船舶柴油机升级双燃料机关键系统技术分析

陈祎帆

摘要： 为通过液化天然气为船舶提供动力，充分发挥其在节能、环保等方面具备的优势，双燃料发动机近年来在我国船舶领域的应用日渐广泛，相关理论研究和实践探索也大量涌现。基于此，本文简单分析船舶双燃料柴油机使用现状，并结合实例深入探讨船舶柴油机升级双燃料机关键系统技术，具体涉及机械部分、供气系统、电气系统的升级，以供业内人士参考。

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.

關键词： 船舶;双燃料发动机;电喷柴油低速发动机

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

中图分类号：F407.474                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0041-02

0  引言

为满足日益严苛的船舶能效和环保要求，实现船舶动力的环保、节能、绿色、减排目标，双燃料发动机改造近年来受到业界高度关注。本文研究主要围绕ME低速柴油发动机改造开展研究，深入探讨ME-GI双燃料低速发动机升级改造涉及的关键系统技术，改造需要将新的燃气系统与原有燃油喷射系统结合，存在一定难度。

1  船舶双燃料柴油机使用现状

1.1 现状分析

现阶段我国船舶双燃料柴油机以新燃料机和改造机为主，改造机多为混合型机器，需要改造单一的燃料加入，添加混合燃料融合方式，双燃料改造机进气多借助总管实现，支管辅助应用较少，同时改造多数会将原有使用模式部分保留，但能够实现能源利用和燃料节约层面的提升。支管与总管双开模式引入气体能够实现对支管多喷的改善，但由于现阶段相应改造技术尚不成熟，船舶柴油机升级双燃料机的实践需要积极吸收国内外成功经验，充分应用先进技术，这对改造提出的挑战必须得到重视[1]。

1.2 工作原理

结合实际调研可以发现，现阶段95%以上的船舶动力由柴油发动机提供，这类船舶会造成严重的大气污染，虽然近年来船舶污染排放控制技术得到广泛应用，但受到这类技术的经济性、可靠性、复杂性影响，船舶污染排放控制仍未达到预期。作为重要的空气污染源头，船舶柴油发动机排放污染开始引起国际社会的重视，新修订的《防止船舶造成空气污染规则》（MARPOL73/78）国际公约对船舶排放提出严格要求，各国政府也陆续出台相应规范，而随着新能源技术和清洁能源的快速发展，在环保方面优势明显的液化天然气开始在船舶中广泛应用。在控制碳排放和氮排放方面，液化天然气的优势显著，且基本不会产生PM和硫的排放，这使得使用液化天然气作为船舶动力逐渐成为优秀航运公司的重要选择。结合调研可以发现，柴油高压电喷技术在船龄较小的船舶中广泛应用，为达到超低排放目标，这类船舶具备向液化天然气/柴油双燃料动力系统升级改造的条件[2]。

现阶段的双燃料低速发动机可细分为两类，狄塞尔循环的双燃料低速机ME-GI属于其中代表，该双燃料低速发动机应用高压燃气系统，气体燃料在压缩冲程终点前通过高压直喷技术喷入，之后将点火柴油喷入3～5%实现气体燃料引燃，气体燃料的化学能通过膨胀冲程向机械能输出转换。双燃料低速发动机在高压直喷技术支持下无法满足IMOTier3的排放标准关于NOX排放的要求，因此需要设置排气再循环装置或选择性催化还原转化器，但在不含硫的液化天然气支持下，双燃料低速发动机基本能够实现对SOX的零排放。使用“奥拓”循环模式的双燃料低速机DF同样属于双燃料低速发动机代表，该双燃料低速发动机使用1.6MPa的低压压力燃气，初始阶段喷入汽缸的压缩冲程能够充分混合新鲜空气，将1%点火柴油在压缩冲程的终点喷入即可将燃气引燃，燃烧膨胀的燃料化学能可在膨胀冲程中向机械能转换，在燃气工作模式下，这类应用低压预混技术的双燃料低速发动机存在完全满足IMOTier3要求的NOX排放，且同样能够实现对SOX的零排放。但从燃气供气方式角度进行分析可以发现，低压供气模式需要将燃气供气阀安装在汽缸套、汽缸体上，这就使得很多现有电喷柴油发动机改造无法顺利开展，对比大量应用的ME系列电喷柴油发动机和上述两种双燃料低速发动机可以发现，需要改造的范围有限，仅需要对排气阀、汽缸盖等部位进行改造，无须对机架、汽缸套、汽缸体等大部件区域进行改造，因此设置有ME系列电喷柴油发动机的船只能够较为便利改造为双燃料低速发动机，实现SOX的超低排放目标，这种改造的技术可行性较高。为提升研究针对性，本文研究主要围绕ME低速柴油发动机向双燃料低速发动机ME-GI的改造展开，通过结合新的燃气系统与原有的常规燃油喷射系统，通过改造电喷柴油发动机的机械部分、液压天然气供气系统、电气控制系统，即可使用较清洁的液化天然气代替柴油消耗，这对排放控制、大气污染减少、运营成本降低均能够带来积极影响，可以说船舶柴油机升级双燃料机具备较高可行性和实用性[3]。

2  船舶柴油机升级双燃料机的关键系统技术

2.1 电喷柴油发动机的机械部分改造

对于双燃料低速发动机ME-GI与ME低速柴油发动机可以发现，前者新增的系统和部件包括安全系统、燃气控制系统、密封油泵站及系统、燃气控制单元、燃气喷射阀、燃气双壁管，主要在发动机的汽缸盖区域集中布置新增的部件，因此需要重新设计原汽缸盖综合布置，针对性更换主排气阀组、汽缸盖组件，图1为双燃料低速发动机ME-GI的排气阀组件、汽缸盖示意图。

同时需要安装燃气双壁管、燃气控制单元、气体喷射阀，以及燃气检测管、低压供油管、泄放油管、密封油管、液压控制管等所属附件，其中燃气控制单元设置有蓄压罐。对于更换的主机汽缸盖组件，新增的燃气控制单元、燃气双壁管，需要较大幅度修改主机缸头区域具体布置，同时改装相应区域的主排气管结构、上下通道、平台，图2为缸头区域具体布置示意图，由此可直观了解电喷柴油发动机的机械部分改造内容。

2.2 液压天然气供气系统改造

船舶柴油机升级双燃料机的液压天然气供气系统改造涉及两方面内容，即液化天然气罐体加装、液化天然气供气系统设置。液化天然气罐体加装需要考虑低压储存液态燃气的大型独立C型罐体，这种罐体具备设计建造相对简单、能够承受一定的压力、保温绝缘效率出色等优势，但相较于薄膜型储罐存在较低的容积效率。一般船只可在露天甲板区域安装布置大型独立C型罐体，按照进出排放限制区航程存在的燃料消耗量需求优选罐体仓容。油化船可在货舱区的主甲板区域设置加装的C型罐体，具体安装需要保证存在适当的紧固和加强，气罐紧固带来的应力集中也需要设法消除。考虑到泄露问题可能导致罐体结构损坏，因此需要关注冷传递的阻隔;液化天然气供气系统设置需要满足30MPa的高压系统需要，对于较为复杂的液化天然气供气系统来说，可按照燃气状态细分为子系统2个，包括自然状态天然气系统、液化天然气系统，前者主要负责供给主辅机使用，后者主要负责加注、储存、气化燃气。液化天然气供气系统的管路系统可划分为透气及加压气化、机舱外燃气加注、燃气双壁管等系统，结合现行规范要求，应在机舱外布置燃气供气处理系统，机舱区域的燃气供气管路需应用双壁管结构，双壁管外层空间需要设置通风探测系统或惰性气体，降低燃气泄漏风险，管路接头数量也需要在设计布置双壁管的过程中尽可能减少，同時在机舱处所外设置进出风口及通风机，同时风道内需要持续检测可燃气体浓度，以此得到运行安全的双燃料供气管路。机舱外燃气管路系统由二次加热系统、冷却系统、惰性气体系统、气动遥控系统、蒸发气透气系统、燃气加注系统、气体探测系统、高压供应系统资产，高压供应系统涉及的部件包括气化加热器、双联滤器、燃料高压泵等，具体设计应选择模块化方法。对于化学品船、油轮等船只，可结合原系统进行二次加热系统、惰性气体系统的改装布置。考虑到不同工况下液化天然气供气系统存在较大工作温差，布置管路后需要开展应力分析，对象为所有液化天然气供气系统管路分支，管的重量、热收缩、内部压力、船舶运动载荷均需要得到充分考虑，以此结合热应力分析计算结果布置系统管路。

2.3 电气系统改造

船舶柴油机升级双燃料机涉及的电气系统改造可细分为外部系统、主机系统两部分。主机系统改造主机安全系统及燃气控制系统的新增，需要大范围改造原系统并进行加装，需要新增供气站安全单元、燃气控制单元、供气站控制单元、燃气汽缸安全单元等控制单元。如燃气控制单元主要负责设定密封油压力，燃气可由此通过惰性气体吹除。供气站控制单元负责风机、泵站启停控制及设定燃气供气压力，以及监测双壁管通风、密封油系统、惰性气体及其他系统。

3  结论

综上所述，船舶柴油机升级双燃料机需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的电喷柴油发动机的机械部分改造、液压天然气供气系统改造、电气系统改造等内容，则提供了可行性较高的改造路径。为更好升级船舶柴油机，停缸技术的引入、甲板区域的充分利用同样需要引起业界人士重视。

参考文献：

[1]周迓若.船舶电喷柴油低速发动机双燃料系统改造[J].中国修船，2021，34（S1）：10-12，15.

[2]邬明波.船舶双燃料柴油机喷射策略优化[J].船舶物资与市场，2021（03）：51-52.

[3]戴冰，陈奕瑄，赵超，王廷勇.船舶双燃料发动机LNG供气系统安全技术探讨[J].广东化工，2020，47（19）：141-143.