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℃）。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。 图1：DIESEL循环工作原理图↑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。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。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。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%。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。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。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。三、 燃气喷射系统（Fuel gas injection system）燃气喷射系统由燃气管（Fuel gas pipes）、燃气分配器(Fuel gas adapter)、燃气控制块(Fuel gas control block)和燃气喷射阀(Fuel gas injection valve)组成。与发动相连的高压燃气进、回气管路，在设计时需要考虑到强度、发动机振动、温差引起的内应力、泄漏等因素，弯曲的链式双壁管是首选，各缸之间的燃气管是通过燃气分配器相连。双壁管间是具有一定空间体积的环形通道，外管通风系统包含了所有喷射系统中的燃气管路，发动机运行期间一旦检测到燃气泄漏量达到设定浓度时，系统将自动切换到燃油模式并将燃气供应停止,惰性气体引入双壁管间进行吹气。图7是缸头间链式燃气管连接示意图。转接块与燃气控制块通过法兰的形式相连，其作用就是将需要进出燃气控制块的系统或介质相连，内部是专门设计的错综复杂的通道。图8是将转换块从燃气控制块分离后的示意图。这些系统或介质包括：燃气进出管、双壁间的通风系统、伺服液压油高低压油通道、伺服液压油泄放至废油柜、密封油（分离伺服油和高压燃气）、伺服油泄放至HCU单元等。3. 燃气控制块(Fuel gas control block)燃气控制块是组合体，包含了除燃气喷射阀之外的所有控制燃气喷射的元件，由ECS系统控制其所有的阀组。主要有燃气蓄气腔（Fuel gas accumulator）、窗式阀（Window valve）及其控制阀ELWI（Electronic window valve）、控制液压油驱动燃气喷射阀的ELGI（Electronic gas injection valve）、吹洗阀（Purge valve）、放气阀（Blow-off valve）、燃气泄漏检测孔、燃气压力传感器等。如图9，高压燃气从燃气进气管通过转换块进入燃气控制块，从内部相连的通道经过止回阀再到蓄气腔（保持燃气压力稳定）内待命。燃气的喷射是由窗式阀（Window valve）和燃气喷射阀（Fuel gas Injection valve）按照一定顺序共同完成的。窗式阀正常关闭，只有在规定的曲柄角度时才打开，允许燃气从蓄气腔穿过燃气控制块和缸头到达燃气喷射阀。窗式阀与喷射阀都是由高压共轨伺服油打开的，分别由二位三通阀ELWI和ELGI控制伺服油的动作（类似ME-C中的FIVA阀），图10是燃气喷射系统组成和喷射控制原理图。这些阀的动作都由控制模块GCSU/GCCU（MPC+软件）来控制。  窗式阀通过二级不同直径的活塞在液压油的作用下动作来控制启闭。设置窗式阀是从安全角度考虑，为了防止燃气在允许的定时角度窗口期之外喷射，即非定时燃烧（Un-timed combustion）。由于窗式阀设定了最大允许开启的角度，意味着最大燃气喷射量被限制了。ELGI阀只有在ELWI阀开启方可打开，燃气喷射的精确定时由ELGI阀控制。为了防止燃气污染伺服液压油，在窗式阀和燃气喷射阀内部采用了密封油来阻断燃气与液压油可能产生渗漏的通道，其设定压力高于燃气压力的25-50bar。密封油系统由独立的泵、调压阀组、高压油管、蓄压单元等组成，密封油除了到达指定的位置完成密封作用处，还兼有润滑作用。窗式阀中密封油密封的位置见图11中“sealing oil applied”。图11：窗式阀开启位置结构解剖图↑ 吹洗阀（Purge valve）的作用是将蓄气腔内的燃气排到回气管内；放气阀(Blow off valve)的作用是将窗式阀至喷射阀之间的燃气排到回气管内。4. 燃气喷射阀(Fuel gas injection valve)燃气喷射阀上连接了五根管子，分别是高压伺服油管、密封油管、低压油供应管、液压油泄放管和燃气检测管，燃气是从缸头内部通道到达阀体下方由二道密封圈密封的环形腔室（本体开孔）内待命（如图12）。高压伺服油的作用是克服弹簧压力，打开燃气阀的驱动源，由ELGI控制伺服油供应与否。低压液压油为液压系统排除空气。密封油阻断燃气进入伺服油的可能。液压油泄放管的作用是当燃气阀关闭时将驱动阀开启的伺服油和低压液压油泄放至HCU单元回油柜。燃气喷射阀上也设有燃气泄漏检测口，并与通风系统相连。四、 燃气泄漏检测系统 （Fuel gas leakage detection system ）在通风系统中的HC浓度传感器负责检测燃气是否泄漏，在MOP中以LEL%（Lower Explosive Limit）的形式显示。如果存在燃气泄漏，当浓度达到30-60%LEL时，ECS只发出报警而不改变运行方式；当浓度大于60%LEL时，发动机自动切换到纯燃油模式并中止燃气供应。关于燃气泄漏浓度，USCG有更高的要求，航行于USA水域时，需要将参数改成20-40%LEL报警，大于40%LEL停止供应燃气。HC浓度传感器只能检测到系统有泄漏，但不能确定具体的泄漏点。为了能确定具体位置，需要使用安全的惰性气体来检测，常用氮气10-300(400bar)。高压氮气的来源可以直接配置高压氮气瓶储存氮气或配有制氮装置然后通过增压泵升压。氮气从内管向外管泄漏后，双壁管间的氧气浓度会变低，通过氧气浓度检测器从系统中的专用检测口测量氧浓度分析是否有泄漏。从图2燃气辅助系统看出，高压氮气是通过燃气阀组进行分配的，但燃气管系长而复杂，检查时需要从阀组供给开始端向最末端（也可反向）一段一段的排查下去。系统在设计时，在管路和缸头预留了检测工具和氧气浓度测量孔，以便分段检查。2. 泄漏检测工具(Leakage detection tools)与测氧仪(Oxygen meter)泄漏检测工具是用来将燃气内管堵上的工具，以便把需要检测的燃气管路隔开。为了适应不同形式的内管形状，而设计了不同形式的工具。测氧仪在使用之前，先测量一下周围环境的氧浓度，以并和从双壁管内测量的氧浓度相比较。图13是检测工具和测氧仪示意图。燃气系统中有许多专用设备如，端部盖（end cover）、窗式阀、吹洗阀、放气阀、缸头、燃气喷射阀及其安装孔后的通道等，它们的内部燃气通道相对复杂，需要几个不同检测工具配合使用，才能准确检测它们是否存在泄漏。当燃气系统中拆检任何部件后，为防止存在泄漏，需要进行管路压力测试。对于内管燃气管路的密性试验，ECS提供自动测试的程序，在MOP上有操作界面，使用10bar氮气，按界面提示操作，确认管路压力是否下降。外管使用7bar压缩空气测试，通过通风系统上阀组进行操作检查。 五、 伺服液压油系统（Servo hydraulic oil system）ME-C-GI的液压系统主要由HPS（Hydraulic power supply unit）单元、HCU单元(Hydraulic cylinder unit)、低压油供给系统（Low Pressure Supply System）、密封油系统（Seal oil system）、燃气控制块(Fuel gas control block)、液压油泄放管(Drain pipes)等组成，为燃油喷射、排气阀启闭、燃气喷射、气缸油注射提供伺服液压油和执行机构。1. HPS单元是提供伺服液压油的系统，主要包括过滤装置、电动伺服泵、机带伺服泵、安全蓄压器模块、高压油管及装有泄漏检测探头的集油管等，液压油来自于发动机系统油（或来自独立的液压油柜）。2. HCU单元主要功能是执行燃油、排气阀启闭的具体操作，主要包括分配块、电控燃油喷射系统（ELFI+燃油升压器+燃油阀）、电控排气阀执行系统（ELVA+排气阀执行器+空气弹簧）等。3. LPS（low pressure supply system）主要部件是低压系统增压泵（LPS booster pump unit）。设计LPS的主要目的是给HCU单元及燃气控制模块的液压元件有效除气，正常是在系统滑油泵提供的油压基础上增压到6bar。4. 密封油系统（Sealing oil system）是防止高压燃气泄漏到伺服油系统，存在此风险的部件是窗式阀和燃气喷射阀。配有安全模块的密封油泵从LPS将油压加压到比燃气压力高约20-25bar，并从某缸头上的燃气转接块进入，通过内部管路连接到其它各缸。最终，密封油会随燃气一起喷入气缸燃烧室燃烧掉，但其消耗量较少，约为0.135g/KWh。图14是密封油系统原理图。5. 液压油泄放管（hydraulic oil drain pipe）的作用是收集ELWI、ELGI、吹洗阀、放气阀、燃气喷射阀及燃气转接块泄放的液压油，并排入HCU单元的泄放腔，最终回到发动机系统油循环柜（或独立的油柜）内。6. 燃气喷射控制液压系统（图15），液压系统产生的高压油通过P2口连接到燃气喷射装置的控制单元。ELWI阀控制窗式阀的动作，ELGI阀控制燃气喷射阀的动作。吹洗阀和放气阀的主阀芯由伺服液压油打开，使得蓄压腔和窗式阀到喷射阀间的燃气泄放到回气管或消音器。六、 双燃料发动机控制系统（ME-C-GI Engine control system）双燃料低速发动机可靠安全的运行需要很多系统支持，除了具备传统的ME-C控制系统，还要有涉及到关于第二燃料的储存、供给、加压、安全保护、控制等方面的系统。EICU单元（Engine information control unit）：信息交换中枢，主要与遥控、安保、车钟等联系。ECU单元(Engine control unit)：调速模块。CCU单元(Cylinder control unit)：气缸单元控制模块，接收角度译码器（TACHO system）的信号，通过对FIVA的控制实现对燃油喷射、气阀启闭的精准控制，同时对气缸注油器和缸头启动阀的控制。ACU单元（Auxiliary control unit）：对伺服油泵、辅助风机等控制。SCU单元(Scavenge air control unit )：对扫气系统控制。CWCU单元（Cooling water control unit）：对缸套冷却水温度根据发动机负荷控制。燃气控制单元共有四个，分别是燃气控制单元GPCU-Fuel gas plant control unit；燃气辅助控制单元GACU- Fuel gas auxiliary control unit；燃气安全单元GPSU- Fuel gas plant safety unit；燃气气缸安全单元GCSU- Fuel gas cylinder safety unit。和ME-C控制系统一样，这些模块是由多功能控制板MPC（multi-purpose controller）加软件组成，ECS中所有的模块是通过Arc网组成的双冗余网络，网络具有自检功能，任何模块断开都会在MOP中显示。- GPCU单元功能：1）控制惰性气体系统，接收惰性气体压力信号、HC传感器、惰性气体供给阀与放气阀的开、关信号，发出惰性气体供给信号。2）把产生的电源故障、系统故障、HC报警等信号发送给报警系统。3）把燃气燃烧模式的信号发送到驾驶台及机旁控制板。4）接收通风系统的运行信号、流量开关信号及干燥空气阀的控制信号，控制通风系统的运行与停止。5）接收燃气回气系统中燃气回气阀的开关信号，燃气放气阀的开关信号，控制燃气回气罐阀的动作。6）接收燃气阀组中燃气主阀的开关信号。7）接收燃气供给系统中燃气供给准备完成状况及燃气供给运行的信号，向燃气供给系统发出燃气供给运行或停止信号以及实时燃气的负荷。
- GACU单元功能：1）接收燃气阀组中燃气供给及燃气通过阀组的压力信号，以及当阀组系统电源故障信号。接收燃气供给系统燃气准备请求信号，燃气流量限制信号。接收燃气实时流量、温度及发热值参数信号。2）向燃气供给系统发送燃气压力设定信号（根据发动机负荷）。
- GPSU单元功能：1）接收驾控台、集控台及机器处所的燃气应急停止按钮的信号。2）接收通风系统中HC传感A和安全流量开关的信号，给通风系统发送干燥空气流量开关信号。3）接收安保系统应急停止信号及ELWI可操作信号。4）接收燃气回气系统放气阀开关信号，并给回气系统发送控制放气阀动作指令。5）接收燃气阀组中回气管路测试阀的开关信号，并发送测试阀的控制信号。6）接收燃气阀组中主阀的开关信号，并发送主阀的控制信号。7）接收燃气阀组中放气阀的开关信号，并发送放气阀的控制信号。8）接收燃气到发动机的压力信号。
- GCSU单元功能：发动机每只缸配一只GCSU单元#，接收通风系统中HC传感器B的信号，与CCU#一起控制燃气控制块上的部件。CCU#控制ELGI动作，为燃气喷射提供精准定时，GCSU控制ELWI和吹洗阀、放气阀的动作。图16是燃气控制示意图。
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。关于双燃料发动机营运期间的船舶管理，笔者觉得可以从如下三个层次进行学习。第一，掌握系统组成及基本控制原理, 对网络结构、各个模块的功能、液压单元、气缸控制单元、燃气系统、传感器的布置等有一定认识与理解,能完成发动机的日常操作；第二，对整个控制系统与发动机的工况有更深入的研究，可以熟练的掌握PMI系统、COCOS-EDS系统运用，利用各种理论数据、图表等能对船舶发动机进行综合评估分析、及时发现问题并进行适当调整；第三，能对发生的各种故障进行快速的综合分析与处理，某种意思上说，如果前面二个层次掌握得很好，其管理的发动机发生故障的概率会下降。对故障的快速综合分析不但需要理论支撑，还要有丰富经验的积累，这些经验来源于己发案例的总结和自己在管理中的用心体会。MAN ME-C-GI发动机在TierⅢ技术方面采用了EGRBP（Exhaust gas recirculation by pass）、EGRTC(EGR Turbo cut off)、HPSCR(High pressure selective catalytic reduction)、LPSCR(Low pressure SCR)等技术，这些技术主要是处理发动机排放废气中NOX，以达到TierⅢ的排放要求，这些设备的增加使得整个发动机的系统更加复杂。从船舶管理角度去出发，双燃料发动机系统有太多问题值得管理者去思考，如气缸油的使用、燃气消耗量的问题、伺服液压油的清洁管理、发动机功率的调速、系统产生报警的处理、燃气系统的日常维护管理、MPC板的维护、ECS绝缘维护检查、废气处理系统维护等。新技术的高速发展，需要管理者与时俱进，加强学习与交流，才能适应新时代下的船舶管理要求。本文转载自：海机务之家，仅供学习交流 原创作者：朱晓亮轮机长
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