图1 供油单元部分内部原理
陈燕飞， 陈 猛， 肖 超
（上海江南长兴造船有限责任公司，上海 201913）
摘要：针对某船试航期间燃油进主机压力波动太大的问题，从供油单元、主机、燃油供给系统管路和各种蓄能器等方面进行全面的分析，并提出解决问题的方案，为船舶与海洋工程的建造方、船东、船检及相关技术人员等提供有益的帮助和信息。
关键词：主机；燃油压力波动；燃油系统
主机是船舶与海洋工程中最重要的设备之一，是保证推进系统正常工作的关键。主机的非正常工作（比如燃油进主机压力波动较大）可能严重影响主机燃油喷射系统，产生破坏燃油系统（包括阀件、滤器、测量设备和检测设备等）的应力，导致燃油进主机压力低压报警，严重时会导致航行过程中主机降速或停车，威胁船舶的安全航行和营运。
在某船试航期间进行主机负荷试验时，船东发现其燃油进主机压力波动太大（主机其他参数正常），由低到高不断增加主机负荷的过程中发现：在低负荷时燃油进主机压力波动较小，随着负荷的不断增加，压力波动变大；主机负荷在FULL档以下时，燃油进主机压力波动范围在100kPa以内；在主机负荷到达FULL档以后，燃油进主机压力波动范围已达200kPa以上。在此期间，间断性出现过几次燃油进主机压力低压报警（报警设置为7s延时）。
通过仔细分析导致燃油进主机压力波动较大的主要因素，认为可在主机进油总管和回油总管安装蓄能器[1]。通过比较囊式蓄能器、自制蓄能器、金属波纹蓄能器和弹簧式蓄能器等备选方案，认为：金属波纹蓄能器最好，弹簧式蓄能器较好，都能有效稳定燃油进主机的压力；自制蓄能器和囊式蓄能器可作为备选，但其综合性能需在实际航行和运营过程中验证。
当该船出现燃油进主机压力波动较大的情况时，燃油进主机压力1（位于主机进油总管，主机6#缸之后）与燃油进机压力2（位于主机进油总管，主机4#缸与5#缸之间）的压力波动范围差别较大，燃油进机压力1相对比较稳定。
主机生产公司认为这可能是因为供油单元流量不足，建议旁通发电机，使供油单元仅供主机使用：将供油单元至发电机的相关管路所有进、出口阀关闭，但主机各档负荷下压力波动问题没有得到明显改善。
另外，该船的供油单元增压泵是机械密封螺杆泵（一种容积泵），排出压力仅取决于外负荷的高低和拖动效率的大小，额定排出压力与工作部件尺寸、转速无关，主要取决于泵的密封性能、结构强度和原动机功率。在一般情况下，若外负荷异常增高，为避免排出压力异常增大，常在螺杆泵的排、吸口间装设安全旁通阀。该船的供油单元供给泵和增压泵都带有安全阀（见图1）。
图1 供油单元部分内部原理
图1中：D为油出口（通向主机）；E为主机回油；O为供油单元的油泄放。该供油单元的基本原理为：增压泵（1.3和1.4）为机械密封螺杆泵，带有安全阀；一台增压泵工作，另一台增压泵备用，安装有可自动切换工作方式的电机（1.3.1和1.4.1），电机带有空间加热器并驱动增压泵工作；供油单元的供给泵将油输送至压力混油柜（4.1），由增压泵（1.3和1.4）增压之后通过D输送给主机，供主机正常工作。通过分析可知：仅供油单元整体的影响，不是导致燃油进主机压力波动较大的原因。
按照该船的系统图检查整个燃油日用系统管路，发现主机进油管与回油管之间的调压阀FSV31安装错误（见图2）。燃油供给系统管路的基本原理为：来自主机、辅机燃油供油单元的油经过FS45和FS46管路，通过快关阀（FSV29）进口X（主机燃油进口），从F（燃油出口），经过FS48、FS64和FS50管路返回到主机、辅机燃油供油单元，主机进油管路FS45、FS46与主机回油管路FS48、FS64之间的管路FS47上有压力调节阀FSV31。
图2 燃油日用系统
在发现压力调节阀FSV31装反之后，及时转为柴油模式，使应急柴油泵给发电机供油，停主机，重新正确安装压力调节阀FSV31。在重新安装完毕之后，调整该压力调节阀及燃油供给系统管路上的其他压力调节阀，完毕之后在柴油模式下增加主机负荷，查看燃油进主机压力，但压力波动没有改变。同时，将压力调节阀 FSV31关至最小，发现在负荷较低时燃油进主机压力波动范围有所收窄，但当主机负荷增加至FULL档以后燃油进主机压力波动变大。这说明管路上的压力调节阀FSV31不能有效缓解燃油进主机压力波动问题。
主机生产公司认为可能是主机某缸吸入阀的问题，建议单缸熄火查看燃油进主机压力波动的情况。于是，对该船的主机由1缸至6缸逐个熄火，燃油进主机压力波动情况基本一致，在没有发现某缸熄火时，燃油进主机压力波动明显减小。在单缸熄火，供油单元仅供主机使用时，将供油单元至发电机的管路的所有进、出口阀关闭，但各档负荷下压力波动的情况也未得到明显改善。
进一步排查主机相关管路：将主机各缸吸入阀、主机机带燃油调压阀拆除检查，仅发现主机机带燃油调压阀内部2个密封圈断了，其他无异常；将供油单元出口至主机回油管出口所有弯管拆除，查看弯管内部及直管内是否有杂物等，也未发现异常。在所有部件复位之后，在主机各档负荷下，燃油进主机压力波动情况仍未得到改善。
该船的主机为MAN B&W 6S60ME-C8.2-TⅡ，属于二冲程大型电喷柴油机，这种电喷柴油机可电子控制燃油喷射和废气排放[2]，其燃油泵由液压柱塞通过增压达到所要求的燃油喷射压力（见图 3），液压压力由电控比例阀控制。主机燃油喷射系统的基本原理为：在伺服油被薄膜蓄压器加压到一定压力时，经过控制阀之后，驱动液压柱塞和燃油柱塞（包含在图4中的燃油升压器内）；燃油被吸油阀吸入并经过燃油柱塞增压之后进入高压燃油管，最后进入燃油喷射阀（滑阀喷油器），供主机各气缸的发火和燃烧使用。
图3 主机燃油喷射系统
图4 液压缸单元
但是，在该船主机的燃油喷射系统中（如图 3所示），燃油的喷射过程本身可能导致燃油进主机压力波动：由于该船采用MAN B&W 6S60ME-C8.2-TⅡ主机，该型主机的燃油喷射系统并未采用Wärtsilä主机的“共轨”技术[3]，每个缸都有独立的喷射泵（图4中的燃油升压器[4]），当燃油在供给管路中被驳运时，燃油的压缩、喷射以及释放到回油管路而未被使用等诸多因素的存在，就很可能导致周期压力波动的发生；进、出主机的燃油管路压力相对于主机喷射压力而言比较低，在这种双重压力管路中，压力波动就可能引发一些更严重的问题：出现叠加的更大的压力波动，波动的压力和由此产生的超出要求的峰值压力不仅可产生管路的额外应力，而且会使相关附件（阀件、滤器等）、设备（测量、检测等）被严重破坏或不可修复（比如黏度计等）。
与该船极为相似的某船，其主机、辅机燃油供油单元出口处设置有一台压力阻尼器（见图5中的B020），其基本原理为：燃油通过供油单元的供给泵、增压泵，经过压力阻尼器（B020）的“稳压”作用之后，通过供油单元出口B输送给主机，多余的燃油通过安全阀V074进入供油单元的除气容器中，V052为透气阀，V053为泄放阀。
上述两船在燃油供给系统方面的区别仅在于主机进油管与回油管之间是否设置有压力阀FSV31（如图2所示），实际情况是没有设置压力调节阀（FSV31）、设置有压力阻尼器的某船在实际航行、营运过程中没有出现燃油进主机压力波动较大的情况。由此可说明：某船的压力阻尼器起到了减小压力波动的作用，可能削弱了主机自身原因导致的燃油压力波动，可基本消除进主机的燃油压力波动；该船的压力调节阀FSV31（如图2所示）不能有效减小燃油压力波动，但可能会在某种程度上削弱主机自身原因导致的燃油压力波动。
图5 压力阻尼器
该船采用自制蓄能器（见图6），当蓄能器在供油单元（仅供主机使用）出口时，增压泵出口压力波动消除，但燃油进主机压力波动依然较大。由此可说明：仅针对供油单元而采用自制蓄能器的措施不能有效解决进主机燃油压力波动的问题。
该船的燃油进主机压力波动太大的问题出现之后，通过实际检验，在燃油系统的适当位置处设置蓄能器是解决方案，可在主机进油总管和回油总管安装蓄能器，备选方案包括：自制蓄能器shock absorber（见图6）、囊式蓄能器（见图7）、金属波纹蓄能器（见图8）和弹簧式蓄能器（见图9）。自制蓄能器主体结构为DN200的普通中空钢管，附件为法兰、阀门及短管，中空钢管无须额外充入空气。
图6 自制蓄能器shock absorb
图7 囊式蓄能器
图8 金属波纹蓄能器
图9 弹簧式蓄能器
首先使用自制蓄能器shock absorber，将自制蓄能器安装在主机燃油进口管段#6气缸机带背压阀进口处及主机燃油回油管路出口F处（见图10，其中F和X分别为主机燃油出口、进口），燃油压力波动较大的问题得以解决，压力波动稳定在100kPa以内，试航期间效果良好，能稳定燃油进主机压力。但是，主机生产公司担心可能会有少量空气进入燃油系统，影响燃油系统的正常运行，建议使用弹簧式蓄能器，这种蓄能器通常应用于MAN B&W MC/MC-C类型的主机中，通过该船的试用（见图11）和交付之后的正常使用，证明该方案是可行的。
图10 自制蓄能器的应用
可采用充有氮气的囊式蓄能器，但可能出现的问题是：弹性体不能很好地适应燃油、高温等条件，若不能及时补充通过弹性体的气体，气体会逐渐损失，这就可能导致蓄能器隔膜开裂，蓄能器功能变差。要解决该问题，往往需在检测、维护方面投入较高的费用，同时间隔性地更换弹性体等。
可采用活塞式蓄能器，但可能存在容量较小、缸体加工与活塞密封要求较高、反应不灵敏和气体容易泄漏到油里等问题。可采用弹簧式蓄能器，但可能存在容量较小、产生的压力取决于弹簧的刚度和压缩量及有噪声等问题。活塞式蓄能器和弹簧式蓄能器都存在摩擦、磨损的问题。
可采用金属波纹蓄能器（见图12），其基本原理为：对于重型柴油机，可分别在进油管路、回油管路上安装金属波纹蓄能器，其波纹是液体与气体之间的柔性分离部件，被焊接在其他部件上，可起到气密的作用且可上下自由运动；经过金属波纹蓄能器“稳压”的燃油，在主机各气缸高压喷射泵的作用下进入各气缸，供气缸内正常的发火和燃烧使用。金属波纹蓄能器适用温度范围较广的燃油（有的甚至可适应160℃的燃油），其波纹没有摩擦、磨损，使用寿命非常长，这使整个金属波纹蓄能器的监测和维护费用得以降低。
图11 弹簧式蓄能器在船上的试用
图12 金属波纹蓄能器的应用
上述囊式蓄能器、活塞式蓄能器、弹簧式蓄能器和金属波纹蓄能器的具体安装位置都可参考该船使用的自制蓄能器shock absorber的具体安装位置。
综上所述：导致燃油进主机压力波动较大的主要原因并非仅仅是该船的供油单元；供油单元、主机和燃油供给系统管路原理这3个因素中的2个或3个共同作用（相互干涉）才是导致燃油进主机压力波动较大的主要原因。解决燃油进主机压力波动较大问题的一个较简单、实用的方案是：在燃油系统的适当位置设置合适的蓄能器。
通过对本文所述的方案进行分析和比较，既可选择综合性能较高、使用寿命较长、维护费用较低的金属波纹蓄能器作为第一优选对象，也可通过综合优化供油单元、主机、燃油供给系统管路原理，消减或消除燃油进主机压力的较大波动，这样可提高燃油供给系统的性能，延长其使用寿命，保证船舶的安全航行和运营。
【 参 考 文 献 】
[1] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
[2] 张跃文，达勇，邹永久，等. 船舶主机选型对EEDI的影响[J]. 世界海运，2015, 38 (11): 34-38.
[3] Wärtsilä. Wärtsilä RT-flex electronic-controlled common-rail engine[R]. Shanghai: Wärtsilä,2009.
[4] HHM. HHM-MAN B&W柴油机技术介绍[R]. 上海：沪东重机，2013.
Analysis and Solution for Large Pressure Fluctuation of the Fuel inletting Main Engine on a Ship
CHEN Yan-fei, CHEN Meng, XIAO Chao
(Shanghai Jiangnan-Changxing Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 201913, China)
Abstract:This study aims to solve the problem of large pressure fluctuation occurred when the fuel comes into the main engine in the sea trial of a ship. A solution has been proposed after a thorough analysis of the components, including the fuel supply unit, the main engine, the fuel piping system, kinds of energy accumulators and so on. It may provide useful information for shipyards, ship owners, classification societies and professionals.
Key words:main engine; fuel pressure fluctuation; fuel system
中图分类号：U664.12；U664.81+2
文献标志码：A
文章编号：2095-4069 (2018) 03-0039-06
DOI：10.14056/j.cnki.naoe.2018.03.007
收稿日期：2017-04-26
作者简介：陈燕飞，男，高级工程师，1979年生。2005年毕业于大连海洋大学热能与动力工程专业，现从事船舶轮机研发设计工作。