摘 要

由在当前形势下，LNG双燃料动力船舶形成规模，LNG燃料在船舶行业的应用也具有较好的经济效益与广阔的市场前景。

本文针对高校LNG柴油双燃料发动机实验室，对发动机实验室用地面积、配备设备、供气系统、供油系统、控制系统、排放系统、减振降低技术应用、发动机供水及循环冷却系统等进行规划设计，可有效指导后继发动机实验室建设工作。

论文阐述了本试验室的设计目标及设计原则，并且介绍了试验室的设计概况，对试验室的设计组成和试验室的建设功能和技术要求也做了详细介绍。设计完成一个符合要求的双燃料发动机台架试验室建设方案，可以完全模拟LNG发动机在实际使用中的工作环境，为以后船舶及其他试验室应用双燃料发动机提供借鉴。

关键词：实验室设计；LNG；双燃料发

Abstract

Under the current situation, LNG dual-fuel power vessels have formed scale, and the application of LNG fuel in the shipbuilding industry also has good economic benefits and broad market prospects.

This paper is aimed at the laboratory of LNG diesel dual fuel engine in colleges and universities, planning the engine laboratory land area, equipment, gas supply system, fuel supply system, control system, emission system, vibration reduction technology application, engine water supply and circulating cooling system. The design can effectively guide the construction of the subsequent engine laboratory.

The paper expounds the design objectives and design principles of the laboratory, and introduces the design overview of the laboratory. The design composition of the laboratory and the construction functions and technical requirements of the laboratory are also introduced in detail. Designed to complete a dual fuel engine bench test room construction program, which can fully simulate the working environment of LNG engine in actual use, and provide reference for the application of dual fuel engines in ships and other laboratories.

Key words: Laboratory design; LNG; Dual fuel engine;

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 本文的主要研究工作 3

第2章 设计说明 4

2.1 设计原则 4

2.2 设计目的 4

2.2.1项目建设目的 4

2.2.2项目系统功能 4

2.2.3需满足规定操作及管培项目 4

第3章 实验室各设备原理及选型 6

3.1发动机与测功器的原理及选型 6

3.2台架底座的原理及选型 8

3.3 燃油系统的原理及选型 9

3.3.1系统简述 9

3.3.2燃油箱 10

3.3.3柴油过滤器与油耗仪 11

3.4滑油系统的原理及选型 11

3.5循环水系统的原理及选型 11

3.5.1系统简述 11

3.5.2 海水冷却系统设计 12

3.5.3散热塔 17

3.6压缩空气系统的原理及选型 18

3.7本章小结 18

第4章 天然气供给系统的原理及选型 19

4.1 天然气供给系统设计 19

4.2 LNG气瓶的选择 20

4.3 LNG供气管路设计 21

4.4 气化器的选型 22

4.5 天然气过滤器的选型 23

4.6 缓冲罐的选型 24

4.7 减压阀 24

4.8 天然气流量计 24

4.9 管道阻火器 25

4.10 燃气喷射阀 25

4.11混合器 25

4.12天然气管道紧急切断 26

4.13本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，随着我国节能减排的要求日趋严格，国家相关的能源产业政策有利于天然气综合利用项目的开展，天然气应用于动力装备特别是应用于船舶替代燃料的技术也随之快速发展和成熟。新形势下，内河与沿海新建（或改造）LNG燃料动力船舶已逐渐形成规模，LNG燃料在船舶行业的应用具有较好的经济效益和广阔的市场前景。

由于LNG燃料动力船舶发动机动力装置系统在结构布置、工作原理、船员操作与原柴油船舶发动机动力系统存在很大差异，按规定，船员在开始船上工作之前接受与LNG动力发动机动力系统相关的安全、操作和维护等方面的培训。本LNG燃料动力船舶发动机实训平台的建设与投入使用，可以依据相关规范对船员培训方面的要求，使船员在真实的环境下完成实际操作培训。

本项目按照经济、实用、布置合理建设原则，建设LNG燃料动力船舶发动机实训平台，满足LNG动力船舶培训和考试的需要。

实训平台建设应参考满足中华人民共和国海事局《天然气燃料动力船规范》对船员培训的相关要求，实训平台建成并投入使用，可以完成面向内河轮机员的天然气动力燃料发动机的相关操作及培训，所能实现的培训和服务涉及LNG燃料动力船舶发动机实训平台系统的基础培训和操作培训，具体包括天然气燃料供给系统的操作与管理培训、天然气燃料控制系统的操作与管理培训、天然气燃料安保系统的操作与管理培训。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

我国对于双燃料发动机的研究较国外稍晚一点，但经过坚持不懈的努力下，我国也取得了较大的进展。如淄柴于2013年推出了210系列中速双燃料发动机，安庆中船柴油机有限公司也正在进行6230中速机的研发。目前高速机方面，我国潍柴正在进行 6M26HPDI 船用高速双燃料发动机的研发，采用了高压缸内直喷进气方式和微量柴油引燃技术。由于受到新建成本高技术限制等因素的影响，LNG燃料动力船在我国以改造为主。我国绕LNG双燃料发动机正做着积极的研究尝试。中油济南柴油机厂(下文简称“济柴”)是国内第一家开展气化水运的发动机制造单位，同时也是国内第一家成功研发船用双燃料产品单位。2012年2月20日，济柴400 kW双燃料船机取得CCS认证，标志着国内首台双燃料船机的诞生。2010年4月16日，济柴1 200 kW天然气发动机取得CCS认证，标志着国内首台船用纯气机的诞生。目前，济柴已与国际AVL公司、曼恩公司分别展开合作，已相继开发了260，320缸径纯气机，单红功率分别为250 kW，400 kW，可根据用户需求分别配置6，7，8，9，12，14，16，18缸气体机，是国内第一家在双燃料领域改造的单位。2011 年11月20日，济柴成功改造鲁济宁货2535机动货船，迄今已独立完成9艘船舶的双燃料动力改造^[1]。

济柴混烧机中较多机型采用增压前总管单点喷射，该类机型与原柴油机相比，燃烧室结构、各气阀定时、喷油定时未做任何改动。燃气替代率一般≤80%。船舶实际应用时，较大负荷下，燃气替代率约为70%。其中，部分采用了海茵茨曼控制系统，常温燃气，燃气进机压力一般lt;4 kg/cm2 ，75%以上负荷时，燃气替代率约80%。除了混烧机外，济柴190系列中的12缸V型和16缸V型以及26/32系列和MAN 32/40系列都是纯气体机。

淄博柴油机厂于2008年开始了对船用双燃料发动机的研究，并积极与山东大学合作开展支管多点喷射和混烧机研究，所采用的燃气进气方式有增压前单点喷射和增压后多点喷射。增压前单点喷射是LNG储罐中的燃气经过气化、过滤和减压后从进气总管喷人，燃气进机压力为零压(或负压)，燃气温度控制在20℃之内，般5-15℃最好。温度较高，燃气量就少，会影响空燃比。船舶应用上，50%到75%负荷燃气替代效果较好，25%负荷以下时，建议全柴油运行。已经可以满足Tier II级排放标准。2014年，淄柴设计开发Z8170本质安全型多点喷射双增压双燃料发动机，2015年2月已完成了CCS认可型实验。

1.2.2 国外研究现状

曼恩公司的高压直喷式LNG双燃料发动机是目前世界上最为先进的发动机之一。2011年5月，曼恩公司在300多名嘉宾的见证下，在其研发中心举行了首台ME-GI二冲程燃气发动机的首发仪式，将自己对ME-GI系列机的研发推向了高潮。

瓦锡兰公司于20世纪80年代开始研究双燃料发动机，截至目前，瓦锡兰公司总共生产了1300多台DF发动机，现LNG双燃料发动机市场占有率达到80%。瓦锡兰2-S DF发动机与曼恩LNG双燃料发动机存在很多不同之处，在主燃油喷射器基础上每缸还单独设有点火油喷射器，点火采用了先进的“微点火”和“预燃室”技术。

1.3 本文的主要研究工作

本文主要为建设一个船用双燃料发动机实验室，本着经济、实用、精确、布置合理等方面原则，依照某高校厂房空间设计某型LNG柴油双燃料发动机的台架试验室，完成试验室建设，保证试验室能够满足LNG动力船舶培训和考试需要。主要工作如下：

（1）查阅并学习发动机试验室的设计及建设规范要求，研究学习船舶双燃料发动机的工作原理，以及其与普通柴油发动机的区别。

（2）完成双燃料试验室设计的总体方案报告，对各个系统做出设计要求及设计达成的目标。

（3）在现有试验室场地基础上绘制试验室平面布置图。

（4）根据实验室标准选择发动机型号，并根据发动机型号以及实验室标准计算确定气罐、管路选购的柴油机型号柴油机特性进行发动机及测功器系统、燃料供给系统，冷却水系统，压缩空气系统，测试控制系统，试验室辅助系统等原理设计，绘制原理图，写成设计书最后绘制各系统管系布置图。

第2章 设计说明

2.1 设计原则

1. 以保障实验室布局合理、实现实验室各项功能为设计准则。
2. 技术上要求可靠、安全，经济合理，满足双燃料发动机试验室设计的基本要求。
3. 严格执行国家、地方及行业制定的有关要求、规范和标准。

2.2 设计目的

2.2.1项目建设目的

本项目主要完成如下建设工作：发动机、测功器、高弹联轴器、燃油系统、LNG燃料系统、启动系统、海水系统等系统安装；

按验收大纲逐项验收，LNG燃料动力船舶发动机实训平台系统的各部分功能及系统整体性能，并通过系统的运行参数监测系统的稳定性和实时性。

完成系统联调；按验收大纲逐项测试，并通过验收。

2.2.2项目系统功能

本项目需实现LNG发动机操作与管理；LNG发动机性能测试与调整；LNG供气系统操作与管理等培训功能。本项目不仅可以满足内河船员天然气燃料船舶培训考试的需要，还能为同类院校提供示范和服务、开展科技开发和校企合作等。

本双燃料发动机试验室项目是一个工程，包括试验室结构设计、设备的选型、配置、加工、安装、调试；试验室控制和测量系统设计、安装调试。

2.2.3需满足规定操作及管培项目

本项目需满足《天然气燃料动力船规范》中对天然气燃料动力发动机的相关操作及培训相应规定和要求，具体要求和内容如下：

基础培训旨在为负责基本安全的船员提供对天然气燃料发动机相关系统的认知培训。根据《天然气燃料动力船规范》对操作和培训的要求，本LNG动力燃料发动机实训平台建设后其实现功能至少应能够涵盖、完成如下主要培训功能，且不仅限于此：

天然气燃料供给系统的操作与管理培训

a.天然气设备及管路系统检查培训

b.天然气燃料供给开启操作培训

c.天然气燃料气化过程的操作与管理培训

d.天然气燃料管路的操作与管理培训

e.天然气燃料管路紧急切断及放散的操作和管理培训

天然气燃料控制系统的操作与管理培训

a.电控系统组成认知培训

b.电控系统安全操作与管理培训

c.动车前电控系统设备及元件的检查培训

d.动车前电控系统面板信号的检测培训

天然气燃料安保系统的操作与管理培训

a.安保系统组成认知培训

b.控制柜显示屏操作与管理培训

c.控制柜按钮指示灯面板区域操作与管理培训

第3章 实验室各设备原理及选型

实验室的各项系统都担当着各自重要的作用，缺一不可，本章节着重针对燃油系统，循环水系统等做了相关原理介绍及设备的选型，和管路的计算。

3.1发动机与测功器的原理及选型

发动机选用WHM6170DFC296-1DF^[3];以下是相关参数表3-1

测功器作为一种负载，它的作用是测量动力机械各种特性的试验设备。水力测功器运行稳定，操作简便且维护方便，供水压力微小波动不至于影响制动力矩，故采用水力测功器。

根据我们的主机参数持续功率为218kw，标定转速为1000r/min，我们选择型号为Y880水力测功器。Y880水力测功器