游哲銳

（中國船級社上海分社 上海200120）

柴油機雙燃料系統(tǒng)風險分析與評估

游哲銳

（中國船級社上海分社 上海200120）

通過運用故障模式和影響分析法，對柴油機雙燃料系統(tǒng)的風險進行分析和評估,來確定雙燃料系統(tǒng)有關(guān)故障的風險程度，以便按照風險值的大小對相應故障采取有效的預防措施，以提高雙燃料系統(tǒng)柴油機運行的安全性和可靠性。

雙燃料系統(tǒng)；柴油機；風險；分析評估；故障模式和影響分析法

引 言

隨著國際社會及航運界對海上環(huán)境保護日趨重視，燃油成本不斷升高，使得越來越多的船東傾向于選擇更加清潔廉價的能源作為船舶動力來源的替代燃料。雙燃料系統(tǒng)的柴油機具有燃料混合靈活以及低排放的特點［1］，從而在市場需求中脫穎而出。與此同時，雙燃料運用所帶來的風險也逐漸成為焦點。

近年來，由于柴油機可靠性日趨提高，更多的LNG船采用雙燃料技術(shù)的柴油機。早在2003年，MAN公司就提出ME-GI雙燃料柴油機概念［2］，航運界對此極為關(guān)注，與此同時，業(yè)界權(quán)威也開始對雙燃料柴油機運用于LNG船舶進行可行性探討。

LNG是一種潔凈高效的能源。雙燃料柴油機可充分利用LNG液艙蒸發(fā)氣（BOG）作為燃料，使用成本較低。但由于需要在機艙內(nèi)使用LNG，故在船舶上使用雙燃料柴油機的安全性值得關(guān)注。

1　柴油機雙燃料系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與應用

早在1994年，12K80MC-GI雙燃料柴油機在日本千葉Chiba電站項目中作為動力裝置采用［3］，這為后續(xù)的LNG船舶采用雙燃料技術(shù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。航運市場對經(jīng)濟性、可靠性的追求，催生了ME電子控制柴油機。2004年，6S70ME-C柴油機成功運用于LNG船，開辟了LNG船舶采用柴油機為主動力的時代。目前，MAN B&W MEGI 發(fā)動機采用直噴形式，屬于高壓進氣；瓦錫蘭DF發(fā)動機采用支管進氣。M.V．klatawa 是迄今記錄最早的一艘由雙燃料推進的客渡船，2005年法國大西洋船廠建造了世界第一艘最大雙燃料LNG船。國外比較有代表性的雙燃料動力船有：M/F Glutra、Viking Energy、Maersk Drury等。

2　雙燃料系統(tǒng)柴油機

2.1簡 介

目前，相對成熟的雙燃料柴油機主要有MAN B&W ME-GI電控雙燃料柴油機及瓦錫蘭DF系列。

ME-GI，即ME engine with gas injection，是由MAN B&W公司在2005年推出的一款電子控制的雙燃料機。與過去生產(chǎn)的ME柴油機相比，該機型增加了獨立的燃氣供給和噴射系統(tǒng)，如圖1所示。瓦錫蘭DF系列雙燃料柴油機，參見圖2。

圖1　ME-GI電控雙燃料柴油機系統(tǒng)

圖2　瓦錫蘭DF電控雙燃料柴油機

2.2結(jié)構(gòu)特點

ME-GI柴油機是以成熟電子控制式ME柴油機為基礎(chǔ)，專為LNG市場開發(fā)的能燃燒天然氣和燃油的船用低速電控柴油機。它在ME電控型柴油機上安裝一個25～30 MPa壓力天然氣共軌，并對一些零部件進行改進，能實現(xiàn)柴油和第二燃料之間的方便轉(zhuǎn)換。

瓦錫蘭DF系列柴油機運用氣體開關(guān)單元對從裝有低壓泵蒸發(fā)器、加熱器的LNG 箱（罐）里的氣體進行控制。主要特點為該系列機型采用預噴射和預燃燒室技術(shù)，最小化點火油耗，提高燃燒穩(wěn)定性并減少排放。

3　柴油機雙燃料系統(tǒng)風險

柴油機雙燃料系統(tǒng)技術(shù)研究已有20余年，從最初的陸用到現(xiàn)今的航運市場。LNG燃料動力船的柴油機雙燃料系統(tǒng)一般包括燃料充裝、燃料儲存、燃料供應和燃料利用，典型布置圖見圖3。

圖3　典型LNG船柴油機雙燃料系統(tǒng)簡圖

從燃料特性角度考慮，配備雙燃料柴油機的LNG船，其危險點主要在于燃料利用的機器處所以及燃料供應的管系。

首先，在機器處所內(nèi)，發(fā)動機、ECU（中央控制系統(tǒng)）和氣體通道管路的布置，導致其著火源較為集中，發(fā)動機及其管路泄漏所產(chǎn)生的可燃氣體危害性極大，極易引起火災。且發(fā)動機燃料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)變化，會帶來磨損、拉缸、爆燃等故障。同時，ECU（中央控制系統(tǒng)）作為控制燃料供給的中樞及紐帶，對其可靠性要求和與主機互相協(xié)調(diào)的工況能力尤為重要。

其次，管系作為燃料供應的承接部分，其主要風險在于各個連接部位的閥件、密封接頭等，以上部分的泄漏將導致船體部分區(qū)域引發(fā)低溫損害及可燃氣體聚積，極易造成火災和爆燃等危害。因此，對燃料供應管系的安全可靠性應嚴加控制。

綜上所述，雙燃料柴油機系統(tǒng)的風險因素主要包括以下兩個方面：

3.1外部系統(tǒng)

3.1.1系統(tǒng)管路

燃氣噴射閥因其工作特點，是燃氣供給的主要門戶。噴射閥的密封性不好以及外部連接管路的破損，都會導致燃氣的泄漏。雙層管路及相關(guān)密封閥件的損壞，也會導致燃氣泄漏。

3.1.2密封油供給系統(tǒng)故障

在燃氣噴射閥中，如果密封油的壓力過低，則燃氣將阻止燃氣噴射控制電磁閥打開。

3.2內(nèi)部系統(tǒng)

3.2.1燃氣噴射閥故障

燃氣噴射閥開閉緩慢或者是在開啟位置中卡死，導致燃氣大量噴入氣缸。當排氣閥打開時，燃燒產(chǎn)物和未燃燒物在高溫環(huán)境下以混合物形式流出，進入廢氣管路。經(jīng)過排氣閥的混合物溫度也會升得很高，當其與廢氣混合時，因含有部分氧氣，則可能在廢氣系統(tǒng)發(fā)生劇烈燃燒，從而導致氣缸排溫高，甚至引發(fā)爆炸。

3.2.2控制油系統(tǒng)

控制油系統(tǒng)供油不足，將導致燃氣噴射量減少，功率輸出下降。

3.2.3通風系統(tǒng)故障

通風不良，將導致供氣系統(tǒng)滲漏的燃氣聚集，存在潛在的著火爆炸危險。

3.2.4其 他

蓄壓器能力不足，氣液分離器功能喪失等。

4　標準指南

我社在2010年12月制定的《氣體燃料動力船檢驗指南》第6.1條“一般規(guī)定”中指出，應對所有可能影響發(fā)動機燃燒過程的故障進行故障模式和影響分析（FMEA），并提交分析報告［4］。

5　故障模式與影響分析

在實施故障模式和影響分析的過程中，本人制作了調(diào)查表，進行相關(guān)調(diào)查。根據(jù)每一份調(diào)查表，將故障發(fā)生的頻次O、影響嚴重程度S和檢測難易程度D的評判結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應的十分制數(shù)字。然后根據(jù)12組數(shù)據(jù)，對各個指標進行計算，算出算術(shù)平均并取整數(shù)，得到各個故障模式相應O、S、D算術(shù)平均值（如公式1、2、3），并由公式4進一步計算出各模式所對應的風險順序數(shù)RPN值。

式中：O為故障發(fā)生頻次分值，分；S為影響嚴重程度分值，分；D為檢測難易程度分值，分；N為調(diào)查次數(shù)，次。

同時，對RPN各指標評價標準進行定義，參見表1、表2、表3。

表1　故障發(fā)生頻次評價標準

表2　影響嚴重程度評價標準

表3　檢測難易程度評價標準

綜上所述，并根據(jù)第3點中所列舉的系統(tǒng)風險進行細化分析，對燃氣系統(tǒng)制定如表4所示詳細的FMEA表格。

表4　雙燃料柴油機燃氣系統(tǒng)故障模式和影響分析表

6　結(jié) 論

由表4可見，風險順序數(shù)的排名為通風系統(tǒng)通風不良、燃氣雙層管內(nèi)管泄漏、氣液分離器功能散失等。RPN值較大的項目存在較大的風險，需要根據(jù)其影響嚴重程度采取專門的控制和預防措施。通過對柴油機雙燃料系統(tǒng)進行故障模式和影響分析，旨在評估雙燃料系統(tǒng)存在的風險，由此來提高雙燃料船舶的安全系數(shù)，對高風險項目進行預防。

［1］ 顧磊，張善杰.聚焦船用柴油機最新技術(shù)［J］.船舶物資與市場，2010（6）：36.

［2］ 單卓.MAN B&W ME-GI柴油機雙燃料系統(tǒng)風險評估研究［D］.大連海事大學，2008：1-2.

［3］ 夏立國，翁昕昊.MAN B&W ME-GI雙燃料低速二沖程柴油機［J］.船舶標準化工程師，2012（1）：24-25.

［4］ 中國船級社.氣體燃料動力船檢驗指南［M］.北京：人民交通出版社，2010：27.

Risk analysis and evaluation of diesel dual-fuel system

YOU Zhe-rui
(CCS Shanghai Branch, Shanghai 200120,China)

Based on the failure mode and impact analysis method, this paper analyzes and evaluates the risk of diesel dual-fuel system in order to ascertain the degree of risk relating to the failure of the dual-fuel system. Therefore, the effective prevention measures can be took according to the risk level for the improvement of the security and reliability of the diesel dual-fuel system.

dual-fuel system; diesel engine; risk; analysis and evaluation; failure mode and impact analysis method

U664.121

A

1001-9855（2015）02-0070-04

2014-07-16；

2014-11-06

游哲銳（1987-），男，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程。