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导读：原标题为《MAN ME-C-GI发动机燃气系统简介》。感谢朱晓亮的投稿，希望这篇文章能对大家有用。 编者按：本文简单的介绍了MAN ME-C-GI双燃料发动机关于燃气方面的组成与控制原理，LNG类的可燃气体在船舶上使用，安全最为重要。然而，安全来自哪里？安全来自于发动机厂家及船厂的精心设计与制造，来自营运过程中船员的熟练操作与细心维护保养。 【内容概要】MAN ME-C-GI低速发动机采用高压喷射的方式，在压缩冲程末，上止点前某角度先喷入少量点火燃油，气缸内燃烧后，再喷入200-300bar的高压燃气。第二燃料LNG从低温液态储存，到进入发动机气缸内燃烧产生动力，这中间配备了哪些系统与设备呢？笔者通过下文，简单的介绍以LNG作为第二燃料的发动机的燃气系统组成及控制系统原理。此文旨在抛砖引玉，期盼有更多精彩的双燃料技术介绍呈现。笔者水平有限，文中有不妥之处，请提出批评指正。
【关键词】 双燃料 LNG 燃气辅助系统 燃气喷射系统 燃气控制模块 一、 MAN ME-C-GI双燃料低速发动机的基本概念 目前，MAN双燃料发动机主要采用如下几种燃料作为第二燃料，它们是：GI- methane gas injection 甲烷气体喷射；GIE-ethane gas injection乙烷气体喷射；LGIM- methanol liquid gas injection甲醇液化气燃料喷射；LGIP-liquefied petroleum gas injection液化石油气（主要成分丙烷和少量丁烷）燃料喷射。本文所介绍的第二燃料是以甲烷为主的气体燃料。 1. LNG-liquefied natural gas液化天然气的主要特征 液化天然气是当下双燃料发动机首选燃料，【1】其主要成分是甲烷，约占体积比80-85%，另外还包含乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等烃类化合物，以及氮气、二氧化碳、水、硫化氢等物质。在0.51MPa的压力下，其饱和温度约-137℃，液态密度约450Kg/m3（甲烷、乙烷、丙烷体积比不同，对密度有影响）。甲烷的自燃温度在空气中（101.3kPa）约538℃，（此状态下，柴油的燃点约220℃）。 2. MAN ME-C-GI工作原理 MAN-C-GI二冲程发动机采用DIESEL循环（如图1），即在压缩冲程末端，上止点前附近某角度将点火燃油（约5%）喷入气缸，通过压燃方式点燃缸内混合燃气之后，再喷入200-300bar的高压气态LNG燃气，此时缸内先前燃烧的高温燃气足以引燃后喷入气缸内的高压LNG气体。
MAN ME-C-GI双燃料二冲程发动机燃料喷射控制系统，除了具备常规ME-C机型所具备的燃油喷射的基本功能，还有一套专门控制气体燃料喷射的系统。发动机的起动、加载、低负荷运行以及停车状态，只使用燃油。第二燃料需要燃气供给系统（fuel gas supply system ）准备完备且发动机稳定运行在一定负荷时才可投入使用。当燃气系统发生故障后，发动机控制系统（ECS）能立即停止燃气系统投入工作而只运行燃油系统。 二、 燃气辅助系统（second fuel auxiliary system） 从LNG的基本特性知道，【1】在标准大气压下，其饱和温度（沸点）约-162.5℃，属于典型的低温液体，而ME-GI发动机需要使用的是200-300bar，40-50℃的高压燃气气体。将燃料从低温液态变成高压气态，中间需要多个环节转换，安全可靠是首要考虑要素。第二燃料从储存罐输送到发动机使用并回收多余燃气，以及整个系统的安全保护等需要一套合理的解决方案。燃气辅助系统，将LNG储存罐的液体燃料变成高压燃气并安全可靠的输送给发动机的燃气喷射系统。该系统包括如下系统和单元：燃气供给系统、燃气供给管系、燃气阀组、惰性气体系统、消声器、外管通风系统、检测燃气泄漏的氮气系统、回气系统、密封油系统以及发动机控制系统（ECS）等。图2是燃气辅助系统原理图。 图2：燃气辅助系统原理图↑ 1. 燃气供给系统(Fuel gas supply system) 作为专门运输此类液化品的船舶（如，LNG carrier）与使用双燃料发动机的散货、集装箱、油轮(LNG fueled merchant vessels)等船舶相比，在设计燃气辅助系统时是有区别的。MAN针对船东的要求，设计了多种可选择的燃气供给系统方案。主要有如下三种，它们之间最大的区别在于，将LNG升压的方式选择在液态还是气态。液态时升压，主要设备是低温高压泵（Cryogenic high pressure pump）和高压蒸发器（HP Vaporizer）；而在气态时升压，使用高压压缩机（High Pressure Compressor）和中间冷却器(Inter-coolers)。图3表示了三种方案的简意流程。 图3：燃气供给系统解决方案↑ 以LNG-fueled merchant vessels为例，典型的燃气供给系统的设计方案之一如图4。自然蒸发的燃气通过小尺寸的高压压缩机增压后和低温高压泵加压后的液体混合进入蒸发器，产生的高压燃气通过燃气阀组（Fuel gas valve train）供给低速发动机使用。四冲程DF（dual fuel）发电发动机和锅炉使用的低压（约6bar）燃气，通过蒸发器和加热器进行转换。 图4：某种典型的燃气供给方案↑ 燃气供给系统的控制系统是一套专门的系统，不属于发动机控制系统（ECS），但两系统间有联系。如燃气供给系统的压力设定来自于ECS，正常压力是200-300bar,该压力取决于发动机工作的负荷。 2. 燃气供给管系（Fuel gas supply pipes） 燃气供给管分为双壁管和单壁管，单壁管只用于位于开放空气区域的管系，封闭区域的燃气管路都是双壁管。双壁管的内管为不锈钢，内外壁管之间需要留有一定的空间以便通风。主机各缸之间的燃气管采用链式结构（如图5），该结构能降低主机运行时产生的高频振动带来的管路损坏而泄漏的风险，有效提高安全性。管系的压力试验压力是正常工作压力的150%。 图5：燃气供给使用的双壁管↑ 3. 燃气阀组（fuel gas valve train） 其主要功能包括：在发动使用燃气工作期间，给燃气喷射系统供应燃气；当不需要使用燃气时，切断燃气供应，同时将管内与阀组内的燃气引入消音器；供应惰性气体到内管吹通等。阀组内的阀由ECS控制，通过压缩空气执行阀的动作。燃气阀组通常会组合到惰性气体系统，当然也可单独设计成一个单元。 4. 惰性气体系统（Inert gas system） 惰性气体系统主要用于在必要时将惰性气体（目前推荐使用氮气作为惰性气体）吹入燃气管路内，可以驱赶所有燃气管内残余的燃气,正常设定压力为10±2bar。 5. 消声器（Silencer） 200-300bar的高压燃气压力降低的过程会产生高分贝的噪音，消音器的作用就是降噪，控制在130-170dB（A）。 6. 外管通风系统（Outer pipe ventilation system） 燃气管路是双壁管式的，内管通燃气，从安全角度考虑，如果内管发生泄漏就会逃逸到外管与内管间的空间。为了及时发现燃气泄漏并报警，同时采取进一步的安全措施，系统设计了外管通风系统（见图6）。通风系统确保所有燃气双壁管间持续通风，每小时换气30次以上，出风口装有冗余的HC浓度传感器（Hydro Carbon sensors）实时监测任何燃气泄漏，在MOP的通风系统界面可以观察到关于系统检测HC浓度的情况，发生故障时，系统及时报警。 图6：外管通风系统↑ 7. 检测系统泄漏的氮气系统（Nitrogen supply for leakage troubleshooting） 当燃气系统发生泄漏时，燃气安全系统通过HC探头能检测到系统有泄漏，但不能确定具体位置，需要通过10-300/400bar的氮气来检测。甲烷燃气系统使用10-300bar，乙烷燃气系统使用10-400bar。 8. 燃气回气系统（Fuel gas return system） 当发动机停止燃气运行时，残留在燃气管内和缸头蓄气腔（Accumulators）内的燃气返回到回气罐内，该罐内的燃气由燃气控制系统进行再液化（Re-liquefaction），以起到节约燃气的目的。由于再液化单元初次投入费用不菲，所有该系统不是标配。如果没有配此系统，那部分残留的燃气会被吹入消音器并排入大气中或在空气中燃烧。 |
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