船用 LNG 双燃料中速机特点及低碳运维管理

一、船用 LNG 双燃料中速机基本参数

瓦锡兰6L20DF型发动机是船用双燃料中速机的代表机型之一，试验台架如图1所示。

图1 瓦锡兰 6L20DF 型船用双燃料中速机图

双燃料柴油机可以使用天然气或液体燃料，直接喷射液体燃料和间接喷射气体燃料。

柴油机可以在运行期间从燃油模式切换到燃气模式，反之亦然。

如果供气失败，柴油机会自动切换到燃油运行模式。

在燃油工作模式下，双燃料柴油机仅使用液体燃料工作，燃气不与空气混合，重质燃油 （HeavyFuelOil，HFO） 或轻质燃油 （LightFuelOil，LFO）作为主燃料。

瓦锡兰 6L20DF型发动机为四冲程、不可逆、涡轮增压和中冷双燃料中速机，主要技术参数如表 1所示。

发动机发火顺序是顺时针方向 1—5—3—6—2—4。

在使用燃气操作模式下，发动机主燃料是天然气，通过主供气阀注到每个气缸的空气中，在气缸盖的进气通道中，天然气与燃烧空气混合，然后在低压下进入气缸，压缩后由通过喷入气缸的先导燃油点燃。

二、瓦锡兰 6L20DF 双燃料中速机特点

双燃料柴油机与传统的柴油发动机对比区别较大。

对双燃料柴油机进行低碳管理，需了解双燃料柴油机的结构特点，主要体现在排气、LNG进气、空气燃气比调节、先导油、可变进气正时、曲拐箱扫气系统和燃烧监控系统等方面。

下面就船舶双燃料柴油机特有系统进行简单的介绍。

a)排气系统。

排气系统需要安装强制通风装置，通风机尽可能地离废弃涡轮增压器近，当发动机在燃气模式停止运行时，通风机自动运行 5min，通过抽吸机舱的新鲜空气以清除排气管道内的燃气。

如果通风机因发生故障而不能工作，则需等待 20min后方可启动柴油机，通过自然通风来降低排烟管道内可燃气体的浓度。

b)燃气进机系统。

天然气以低温液态储存在舱柜内，LNG液体是不能直接进入柴油机内进行燃烧的，需汽化加热后使LNG气体温度达到28～45℃，通过气体阀门单元经双壁管 （见图2中的 1处） 供到每个气缸供气阀 （见图2中的 3处） 的入口处。

图 2 燃气进机系统图

在发动机的进气冲程，通过供气阀注到每个气缸进气的新鲜空气中，在气缸盖的进气通道内，气体与燃烧空气混合，在低压下一同进入气缸，一起压缩后由喷入气缸的先导柴油点燃。

燃气的供气阀是电磁阀，与普通的电磁阀不同，其行程短，电磁铁力量大，开关迅速；

通过控制系统自动调节进气阀的启闭时间来控制进气量，以此来调节柴油机的转速和负荷。

日常维护时尽量不要用外部系统去检测进气阀，因为大电流会造成阀门线圈过热烧坏。当柴油机长时间在燃油模式下运行时，应定期换到燃气模式运行一段时间，防止各缸的 LNG进气阀咬死。

LNG气体在机舱的管路均为双壁管，内管通燃气，夹层通新鲜空气。发动机不在燃气模式下工作时，内管则充满扫线后留下的N₂。

发动机使用天然气时，双壁管的夹层始终有新鲜空气进行清扫，新鲜空气由图2的B处进，清扫完双壁管和GVU（GasValve Unit，燃气阀单元） 后通过GVU的抽风机排出，双壁管内夹层保持 -2.0kPa压力，当负压低于 -1.5kPa时，发动机将自动切换成柴油模式。

c)燃气阀单元。

如图 3所示，GVU是一个封闭的空间，新鲜空气通过双壁管的夹层吸入，由单独的抽风机保持负压，负压要求和双壁管夹层一样。

图3 燃气阀单元图

GVU是双燃料柴油机的重要设备，为缩短双壁管长度，一般安装在柴油机旁。

里面安装有手动进气阀、燃气滤器、自动关闭阀、自动透气阀、燃气流量计和燃气压力控制阀等，内部阀门不是电磁阀而是用气动阀控制，主要作用是安全关闭、燃气清理、压力控制和泄漏监测。

d)废气旁通阀。

废气旁通阀的作用是调节空燃比，柴油模式下始终关闭。

燃气模式运行时，当柴油机的负荷快速降低、增压空气压力超过设定值或在极寒天气情况下，废气旁通阀会短时打开，泄放一部分柴油机的排气后关闭，通过降低增压器的转速降低扫气空气压力，以此将空燃比保持在合理范围。

e)空气旁通阀。

空气旁通阀的作用也是调节空燃比，柴油模式下始终关闭。

在燃气模式下，当增压空气压力高于设定值，环境温度低于设定值时，空气泄放阀打开，直接降低扫气空气压力来控制气缸内的空燃比，确保燃气和空气比例正确。

f)可变进气正时 （VIC）。

在柴油模式和 50%负荷及以上的燃气模式下，可变进气正时保持关闭不用。

低负荷燃气模式下，发动机处于低负荷时延迟进气阀关闭时间，增加进气行程，减小压缩冲程，让更多的新鲜空气进入气缸，降低气缸内的温度。

这样做的目的是，改善燃烧状况及减少低负荷运转时的排烟，减少NOx的产生和降低CO2的总排放量。

g)曲拐箱扫气系统。

柴油模式下曲拐箱扫气系统始终关闭。

在燃气模式下运行时，因燃气是低压状态下进入气缸并参与压缩的，为防止气缸内的燃气泄漏到曲轴箱导致可燃气体浓度升高，有一路来自扫气箱的新鲜空气通到曲拐箱然后经透气系统排出。

这路空气由一电磁阀控制并有压力传感器。

如果柴油机在燃气模式下运行，压力传感器没有监测到来自扫气箱的压力，柴油机将自动转换为柴油模式。

此外，曲拐箱还单独接入一根氮气管及一个手动截止阀，用于手动对曲拐箱进行氮气吹扫。

h)先导油系统。

天然气的燃点高达 630℃，直接压燃困难，需要借助外界能量引燃。

因此瓦锡兰双燃料柴油机除了要配备与常规柴油机一样的喷油系统外，还要配独立的先导油系统。该系统采用电喷共轨喷射，由机带齿轮传动的高压柱塞油泵提供压力为 1.6×10⁵kPa的共轨油，每个缸安装有一个电控喷油器，在压缩冲程末期喷入先导油，通过先导油将燃气点燃。

如图 4所示，先导油泵由 1台低压燃油供给泵和 3个高压柱塞泵组成，低压燃油泵提供 500kPa的燃油给高压泵，高压泵增压至1.6×10⁵kPa时给先导油喷油器。

图 4 先导油喷油器图

柴油机运行时，无论是燃油模式还是燃气模式，先导油系统都需正常运行。即使柴油机用燃油模式运行，继续用先导燃油的目的是防止先导油的喷嘴堵塞。

如果先导油系统发生故障，在无先导油的紧急情况下，柴油机可以只靠主燃油喷油器继续工作，仅使用轻柴油时可连续工作5h。

i)燃烧控制和监控。

如图5所示，每个气缸内都装有压力传感器，气缸盖上还安装有一个高频振动的压电传感器，用于防止各缸负荷不均匀而造成柴油机损坏。

图 5 发动机正常与爆震时缸压对比图

燃烧控制是通过单独调整每个气缸燃气供给来获得正确的空燃比。

压电传感器和气缸压力传感器同时测量，以气缸压力传感器为主，压电传感器为辅。

当气缸压力传感器正常工作时，负载低于 30%时用排气温度来平衡各缸负荷。

发动机负载在30%以上时，用气缸压力测量的最高爆发压力来控制各缸负荷。

如果有一个缸的气缸压力传感器发生故障，柴油机最高负荷会降低 10%并自动改变控制模式，柴油机负荷方式会改变，负荷低于70%时用排气温度来平衡各缸负荷，柴油机负荷在70%及以上，用测量高频振动的压电传感器控制各缸负荷。

三、双燃料中速机

日常运维中的低碳管理

1、燃气系统故障的快速排除

双燃料中速机在燃气模式下稳定运行，可以实现发动机的低碳运行。

如果有警报触发其保护系统，柴油机会立即从燃气换到燃油模式，造成船舶碳排放量的增大。

快速排除燃气系统故障，可以缩短双燃料中速机在燃油模式下的运行时间，降低船舶动力装置的碳排放。

由于燃气也参与压缩行程，为了减少甲烷逃逸，6L20DF型柴油机启动及低负荷运行时采用燃油模式。

柴油机从燃油模式切换到燃气模式需满足的 3个条件为：

增压空气温度达到 50℃，柴油机负荷在 20%额定负荷以上且不高于额定负荷 80%（各个机器设定值不同），燃气阀单元 （GVU） 控制面板上燃气系统准备完成的指示灯亮。

如图 6所示，燃油模式转换到燃气模式时 （无自动，需手动按下），燃油模式灯熄灭，约120s燃气模式灯亮，燃气模式转换成功。

图 6 燃油和燃气转换图

转换过程中，柴油机的转速和负荷均保持不变。

在从燃油模式转换到燃气模式期间，GVU系统先要进行泄漏监测，从GVU到柴油机双壁管内管中的N₂要排放到室外，然后进行燃气进气阀开度和柴油机调速器输出的合理匹配，使燃气在燃料中所占的百分比从 0%上升到 100%，燃油的百分比从 100%下降到 0%，在这段时间两种燃料有重叠。

为了减少转换过程中对双壁管的清扫时间，燃气喷阀（GUV）大多安装在柴油机旁。

在日常使用过程中导致双燃料中速机燃气系统跳闸的原因有很多，主要原因如下：

a)燃气的温度或燃气压力不在规定范围。

b)GVU故障 （如燃气压力调节阀故障），泄漏监测时间超过 60s，燃气滤器压差大等，可在GVU的控制面板上查找。

c)GVU内或双壁管有燃气泄漏，其抽风机出口处监测到燃气体积分数达到LFL（Lower Flammable Limit，着火下限） 的 10%，报警；

当监测到燃气体积分数达到LFL的20%，通常会自动切断燃气供应。

d)GVU和整个柴油机燃气系统的双壁管内层都处于真空状态，在机舱外面安全的地方设立了一个排风机房，以保证处在 -2.0kPa负压状态，当负压低于-1.5kPa时则转变为柴油模式。

e)柴油机各缸负荷不均匀，爆压和排温偏差过大，负荷降太快等也会导致转柴油模式运行。

2、双燃料中速机的低碳运维管理

根据6L20DF型双燃料中速机的特点，日常运维过程中的低碳操作管理注意事项如下。

a)当柴油机长时间运行在柴油模式下时，应定期转换到燃气模式，否则各缸的燃气阀门易咬死而不能转换为燃气模式运行；转换到燃气模式前，建议对GVU及柴油机的双壁管手动惰化，用N₂把双壁管内的气体清扫干净。

b)双燃料柴油机只用燃油模式启动，启动成功后再切换成燃气模式。

应避免柴油机在低负载时运转，因为低负载燃气燃烧不完全，产生额外的未燃甲烷排放，而且柴油机在低负荷运行时，增压空气压力低，如果增压器空气端滑动轴承的润滑油泄漏至进气总管，也会造成燃气进气阀咬住而工作异常。

c)燃气模式运行时，若自动转换为燃油模式，必须查出转换的原因，采取相应的纠正措施并成功复位后才能切换回燃气模式运行。

d)在双燃料柴油机周围、乙二醇膨胀柜四周和膨胀水箱上部经常用便携式气体探测器进行定期检查，进一步提高安全性。

e)燃气系统的燃气温度、压力虽然是自动调节，但是对低温淡水、乙二醇和燃气系统的温控阀要加强监管，燃气进柴油机的温度不能太低，一般在28～45℃，过低的燃气温度有可能导致燃烧室部件因过冷而产生裂纹。

f)进GUV的燃气压力要在说明书要求的范围，压力过低会导致在高负荷时供气不够，过高则低负荷时GVU内部的压力调节阀开度不稳定，导致燃气模式不能运行。

柴油机长时间在燃气模式下运行时，建议每周采用燃油模式运行一段时间，以防主喷油器被堵塞。

g)GUV内部的燃气滤器很重要，即使LNG非常纯净，但也可能含有一些颗粒和液体杂质。

此外，在船上和气体系统管路中工作时，杂质将被引入气体流中。

通常通过GVU控制系统监测过滤器的运行情况，并在压力差超过极限时发出警报。

在运行过程中，过滤器的压降会增加，如果压差达到50kPa，在正常的定期维护之前就必须清洗过滤器。

四、结语

LNG是实现航运业碳减排过渡性关键燃料之一，并不是最终燃料，未来绿氨、绿甲醇、绿氢燃料等零碳燃料才是航运业的碳中和燃料。

船舶使用LNG作为燃料只能实现约 21%的减碳效果，并不能完全达到航运业 2030年碳减排40%的目标。

LNG将来可以配合绿色甲醇在线重整制氢技术，实现氢气与天然气的混合燃烧，进一步降低船舶的碳排放。

利用目前已成熟运营的LNG双燃料发动机进行科学维护与低碳管理，可以保障设备运行状态，提高设备可靠性、安全性和运行稳定性。

针对船用双燃料发动机燃气系统故障的特点，对低碳维修工作新模式进行思考与探索，提高船舶的综合节能效果，降低双燃料模式切换过程中额外产生的碳排放。

通过深入发掘现有轮机设备的价值，确保在提高船用双燃料发动机低碳运行管理水平的基础上增强船舶安全性。