供给管路出现开裂，从而导致燃气泄露出来，所幸报警装置发出声光报警，但安保系统无法立刻切换至备用管系，由于值班人员心理素质不够强大，导致从发现故障到消除故障所用时间稍长，造成了部分财产损失，技术人员最后完成补救措施，阻止了更大意外损失，所幸事故未造成人员伤亡。

分析故障原因主要有以下几点：

（1）燃料压缩机的监测不到排出压力，出口监测器误认为排出压力正常。

（2）管路的保养力度和日常检查不到位，没有及时发现隐患，在承受过高的气压时使得管路产生裂纹，在气压冲击下导致泄露。

（3）管系转换所用的电磁阀发生故障，无法接通到备用管路。

具体的解决方案：

（1）值班轮机员立刻按下紧急停气按钮，并手动打开备用管路转换阀，使管路中剩余气体照常输送。

（2）找到管路故障点进行快速维修，如不能维修则应该果断封堵，待靠港事后维修。

（3）更换新的电磁阀以及压缩机出口的压力监测器。

事故总结：很多的船舶事故造成原因都是人为因素，据统计80%都是人为原因造成的，因此在不断改革发展新技术的同时，也要对专业人员的技术能力有更严格的要求。

3.气体发动机供给系统的风险防控

3.1 供给系统的安全监控基本规范

对以天然气供给的动力船舶，安全监控应符合以下设计规范：以气体燃料供给的船舶，在安全性和可靠性上，应该与传统的动力船舶保持一致；整个供给系统的布局应符合建造规范，尽可能的降低事故损失率，需装有相对应的安全监控起到预测作用，也方便人工检查；系统内的所有阀件、设备在出现一般故障时也能保证连续稳定的运行；供给系统的安全响应应该与船舶的消防、可燃气体探测联系；燃料舱的位置应该合理，受影响程度降到最小，管路的铺设应该与安全和节约空间挂钩；燃料舱应该设有液位探测器和温度报警器，一旦液位或者燃料舱温度异常（高于或低于标准值的合理误差范围之外）则触发安全系统进行报警；安全监控系统中一些重要的参数应直观的显示在显示设备上，方便工作人员读取或远程监控参数数据; 安全监控系统中安全系统输出信号应为电信号。在维修阶段，应能进行一系列的模拟实验，对系统的安全性进行验证。

3.2 主供气管路的安全监控要求

主供气管路系统的设计，是为了燃料从燃料舱输出后，经气化器后能充分气化，再经加热器升温，最终得到满足用气设备压力和温度需求的燃气，主要确保燃料由液态到气态的充分转换，保障用气设备的稳定运行及使用安全。主供气管路安全监控设计应满足以下要求：

在对每个用气设备供气的燃料管路上，均需串联设置一个手动截止阀及一个可实现远程控制的主燃料阀。两阀件应布置在用气设备所在的机器处所外，并尽可能靠近换热装置。

燃料供应系统中，应设置检测装置对潜液泵输出的介质物理特性（如压力）进行监控，操作人员可在驾驶室或集控室读取参数，当参数异常时，应触发报警装置，必要时自动切断潜液泵工作电路

安全监控系统应对燃料供给系统中使用的换热设备实施有效监控，并将重要数据传送至监控终端显示

安全监控功能系统应设置紧急切断装置，并可通过监控终端遥控应急装置的启停。

主供气管路的管道要光滑并且尽量减少弯头。

3.3 供给管路的设计要求

对气体燃料的供给管路有很高的要求，不仅仅只是输送燃料，对管路的材料要求也很高，需要考虑到日积月累的运输燃料，会不会与材料发生腐蚀，这对于管路的抗蚀性、耐温性都有一定的要求，另外根据气体燃料的特点，管路设计的合理性也要达标，例如检修的方便性、可操作性等等。

管路采用双层结构来保证安全运输，其中内层管路用来输送燃料，外层与内层之间的间隔空间用来作为超低压通道（远低于大气压），

天然气的爆炸浓度大概在5%-10%之间，因此为了保障安全使用。在供给管路的各个地方设置了浓度探测器来监测天然气的浓度，作为一道安全屏障，对探测器的灵敏度、质量要求和安装的最佳位置都需要达到最佳状态。

（1）在临近发动机的周围一些相对密闭的空间，防止天然气的聚集，例如曲轴箱，它是一个相对密封的环境，因此在里面就要安装浓度监测器。

（2）在双层供给管道的低压通道也安装天然气浓度监测器，当浓度达到报警值时就会发出警报。

（3）在气体发动机的燃气进口位置也安装浓度监测器。

每一处的浓度监测器成对安装，当探测到天然气浓度达到20%控制系统报警，当两个探测器浓度达到了40%时，保护功能动作。

3.4 供气系统各设备的要求

在整个供气系统中，运行中的主要设备都需要有备用设备（汽化器、压缩机、蒸发器），和规定需要成对安装的阀件，以至于当出现故障后（除必须停车故障以外），发动机还能保证继续运行不耽误航程。

采用延时报警，例如燃料舱液位的晃动，当遭遇恶劣天气时，液舱的液位能够延时报警，而不会产生一些误报警增加工作人员的工作量。

4.总结与展望

在石油能源不断减少的情况下，对替代资源天然气的需求量也会不断增加，它被称为最清洁的动力燃料。我国的天然气储量丰富，价格比较便宜，因“油改气是现在比较热门的话题。但是天然气相比于传统燃料来说，危险性更高一些，可控性差一些，除了满足基本的要求之外，还应满足气体燃料的各种标准。即便这样对气体发动机的设计研发同样具有非常有价值的意义。本文对气体发动机的几个经常发生的故障进行了探讨分析，得出了一些结论并制定了一系列的解决措施。对燃料供给系统的风险防控也提出了一些看法和措施。

在研究的课题中，供应系统作为一个很重要的系统，在最初的设计上必须是合格的。在运行的过程中会出现各种问题，通过完善安全监控系统来保障设备的稳定运行。如今在我国气体燃料发动机的各方面都并不是完全成熟阶段，仍然还有许多未解决的问题，这些问题占有重要地位，可以为下一次的研究提供帮助。