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一文读懂WinGD6X72DF主机LNG双燃料系统

随着人们对环境保护的日益重视,IMO在减少有害气体排放、安全高效等方面相继出台了一系列规章制度。天然气作为目前最清洁的石化燃料被越来越广泛地使用。本文就某17.4万立方米LNGC项…

随着人们对环境保护的日益重视,IMO在减少有害气体排放、安全高效等方面相继出台了一系列规章制度。天然气作为目前最清洁的石化燃料被越来越广泛地使用。本文就某17.4万立方米LNGC项目所采用的WinGD6X72DF主机燃料系统(主要包括主燃油、点火油、天然气系统)进行介绍

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一、WinGD6X72DF主机燃料系统的主燃油系统

主燃油系统机外部分与常规燃料主机燃油系统相似,可以使用HFO或MDO作为燃料。燃油供给泵把燃油从日用柜经燃油自清滤器输送到混油柜,再经过燃油加热器(MGO冷却器)、燃油增压泵、指示滤器输送到机旁主机燃油泵(见图1)。

主机燃油泵由曲轴通过齿轮带动凸轮轴驱动,把高压燃油输送到燃油共轨(Fuel rail)。机上燃油管设有电加热,电加热根据使用的燃油属性自动控制。

1.发动机燃油压力控制

燃油共轨压力与发动机负荷及转速有关一一燃油共轨上的压力传感器把信号反馈到气缸控制模块CCM-20A,气缸控制模块CCM-20A控制燃油泵的燃油量。燃油共轨上设有压力控制阀(Pressure con-trol valve)和稳压阀(Pressure retaining valve.)。

发动机启动时,燃油泵执行器设定在启动位置。发动机运转时,燃油压力与发动机负荷有关一一发动机控制系统(ECS)根据发动机转速及负荷触发一个控制信号;由气缸控制模块CCM-20A发出的信号控制燃油泵执行器,而每一个执行器则通过油门齿条控制相关燃油泵。发动机停车时,如果燃油共轨压力需要迅速释放,燃油泵执行器就设定到“0”位,燃油共轨上的压力控制阀开启释放共轨压力。应急模式时,如果气缸控制模块CCM-20A或者燃油泵故障,其余的燃油泵可以保持燃油共轨压力,发动机持续运转。另外,燃油共轨压力设有报警,如果压力超出范围,将触发报警。

2.发动机燃油喷射控制

每个气缸上的喷油器都是通过电磁阀单独控制的。通常,每个气缸的三个喷油器同时工作,特殊操作模式下可以是两个或三个喷油器工作。在低负荷时,一个喷油器自动停止喷油,也可轮换切断不同喷油器的供油。气缸控制模块CCM-20A计算喷油量(喷油时间),输入的燃油指令与速度控制器的输出有关一一将来自速度控制器的相关信号转换为喷射数值,这些数值给出了燃油喷射的持续时间,即注入每个气缸的燃油量一一燃油量与发动机负荷有关。如有必要,可以对每个喷油器的燃油供应进行差异化调整。

燃油共轨压力对发动机控制系统喷射定时数值有影响一一在上一次喷射定时的过程中,每个气缸控制模块CCM-20A从速度传感器和曲柄转角传感器接收关干角度位置的准确数据,气缸的发火指令和角位移在气缸控制模块CCM-20A中进行编程。在发动机工作负荷范围内,ECS针对各个气缸使用不同的喷射定时来获得最佳工况。

二、WinGD6X72DF主机燃料系统的点火油系统

点火油使用MDO。在天然气模式下,点火油喷入气缸引燃天然气、空气混合物。喷油定时和喷油量由电气控制。在燃油模式下,点火油系统通过减少燃油量继续工作,防止点火油喷油器和预燃室被污染。

点火油从MDO日用油柜经过供给泵、点火油冷却器(旁通)、点火油自清滤器进入发动机本体。机上点火油系统包括进机双联滤器、点火油泵、高压管路、点火油喷油器(见图2)、泄漏收集器和泄漏管。为了避免HFO污染MDO油柜而影响点火油系统,船上最好设有专用的点火油柜。

由机带点火油泵一一含有内置超压旁通阀的电控径向柱塞泵对点火油进行增压。高压点火油经过高压燃油管、供给块、连接块进到每个气缸的点火油喷油器,每个气缸装有两个点火油喷油器。连接块泄漏的柴油泄漏到燃油共轨单元收集器,收集器设有泄漏检测探头。为了防止燃油污染滑油,滑油和点火油喷油器燃油泄放的混合物泄放到油渣柜。所有的高压管都是双壁管,可以吸收压力的波动。点火油喷油器含有内置电磁阀,ECS根据发动机负荷计算喷油定时及喷油量,通过电磁阀控制喷油器喷油定时和持续时间,并激活喷油器上的电磁阀,移动到开启位置。点火油从喷孔注入到预燃室,进而从预燃室下面的孔里注入到气缸;少部分点火油回流到点火油单元;点火油供给到油头的压力是恒定的。点火油喷油器设有预燃室,以保障最佳的点燃和燃烧的稳定性。系统滑油冷却点火油喷油器,缸套水冷却预燃室,点火油头冷却水腔与气缸燃烧室之间靠金属垫圈密封,故在安装及检修后一定要通过扫气箱认真检查其密封状态,确保没有泄漏(实船上曾有燃气窜入缸套水的案例)。

三、NinGD6X72DF主机燃料系统的天然气系统

1.双燃料发动机天然气系统由外部气体供应系统(FGSS)、气体压力控制(GVU或GPR)和发动机内部气体系统组成。该系统在一定程度上取决于双燃料发动机的类型和安装,但有关结构、运行和安全性的主要原则是相同的。为WinGD双燃料主机服务的天然气管路、氮气吹扫管路及透气管路均为316L不锈钢管,并且天然气管路还采用双壁管结构,内壁管焊缝做了100%的射线探伤(RT),外壁管焊缝做了100%的着色探伤(PT),双壁管内管做了1.5倍的工作压力强度试验,天然气管道上配备了气体泄漏和通风流量/压力检测设备,以保障安全。

2.燃气供给系统FGSS包括自然挥发NBOG

系统和强制挥发FBOG系统。在NBOG系统中,液货舱自然挥发的天然气汇集到挥发气总管,挥发气总管的天然气经过气体压缩机(LD compres-sor)及相关的阀件;在FBOG系统中,LNG经过燃气泵、强制气化器、气液分离器、LD加热器及相关的阀件。LD加热器及LD压缩机后的天然气经过主燃气阀(MGV)、双壁燃气管、GVU。主机GVU前管路的供气压力为5~16Ba,供气经过GVU的天然气主阀、滤器、双阻止透气阀、质量流量计、天然气压力控制阀进入发动机内部天然气系统。内部天然气系统(包括双壁管)通过天然气吸入阀(GAV)把天然气供给每个气缸,发动机控制系统(ECS)控制每个吸入阀的动作,并通过控制每个气缸天然气的供给量调节发动机的速度和功率。

3.每个气缸上装有两个天然气吸入阀(见图3)控制天然气注入到气缸中,当吸入阀打开时,天然气喷入气缸中。ECS通过控制天然气吸入量调节发动机的负荷。伺服油是用来控制天然气吸入阀动作的,安装在缸头上的吸入阀冲程传感器信号传送到ECS,ECS根据接收到的信号及发动机的负荷调节天然气供给定时。当天然气吸入阀的电磁阀失电时,弹簧压缩,吸入阀关闭。天然气吸入阀是单壁结构的,出于安全考虑,

厂家将其装好后会做一个泄漏测试,以确保没有天然气从吸入阀泄漏。如果有泄漏,天然气就会从阀壳里面的孔洞里漏入双壁管内,激活探测探头,触发ECS报警。

(1)伺服油驱动天然气吸入阀。

来自高压液压油管和分配阀块的伺服油进入天然气吸入阀,克服弹簧的压缩压力,推动活塞和阀杆;阀杆离开阀座,天然气就从喷嘴喷入燃烧室。当电磁阀失电时,活塞上无伺服油油压,弹簧复位,阀杆落座,吸入阀关闭。ECS单独操作天然气吸入阀,可确保天然气不会通过燃烧室进入排烟管。

(2)天然气吸入阀的润滑及油封。伺服油通

过调压阀注入伺服油供给管,并进入阀壳及经过润滑孔道进入阀杆的沟槽里,起到润滑的作用。出于安全考虑,天然气吸入阀里的伺服油会起到油封的作用,阻止天然气进入伺服油系统。另外,泄漏的伺服油通过回油管泄放到收集器。

(3)天然气燃料压力控制。天然气燃料系统

根据发动机的负荷和速度将天然气压力调整到设定值,以闭环控制的模式工作。ECS检测发动机排气侧和燃油侧天然气进机的压力、GVU中压力控制阀后的压力、气缸压缩的压力及爆炸的压力。

如果压缩压力和爆炸压力之间没有显著偏差,ECS则调节相应气缸的天然气供应定时及注入量;如果在特定时间内的偏差没有改变,ECS则控制发动机自动切换到燃油模式。

(4)透气阀控制。发动机飞轮端装有两个透气阀,自由端装有一个透气阀(这三个透气阀分别由CCM-20G1~3单独控制)。发动机控制、安保系统接收Gas trip信号或在Gassing up阶段,透气阀会打开,把燃气或惰气透到4号货舱透气桅。

天然气探头(安装在发动机燃油侧)连续监控活塞下空间的天然气浓度。如果天然气含量过高,信号传送到CCM-20G4,就会触发ECS报警,发动机安全系统(ESS)就会自动打开位于飞轮端的两个透气阀,对天然气供给管路进行驱气。天然气系统在发动机自由端设有两个自动速闭阀,由ECS发送信号进行控制。由于发动机气缸内存在较高的压缩压力及稀薄的天然气/空气混合物,所以发动机在天然气模式下工作比在燃油模式下粗暴。因此,每一个气缸上均装有敲缸探头(Knock sensor),以监测燃烧过程。如果探头检测到燃烧过于迅猛(敲击),就会触发ECS报警。探头在发动机正常负荷下特定范围监测,ECS监控则有着不同的敲击范围,比如轻微敲缸和严重敲缸。如果单缸轻微敲缸,ECS就会减小天然气量,以调节天然气、空气比,或调节相关气缸的点火油喷油定时;如果敲缸停止,ECS就恢复到对正常参数进行控制;如果一个或多个气缸发生严重敲缸,ECS则将自动切换到燃油模式。

(5)熄火控制。如果一个或多个气缸熄火,ECS将控制发动机自动切换到燃油模式。

(6)空气、天然气比例控制。ECS通过检测

空气和天然气的比例来减少天然气供应的最小值,以阻止敲缸和熄火的发生。空气流量是根据扫气压力(发动机在不同的负荷和速度下利用排烟管的废气门调节扫气压力)控制的;在必要的情况下,ECS将调节燃料供应指令,以阻止过高的扫气压力和过高的透平转速。

(7)动态燃烧控制(DCC)。该功能是确保

在高扫气温度或在低甲烷值时发动机也可以在气体模式下全负荷运行。如果发动机在高负荷下达到临界气缸压力,就会将少量额外的燃油注入主喷油器。由于发动机在油转气时使用的燃油是MDO,所以在DCC模式下激活时,注入主喷油器的燃油通常为MDO。在DCC运行的过程中,主燃油也可以使用HFO,但需在DCC未激活时把HFO切换为MDO。这样,燃油系统中就不会有HFO在不消耗的情况下停留较长时间的情况,避免淤结的燃油堵塞管路。

双燃料发动机方兴未艾,人们也在实践中对其有了新的认识,但就管理经验而言,目前还比较匮乏。安全、高效、可靠一直是船舶业界的追求。笔者撰写此文意在抛砖引玉,以期与同行交流。

来源:中远海运安全 原创作者:上海中远海运液化天然气投资有限公司 李广准轮机长

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