MAN双燃料四冲程柴油机的油/气混烧模式及应用
王书雷 陈业平
摘要：随着双燃料四冲程柴油机在海洋工程中的不断应用，一些优化功能也得到了不断的开发和应用。本文对MAN 51/60DF双燃料柴油机的油/气混烧模式进行简单介绍，该功能对LNG船运营带来的好处进行分析，并阐述该模式的控制和使用限制条件。
关键词： 双燃料柴油机 油/气混烧 LNG船 运行模式
目前，应用于LNG船舶的双燃料四冲程柴油机主要有两家生产商，分别是瓦锡兰和曼恩。两家双燃料柴油机的运行模式基本是一致的，可分为燃气模式（GAS MODE）、液态燃油模式（DIESEL MODE）和备用模式（BACKUP MODE）。燃气模式下双燃料柴油机约99%的燃料为燃气，约1%的轻质柴油作为点燃油（PILOT OIL）；液态燃油模式下双燃料柴油机全部使用液态燃料，包括高压油泵驱动的主燃油和约1%的轻质点火燃油；备用模式是在点火引导油系统故障时，仅依靠高压油泵驱动的主燃油作为全部燃料，但只能短时运行。上述三种运行模式可以发现，进入双燃料柴油机气缸内的主燃料几乎全部利用气态燃料或液态燃料，运行模式可以相互转换，但燃油和燃气作为主燃料不能同时进入柴油机气缸。为了真正实现柴油机的双燃料混烧运行，MAN Diesel & Turbo公司针开发了另一运行模式——油/气混烧模式（Fuel-Sharing Mode），本文就MAN 51DF双燃料柴油机使用油/气混烧功能进行探讨。
1 油/气混烧模式的开发
目前大型双燃料柴油机电力推进LNG船多数使用4～5台双燃料柴油机，如果某一台双燃料柴油机能够液体燃料和挥发气燃料同时混烧并根据挥发气的量进行自动调节燃气和液态燃油的比率，对LNG船舱压的控制和节能有着明显的积极作用。MAN Diesel & Turbo 公司设计人员根据双燃料柴油机从燃油模式转换到燃气模式有一段燃油和燃气共同燃烧的过程为思路，经过大量的台架实验，开发出了油/气混烧这一工作模式。就是LNG挥发气和液态燃油（MGO、MDO或HFO）可以在柴油机的同一气缸内共同燃烧做功，整台柴油机所有气缸同时以一定的气体/液体燃料比率来使用混合燃烧的工作模式，如下图1-1所示。
2 油/气混烧功能的操作限制
双燃料柴油机在油/气混烧模式下运行时，燃气和液态燃油共同进入柴油机气缸，这就要求该双燃料柴油机既要满足燃气运行的条件又要满足液态燃油燃烧的要求。双燃料柴油机在液态燃油模式工作的原理是基于狄赛尔循环（Diesel Cycle），而在燃气模式工作的原理是基于奥托循环（Otto Cycle）。工作原理的不同，双燃料柴油机部件的机械性能和排放限制等要求，决定了油/气混烧功能必然有一定的操作限制。曼恩在进行大量试验的基础上，根据液态和气态燃料比以及机器的负荷对油/气混烧模式的运行分为A1-A5个区域，可参考下图2-1。
图中下横轴——气态燃料占总需求能量的百分比；上横轴——液态燃料占总需求能量的百分比，两者相加为100%。竖轴——柴油机的负荷。可见，0～15%MCR只能使用液态燃油；15%～100%MCR可以持续运转，其中深色区域可以实行油/气混烧，100%～110%MCR仅为频率调节时使用，如突加負荷等。
图2-1中的A1区域为油/气混烧推荐的运行区域：该区域位于双燃料柴油机运行区域的中央，随着柴油机负荷的增加可操作区域逐渐变宽。
A2区域油/气混烧可以运行，但不推荐的区域。该区域总体负荷大约低于50%MCR，随着燃气在总能量的百分比逐渐增加，燃油百分比随之相应减少，区域也随之扩大；该区域油/气混烧模式可以操作，但尽量避免。在本区域柴油机的负荷较低，燃气能量占的比例较高，液态燃油比例较小，会造成雾化不良而导致冒黑烟。
A3区域不能进行油/气混烧运行：该区域随着负荷的增加逐渐减小，气体进气阀门需要最小的开关时间，气体喷射不能有效进行，只能采用燃油模式。备注：燃气进入气缸需要经过燃气进气阀，该进气阀是美国伍德沃德（WOODWARD）公司专门为双燃料柴油机设计的电磁脉冲作用的阀门，内部使用金属阀片，具有一定延迟，需要最小的开关时间。
A4区域不能进行油/气混烧运行：该区域为了保证燃油雾化质量，喷油嘴最小油量无法保证，从而无法进行气体混烧模式运行，只能采用燃气模式。
A5区域不能进行油/气混烧运行：出于柴油机运行安全的考量，0～15%MCR范围内，双燃料柴油机的负荷低，会造成大量没有燃烧的燃气进入排气系统，不允许使用气体模式，而只能采用燃油模式。
3 油/气混烧模式的控制
对于双燃料柴油机电力推进液化天然气船，船舶的控制系统包含有能源管理系统（PMS Power Management System）和综合自动化系统（IAS Integrated Automation System）。为了描述油/气混烧功能和船舶控制系统的界面和控制，下面以一艘双燃料柴油机电力推进系统的液化天然气船中的任意两台双燃料柴油机为例进行说明如下图所示。
根据上图可以看出，使用油/气混烧模式的双燃料柴油机与没有该模式的双燃料柴油机，需要额外的输入/输出信号与船舶能源管理系统进行联系，是否使用油/气混烧功能需要船员确认的开关量信号和燃气/燃油的比率的4-20毫安模拟量信号。船员根据需要对其中某台双燃料柴油机选择使用油/气混烧功能后，为了船员的操作方便，使用货舱压力信号作为控制信号，对燃气/燃油的比率进行自动调节控制。
为了理解方便，以液化天然气船在满载航行时的一个操作为例来进行说明。液化天然气船从装货港开出，此时因为货舱内货物不稳定，自然挥发气较多而造成货舱压力较高。为了消耗掉该部分自然挥发气，需要所有的双燃料柴油机在燃气模式下全负荷运行，通过一定时间的航行后，货舱内挥发气量趋于稳定，如果柴油机消耗的燃气量大于稳定的挥发量，则货舱内压力逐渐降低，当货舱压力降低到货舱设定的最低值，如果还需要全负荷运行，则燃气将供不应求，此时，船舶综合自动化控制系统会发出信号给船舶功率管理系统要求。a.增加一台柴油机使用燃油补充功率，降低气体燃料消耗量（无混烧功能）；b.给出指令让其中一台双燃料柴油机从燃气模式转换到油/气混烧模式，同样降低气体燃料消耗量，并发出提醒信号给船员，船员需要选定一台双燃料柴油机，并在该台双燃料柴油机的控制系统内通过确认按钮进行确认。这样，该台双燃料柴油机就会在一定的燃气/燃油比率（如20%的燃油，80%燃气）运行在油/气混烧模式。如果舱压进一步降低，双燃料柴油机的控制系统会自动改变燃气/燃油的比率（如30%燃油，70%燃气）。
上述两种方式都可以通过增加液体燃料、降低了气体燃料的消耗而达到控制货舱内压力的目的，但因为a模式比b模式需要多运行一台柴油机。所以很明显，b模式比a模式节能。
4 结束语
双燃料柴油机是近年来为了满足LNG船舶运输需要而开发的一种新型柴油机，油/气混烧是为了优化LNG船货舱压力而开发的特殊的操作模式。目前世界上只有MAN公司的双燃料柴油机有此功能，而且此功能在2014年1月份才得到世界上知名的船级社（美国、法国、挪威、中国、德国和英国劳氏船级社等）的认可。
参考文献：
[1] MAN Diesel & Turbo.51/60DF Project Guide-Marine[M].Version 3.5， 2013.06，Page 2-61-63.
摘要：随着双燃料四冲程柴油机在海洋工程中的不断应用，一些优化功能也得到了不断的开发和应用。本文对MAN 51/60DF双燃料柴油机的油/气混烧模式进行简单介绍，该功能对LNG船运营带来的好处进行分析，并阐述该模式的控制和使用限制条件。
关键词： 双燃料柴油机 油/气混烧 LNG船 运行模式
目前，应用于LNG船舶的双燃料四冲程柴油机主要有两家生产商，分别是瓦锡兰和曼恩。两家双燃料柴油机的运行模式基本是一致的，可分为燃气模式（GAS MODE）、液态燃油模式（DIESEL MODE）和备用模式（BACKUP MODE）。燃气模式下双燃料柴油机约99%的燃料为燃气，约1%的轻质柴油作为点燃油（PILOT OIL）；液态燃油模式下双燃料柴油机全部使用液态燃料，包括高压油泵驱动的主燃油和约1%的轻质点火燃油；备用模式是在点火引导油系统故障时，仅依靠高压油泵驱动的主燃油作为全部燃料，但只能短时运行。上述三种运行模式可以发现，进入双燃料柴油机气缸内的主燃料几乎全部利用气态燃料或液态燃料，运行模式可以相互转换，但燃油和燃气作为主燃料不能同时进入柴油机气缸。为了真正实现柴油机的双燃料混烧运行，MAN Diesel & Turbo公司针开发了另一运行模式——油/气混烧模式（Fuel-Sharing Mode），本文就MAN 51DF双燃料柴油机使用油/气混烧功能进行探讨。
1 油/气混烧模式的开发
目前大型双燃料柴油机电力推进LNG船多数使用4～5台双燃料柴油机，如果某一台双燃料柴油机能够液体燃料和挥发气燃料同时混烧并根据挥发气的量进行自动调节燃气和液态燃油的比率，对LNG船舱压的控制和节能有着明显的积极作用。MAN Diesel & Turbo 公司设计人员根据双燃料柴油机从燃油模式转换到燃气模式有一段燃油和燃气共同燃烧的过程为思路，经过大量的台架实验，开发出了油/气混烧这一工作模式。就是LNG挥发气和液态燃油（MGO、MDO或HFO）可以在柴油机的同一气缸内共同燃烧做功，整台柴油机所有气缸同时以一定的气体/液体燃料比率来使用混合燃烧的工作模式，如下图1-1所示。
2 油/气混烧功能的操作限制
双燃料柴油机在油/气混烧模式下运行时，燃气和液态燃油共同进入柴油机气缸，这就要求该双燃料柴油机既要满足燃气运行的条件又要满足液态燃油燃烧的要求。双燃料柴油机在液态燃油模式工作的原理是基于狄赛尔循环（Diesel Cycle），而在燃气模式工作的原理是基于奥托循环（Otto Cycle）。工作原理的不同，双燃料柴油机部件的机械性能和排放限制等要求，决定了油/气混烧功能必然有一定的操作限制。曼恩在进行大量试验的基础上，根据液态和气态燃料比以及机器的负荷对油/气混烧模式的运行分为A1-A5个区域，可参考下图2-1。
图中下横轴——气态燃料占总需求能量的百分比；上横轴——液态燃料占总需求能量的百分比，两者相加为100%。竖轴——柴油机的负荷。可见，0～15%MCR只能使用液态燃油；15%～100%MCR可以持续运转，其中深色区域可以实行油/气混烧，100%～110%MCR仅为频率调节时使用，如突加負荷等。
图2-1中的A1区域为油/气混烧推荐的运行区域：该区域位于双燃料柴油机运行区域的中央，随着柴油机负荷的增加可操作区域逐渐变宽。
A2区域油/气混烧可以运行，但不推荐的区域。该区域总体负荷大约低于50%MCR，随着燃气在总能量的百分比逐渐增加，燃油百分比随之相应减少，区域也随之扩大；该区域油/气混烧模式可以操作，但尽量避免。在本区域柴油机的负荷较低，燃气能量占的比例较高，液态燃油比例较小，会造成雾化不良而导致冒黑烟。
A3区域不能进行油/气混烧运行：该区域随着负荷的增加逐渐减小，气体进气阀门需要最小的开关时间，气体喷射不能有效进行，只能采用燃油模式。备注：燃气进入气缸需要经过燃气进气阀，该进气阀是美国伍德沃德（WOODWARD）公司专门为双燃料柴油机设计的电磁脉冲作用的阀门，内部使用金属阀片，具有一定延迟，需要最小的开关时间。
A4区域不能进行油/气混烧运行：该区域为了保证燃油雾化质量，喷油嘴最小油量无法保证，从而无法进行气体混烧模式运行，只能采用燃气模式。
A5区域不能进行油/气混烧运行：出于柴油机运行安全的考量，0～15%MCR范围内，双燃料柴油机的负荷低，会造成大量没有燃烧的燃气进入排气系统，不允许使用气体模式，而只能采用燃油模式。
3 油/气混烧模式的控制
对于双燃料柴油机电力推进液化天然气船，船舶的控制系统包含有能源管理系统（PMS Power Management System）和综合自动化系统（IAS Integrated Automation System）。为了描述油/气混烧功能和船舶控制系统的界面和控制，下面以一艘双燃料柴油机电力推进系统的液化天然气船中的任意两台双燃料柴油机为例进行说明如下图所示。
根据上图可以看出，使用油/气混烧模式的双燃料柴油机与没有该模式的双燃料柴油机，需要额外的输入/输出信号与船舶能源管理系统进行联系，是否使用油/气混烧功能需要船员确认的开关量信号和燃气/燃油的比率的4-20毫安模拟量信号。船员根据需要对其中某台双燃料柴油机选择使用油/气混烧功能后，为了船员的操作方便，使用货舱压力信号作为控制信号，对燃气/燃油的比率进行自动调节控制。
为了理解方便，以液化天然气船在满载航行时的一个操作为例来进行说明。液化天然气船从装货港开出，此时因为货舱内货物不稳定，自然挥发气较多而造成货舱压力较高。为了消耗掉该部分自然挥发气，需要所有的双燃料柴油机在燃气模式下全负荷运行，通过一定时间的航行后，货舱内挥发气量趋于稳定，如果柴油机消耗的燃气量大于稳定的挥发量，则货舱内压力逐渐降低，当货舱压力降低到货舱设定的最低值，如果还需要全负荷运行，则燃气将供不应求，此时，船舶综合自动化控制系统会发出信号给船舶功率管理系统要求。a.增加一台柴油机使用燃油补充功率，降低气体燃料消耗量（无混烧功能）；b.给出指令让其中一台双燃料柴油机从燃气模式转换到油/气混烧模式，同样降低气体燃料消耗量，并发出提醒信号给船员，船员需要选定一台双燃料柴油机，并在该台双燃料柴油机的控制系统内通过确认按钮进行确认。这样，该台双燃料柴油机就会在一定的燃气/燃油比率（如20%的燃油，80%燃气）运行在油/气混烧模式。如果舱压进一步降低，双燃料柴油机的控制系统会自动改变燃气/燃油的比率（如30%燃油，70%燃气）。
上述两种方式都可以通过增加液体燃料、降低了气体燃料的消耗而达到控制货舱内压力的目的，但因为a模式比b模式需要多运行一台柴油机。所以很明显，b模式比a模式节能。
4 结束语
双燃料柴油机是近年来为了满足LNG船舶运输需要而开发的一种新型柴油机，油/气混烧是为了优化LNG船货舱压力而开发的特殊的操作模式。目前世界上只有MAN公司的双燃料柴油机有此功能，而且此功能在2014年1月份才得到世界上知名的船级社（美国、法国、挪威、中国、德国和英国劳氏船级社等）的认可。
参考文献：
[1] MAN Diesel & Turbo.51/60DF Project Guide-Marine[M].Version 3.5， 2013.06，Page 2-61-63.
