【船機幫】雙燃料柴油機燃油轉換燃氣模式故障解析

一、故障描述

某 LNG 船使用雙燃料柴油機電力推進，電站為5臺 MAN8L51 /60DF 四沖程雙燃料柴油機，每臺雙燃料柴油機額定功率8000 kW( 單缸功率1000kW) 。

該雙燃料柴油機運行模式可根據燃料不同分為燃氣、燃油、油氣混燒、備用等 4 種模式。

這 4 種運行模式可根據安全和經濟性的需要進行相互轉換。

該 LNG 船在碼頭裝載 LNG 后開始進行氣體試航，以驗證雙燃料柴油機能否安全平穩地轉換并運行在燃氣模式。

試驗時，1#雙燃料柴油機在燃油模式下運行各參數性能正常，在25%負荷( 約2000kW) 燃油模式下轉換為燃氣模式，雙燃料柴油機經過氮氣吹掃和燃氣泄漏自檢過程，燃氣通過每缸上單獨的燃氣進氣閥在進氣沖程時與增壓空氣一起進入氣缸燃燒做功，液態燃油在調速器的作用下通過調節各缸高壓油泵的油門桿噴油量逐漸減少、燃氣量逐漸增加。

當各缸噴油量為零時，全部燃氣做功，即實現燃氣模式運行的瞬間，立即發生劇烈敲缸，時長約1s，柴油機控制系統發出保護指令快速轉換回燃油模式，多次轉換試驗未成功。

二、故障排除

雙燃料柴油機從燃油到燃氣模式轉換過程需240s，在轉換過程中，燃油和燃氣比例不斷發生變化。

本次故障時的敲缸持續時間非常短暫，約1s，并快速換回燃油模式。

雙燃料柴油機控制系統檢測到敲缸，其中2#缸敲缸值為62，明顯高于其他缸，見表1。

在雙燃料柴油機旁邊可以聽到雙燃料柴油機敲缸發出的間斷沉悶的聲響。

進行故障排查時，首先考慮 2#缸與燃氣運行相關的部件。

排查過程如下:

(1) 換新 2#缸點火油油頭。點火油系統使用共軌控制: 在燃氣模式下，點火油被用來點燃氣缸內的燃氣; 在燃油模式下，點火油持續噴射以清潔/冷卻油頭并為下次燃氣模式運行做準備。

為減少點火油的消耗，該油頭可以在很小噴射量( 引燃油油量大約在滿負荷下燃油量的 1% ) 的情況下達到很好的霧化狀況。

(2) 換新 2#缸燃氣閥。

經過壓縮、過濾等過程的燃氣通過位于雙燃料柴油機每缸缸頭掃氣支管上的燃氣閥，在進氣沖程進入氣缸，進入氣缸燃氣的時間和氣量由組合在各缸燃氣閥上的電磁閥控制。

(3) 檢查所有缸敲缸傳感器。

每缸燃燒室的外部安裝敲缸傳感器，以收集燃氣模式下缸內燃燒狀況。

收集到的敲缸值發送到雙燃料柴油機控制系統SaCoSone，控制系統根據敲缸值對雙燃料柴油機點火油和進氣閥進行調節。

如果敲缸達到一定值，控制系統會發出快速轉換指令，柴油機進入燃油模式運行。

(4) 換新2#缸主油頭。

考慮到如果主油頭狀況不良( 如滴漏) ，漏出的燃油在壓縮沖程提前點燃燃氣，可能導致爆燃敲缸。

(5) 對上述部件進行換新或檢查后，再次進行燃油到燃氣模式轉換，故障依舊，沒有任何改善。

(6) 檢查所有氣缸點火油油頭上電磁閥的動作狀況。

點火油油頭由上部電磁閥和下部油頭偶件2部分組成，使用聽音棒可聽到點火油頭上電磁閥動作的聲音。

判斷所有氣缸點火油油頭電磁閥工作正常。

(7) 繼續更換其他氣缸點火油油頭。

更換 4#、5#、6#、7#缸的點火油油頭后，敲缸狀況明顯改善，柴油機可以在燃氣模式運行，但在增加雙燃料柴油機負荷時，因8#缸排氣溫度偏差過高造成快速轉換到燃油模式，各缸排氣溫度見表2。

(8) 更換剩余的 1#、3#、8#缸點火油油頭后，雙燃料柴油機可以順利從燃油模式轉換到燃氣模式并在燃氣模式持續運行，敲缸消失，各缸排氣溫度基本平均，運行參數正常，見表3。

三、故障原因

經過2d故障判斷和處理，最終實現1#雙燃料柴油機從燃油模式到燃氣模式的成功轉換和順利運行，在后續多次的運行模式轉換中也未發生故障。

1、燃燒敲缸和不發火做功

雙燃料柴油機的燃氣模式是基于點火油點燃燃氣的“貧燃”(Lean-Burn) 氣體機，工作窗口狹窄，容易造成燃燒敲缸和不發火的狀況。

本故障在判斷初期只注意到 2#缸的敲缸，但實際原因是其他缸不發火。

MAN 8L51 /60DF 雙燃料柴油機額定輸出功率為8000kW，單缸功率為1000kW。

當燃油模式轉換為燃氣模式時，雙燃料柴油機負荷設定為 25% 。

圖1 雙燃料柴油機 1#缸功率輸出曲線

查找船舶綜合控制系統( IAS) 相關界面中發生模式轉換故障的雙燃料柴油機功率輸出曲線( 見圖1) ，可以發現: 在雙燃料柴油機從燃油轉換為燃氣過程中，隨著燃油比例的下降，燃氣比例上升，從15時47分15秒到15時47分30秒燃氣占總的燃料(燃油+燃氣) 消耗的比重逐漸加大，雙燃料柴油機輸出功率開始下降 (從2000kW下降到約1000kW) ，雙燃料柴油機2#缸從15時47分30秒開始發生敲缸并轉換到燃油模式。

實際上，雙燃料柴油機除 2#缸外其他缸都不發火做功，控制系統為維持轉速和功率輸出，只能加大各缸燃氣供給，造成雙燃料柴油機的功率輸出僅靠 2#缸，2#缸隨即發生爆燃敲缸，柴油機快速轉換到燃油模式。

2、未考慮雙燃料柴油機過往因素

該雙燃料柴油機在碼頭試車期間，點火油系統被水乳化導致點火油系統故障，進而使雙燃料柴油機多次進入備用模式運行。

雖然已清洗點火油管路和換油，但大部分氣缸的點火油油頭噴嘴已損壞，無法有效噴射點火油。

MAN認為，如果點火油油頭在沒有有效噴射點火油的情況下運行超過15h，容易造成點火油油頭不可逆轉的故障。

3、無法判斷是否發火

該機型缸頭未安裝示功閥，無法人工測試缸內壓力，而且SaCoSone控制系統雖然可以感知判斷氣缸出現的敲缸，但無法感知判斷缸內不發火的不正常狀況( 需要 MAN 修改完善其控制軟件) ，致使故障查找和解決的時間很長。

如果控制軟件能準確感知判斷缸內不發火的狀況，那么可以大大縮短查找和解決故障的時間。

四、日常管理的建議

(1) 加強點火油質量的控制。

高工作壓力和微小噴入量對點火油的要求非常高。

對柴油日用柜勤放殘水，使用分油機持續凈油，避免柴油被雜質和水分污染。

定時更換點火油過濾模塊中的精濾器(濾除直徑3μm) 和點火油進機安全濾器(濾除直徑5μm) 。

(2) 雙燃料柴油機的備用模式僅在影響船舶安全的情況下使用，如果發現其運行在備用模式需要盡快停止運行雙燃料柴油機，避免造成點火油油頭不可逆轉的故障。

五、結束語

雙燃料四沖程柴油機是近幾年裝船的較先進機型，使用和管理的經驗積累不多、管理人員對燃氣部件相對不熟悉等是管理該類機型的難點。

無論MAN 還是瓦錫蘭的雙燃料柴油機都是在傳統柴油機的基礎上發展過來的，以 MAN 51 /60DF 為例，母型機為MAN 48 /60B，沿用 80% 的原部件，只增加燃氣系統相關部件。

相關作業人員只有做好燃油、冷卻水的質量控制，充分理解雙燃料柴油機的工作原理，才能確保雙燃料柴油機的安全、高效運行。

原創作者系：

上海中遠海運液化天然氣投資有限公司

王書雷 陳業平