学习知识之甲醇双燃料主机 The Methanol-fuelled MAN B&W LGIM Eng...
2012年，MAN Diesel&Turbo决定通过研究低闪点燃料来扩大其双燃料发动机组合，并因此推出了ME-LGI发动机系列(LGI=Liquid Gas Injection)。MAN B&W ME-LGI发动机是一种双燃料解决方案，用于以液体形式喷射到发动机中的低闪点液体燃料。
图1显示了甲醇燃烧型ME-LGI发动机（ME-LGIM发动机）的发展里程碑。
自2012年以来，船东订购了26台主机用于新的甲醇运输船。此外，甲醇的运行时间为88000小时，为船东和运营商带来了很好的效果。
像所有MAN B&W GI和LGI发动机一样，LGIM（LGIM=Liquid Gas Injection Methanol）发动机基于柴油燃烧原理。利用柴油原理确保燃烧甲醇发动机具有与ME-C燃烧燃油发动机相同的功率输出和效率。此外，无论是甲醇模式（双燃料模式）还是柴油（仅燃油模式）运行模式，都能获益。发动机功率输出不受环境条件的影响，并且对甲醇的质量仅略微敏感，目前甲醇的质量以IMPCA（国际甲醇生产商和消费者协会）为基准。
开发过程中出现的问题都得到了解决，新的Mk.II版本已经开发出来，并对部件设计进行了优化。为了符合国际海事组织（IMO）的Tier III法规，已经引入了一个简单的甲醇和水混合系统，以降低NOx水平，符合Tier III法规。而用于混合系统的水可以在船上生产。
通过安装混合系统，可以不使用选择性催化还原（SCR）系统和废气再循环（EGR）系统，从而显著节约成本。最新的ME-LGIM发动机订单包括甲醇和水混合系统。
目前，LGIM发动机的订单是针对甲醇运输船的，但市场对在非甲醇运输船上安装LGIM发动机越来越感兴趣，尤其是针对商业油轮贸易。许多运营商认为甲醇是未来的碳中性燃料之一。甲醇易于处理，它作为液体储存并喷射到发动机中，就像传统的船用燃料一样容易。而使用甲醇作为燃料，仅需要一个简单且具有成本效益的燃料气体供应系统（FGSS）。
至于其他类型的MAN B&W双燃料发动机，即GI/GIE发动机采用液态天然气（LNG）或乙烷（Ethane），LGI发动机采用液化石油气（LPG）等，甲醇有可能成为已经投入使用的ME-C发动机的改装方案。所有的ME-C发动机都是作为所谓的 "dual-fuel ready 双燃料就绪 "发动机交付的。因此，在新的项目中，发动机是为以后转换为双燃料而准备的，与船舶用途无关（油轮、散货、集装箱等）。
使用ME-LGIM发动机的船东是重要的海运公司，如三井、O.S.K.Lines、Marinvest和Westfal-Larsen。最近，Proman集团和Stena Bulk也选择了ME-LGIM技术。
与ME‐GI发动机相反，MAN B&W ME‐LGI发动机以气态燃料运行，是低闪点液体燃料的双燃料解决方案。根据低闪点燃料（LFF）类型的选择，ME-LGI发动机有多种版本。由于燃油特性的不同，ME-LGI喷射系统部件和辅助系统将不同于ME-GI发动机的部件和辅助系统。尽管存在这些差异，ME-LGI发动机的工作原理和安全概念与ME-GI概念相似。
ME-LGI发动机的燃料按60℃时的蒸汽压分类。蒸汽压（和相关沸点）是描述液态和气态之间转变的基本物理性质。沸点已包含在表1第一列（储能型）中，例如，对于液化石油气，要保持液态，必须将其冷却至-42.4℃以下。如果温度升高到沸点以上，则需要施加额外的压力，以保持液化石油气为液态。保持液体和蒸汽状态之间平衡状态所需的压力是给定温度下的蒸汽压力。
为了进行比较，表1显示了甲醇、液化石油气、氨和氢的特性。甲醇的特点是十六烷值低，自燃质量低，需要少量引燃燃料（95%甲醇和5%柴油引燃燃料）。
截至2020年11月，甲醇已获得批准，并将纳入《使用天然气或其他低闪点燃料的船舶国际安全规范》（IGF规范）。
船舶运营商对使用甲醇很感兴趣，因为它不含硫，在环境空气条件下是液态的。这使得它很容易储存在船上，类似于蒸馏燃料。
对于在IMO排放控制区（ECA）运行的船舶，甲醇是一种可行的解决方案，可满足低硫要求，并通过使用MAN-ES注水系统，满足非常低的Tier III NOX要求。当使用甲醇运行二冲程ME-LGIM发动机时，由于工作压力较低，且甲醇保持液态，因此SOx、NOx和颗粒物排放减少量与使用LNG获得的减少量相似。然而，安装成本只是液化天然气成本的一小部分。
此外，甲醇可以从生物质、城市固体废物（MSW）或其他生物物质中生产，也可以通过电解和碳捕获、利用和储存（CCUS）技术生产，从而允许利用水泥、钢铁甚至发电厂等其他“较难脱碳”的行业的废弃的二氧化碳。
生产甲醇有几种方法，最终产品通常被称为黑色、灰色、绿色或蓝色甲醇。无论生产途径如何，甲醇都是一种透明液体，是一种易于生物降解的有机水溶性化学物质。
–黑色（或棕色）甲醇生产以煤炭为基础，主要集中在中国。
–灰色甲醇主要由天然气生产，方法是用蒸汽重整天然气，转化和蒸馏合成的混合气体，从而得到纯甲醇。
-棕色和灰色甲醇被认为是高碳强度的，它们是在没有碳捕获（CC）或使用可再生能源输入时从煤或天然气中生产出来的。
–蓝色甲醇是从废水或其他生产过程的副产品中产生的，所生产的甲醇被认为是可再生的。
–绿色甲醇可以通过不同方式生产，所有这些方式都是二氧化碳中性的：
a.由生物质或生产废料的可生物降解部分（例如木材）生产的甲醇。
b.由太阳能电池板或风能等可再生能源生产的甲醇，电力储存在甲醇的化学键中，然后转化为能量,这种方法称为绿色甲醇合成。
当由化石燃料与可再生能源的使用、碳捕获或这些的组合产生时，蓝色和绿色甲醇被认为具有较低的碳强度。
由于甲醇可分为可再生或不可再生，因此定义了可再生甲醇的资格：用于生产甲醇的所有原料都必须是可再生来源（生物质、太阳能、风能、水力、地热等）。
如果使用甲醇的兴趣增加，许多船只可以用作燃料船，而传统甲醇已经在全球 115 多个顶级港口供应。可以通过 DNV GL 的 AFI 门户 找到确切位置。
甲醇作为船用燃料的指数市场价格尚未完全确定。不过，Methanex（全球最大的甲醇生产商和分销商）表示，在过去五年中，MGO 的价格与 MGO 的能源当量价格密切相关。这取决于甲醇的数量、销售地点以及与上面图中世界上任何主要甲醇存储中心的距离。
随着甲醇作为一种可持续的船用燃料的适用性，对它的讨论和兴趣正在增加，许多船东和船级社现在相信它将在未来的燃料市场中占有相当大的份额。最初，将采用传统甲醇，并加入更多的蓝色或绿色甲醇，进一步减少其二氧化碳排放。预计到2040年后，蓝色和绿色甲醇的产量将最终超过灰色甲醇。
甲醇研究所代表着世界领先的甲醇生产商、分销商和技术公司，作为全球甲醇行业的贸易协会，促进甲醇在众多应用中的使用。图3中甲醇研究所的说明说明了甲醇的一些生产途径和海洋应用甲醇的优势。
甲醇作为一种无硫燃料，完全符合国际海事组织2020年低硫法规。低硫不是采用甲醇的唯一有利原因，因为在燃烧过程中二氧化碳的形成更低(比HFO低7%)也是有利的。此外，由于甲醇分子不含碳对碳键，所以燃烧时不会产生颗粒物或煤烟。
根据国际海事组织2030年和2050年的二氧化碳和温室气体(GHG)目标，预计替代燃料的数量将在过渡时期(最初到2030年，随后到2050年)增加，以实现更低的碳足迹。对于lgim发动机来说，甲醇作为一种滴入式燃料很容易实现，方法是将越来越多的绿色或蓝色甲醇与灰色甲醇(以天然气为原料和蒸汽甲烷重整技术的传统甲醇)混合，直到最终低碳甲醇成为主要燃料。这是一种净碳中性的解决方案，可与绿色或蓝色甲醇产量的增加共同发展，并逐步帮助行业实现国际海事组织的二氧化碳和温室气体排放目标。
这为ME-LGIM发动机提供了燃料灵活性，并结合燃烧绿色甲醇的能力，当可用时，该发动机对其他类型的甲醇船比已有甲醇船更有优势。由于甲醇
很容易加燃料，这与柴油的方法非常相似。
低碳燃料降低了能效设计指标。其他情况增加了对甲醇等新型燃料的兴趣。早在2013年，IMO就决定采用能源效率设计指数(EEDI)作为2013年1月以后建造的船舶二氧化碳排放限制的强制性工具。这比预期更快地影响引擎市场和技术解决方案。
为了降低EEDI，替代低碳燃料，如天然气(LNG)、液化石油气(LPG)和甲醇是未来燃料的重要候选燃料。从本质上讲，液化天然气、液化石油气和甲醇在燃烧过程中产生的二氧化碳比燃料油少。此外，甲醇是有趣的，因为生物甲醇和e-甲醇可以从大量的生物质和可再生能源原料，并与从化石燃料制成的甲醇混合。
2020年10月，国际海事组织闭会期间的温室气体工作组采取了短期措施，以解决[5-8]:
-技术(即设计):现有船舶的能源效益(EEXI)
-EEDI应用于现有船舶 -可操作增强船舶能源效率管理计划(SEEMP)与强制性碳强度指标(CII)评级方案(A-E)如上图所示，
-综合为一套措施;其结果是一个微妙平衡的政治妥协
-根据2020年11月第75届MEPC批准:预计于2023年1月1日生效。
此外，海事组织将以目标为基础的方式执行EEXI技术措施，以确保这些因素不会错过其目标。在这方面，将同时采用EEXI计算的要求和具体指导原则，见图:
要求:
1. 在2023年1月1日之后的首次年度检验中，所有货物和游轮的尺寸超过阈值(与EEDI相同的船型和尺寸):达到EEXI即低于要求的EEXI
2. 所需的EEXI相当于2022年初的EEDI要求(阶段2/阶段3)-有一些调整
EEXI计算
-现有船只使用与EEDI相同的方法来确定EEXI，还有更多的选择来确定速度
-目标导向:操作员决定如何实现目标(发动机功率限制，燃料更换，节能设备，改装和/或任何其他选项)
-发动机功率限制可以被超越:允许在紧急情况下额外的功率
自从在哥本哈根和许可方三井进行了第一次发动机测试以来，船只已经开始运行，LGIM发动机设计的进一步开发也已经完成。此外，根据经常使用的发展进程，在哥本哈根研究中心进行了一些概念核查测试。
ME-LGIM发动机继承了标准MAN B&W二冲程柴油发动机的知名方面和特点，如ME-GI双燃料发动机。LGI和GI概念发动机是在传统的电子控制ME-C发动机的基础上，集成了双燃料喷射作为附加部件。标准MAN B&W二冲程柴油发动机的有益特性已被传递，包括选项:优化发动机布局以适应高负荷或部分负荷运行，降额制发动机和将发动机与余热回收系统(WHRS)相结合。
ME-LGIM概念的功能包括:
-单元喷油器，所谓的LGI燃料助推器喷油阀，用于将甲醇(FBIV-M)喷射到燃烧室的上止点(上止点)周围；
-控制LGI燃料增压阀操作的液压控制系统；
-密封安装在发动机上的供油单元，确保甲醇喷射系统运动部件无甲醇泄漏；
-将甲醇分配到各个钢瓶的双壁管道；
-排放和吹扫系统，快速可靠地从发动机中去除甲醇；
-除了发动机控制系统(ECS)，一个安全系统监控甲醇喷射和燃烧，并确保发动机在警报情况下恢复柴油运行；
-燃油气门机构(FVT)在燃油供应系统和发动机之间提供阻塞和排气功能；
-全自动化甲醇供应系统，嵌入式吹扫系统。
上图中甲醇燃料供应管道的设计是基于双屏障的概念。这意味着第二层封装了机舱内所有的甲醇管道。这种外部管道与外部大气通风，以消除甲醇泄漏的风险，例如，引擎室，并允许碳氢化合物(HC)传感器检测从内部管道泄漏。
与标准的ME发动机相比，LGI发动机的柴油燃料系统没有明显的改变。正如ME-GI的情况，ME-LGI燃料系统可以改变燃料模式，燃烧柴油或vlfo从一个冲程到另一个没有任何速度或负载的限制。
由于LGI功能是电子控制ME发动机的附加功能，因此可以将现有的柴油发动机转换为双燃料发动机，能够同时使用柴油、超低硫油（ VLSFO） 和甲醇。
上图为ME-LGIM气缸盖，气缸盖上有喷甲醇组件(FBIV-M、燃料和液压控制块)，以及通过气缸盖的FBIV-M供给物。图7为ME-LGIM发动机的甲醇增压喷射阀。
FBIV被设计为批量喷油器，结合了液压驱动柱塞泵和弹簧支撑的喷射针阀，在给定的燃油压力下开启。FBIV的泵功能使用液压将甲醇压力提高到所需的大约600bar的注入压力。一个吸入阀(止回阀)确保泵腔在每次冲程后充满。甲醇供应压力在8-10bar内。柴油燃料系统的一个小的先导喷射点燃了甲醇。在本文提出的试验中，燃油喷射阀从LGI FBIV顺时针位置，以优化甲醇燃料喷射的点火。
ME-LGIM系统包含几个内部安全功能。FBIV的固定泵腔容积设计限制了每次冲程中可以进入气缸的燃料量，从而消除了注入过多燃料的风险。
FBIV的液压油和甲醇可能混合的部分是经过专门设计的，在临界点添加密封油，以最大限度地降低这种风险。排出的用过的密封油再循环到安装在发动机上的密封油单元中的一个单独的油箱中，以安全的方式处理潜在的甲醇污染。
发动机使用的是温度条件下的甲醇，供应压力固定，流量取决于发动机负载。甲醇低闪点燃料供应系统(LFSS)必须在满足温度、流量、压力和性能要求的前提下向发动机提供燃料。
甲醇供应系统（LFSS）LFSS是按照与普通燃油供应系统相同的概念设计的。燃料从包含液体燃料的服务储罐中提取，通过低压(LP)和高压(HP)泵增压至供应压力，最终从HP泵输出约10bar的压力。输送压力必须确保燃料保持液态，并且燃料在FBIV注入前暴露的温度下不会产生气化。为了确保正确的燃料输送温度，在循环回路中放置加热器/冷却器。建议将其连接到二次冷却回路和低温(LT)冷却系统。
注水装置的目的是提供必要流量的加压水与甲醇混合，以减少NOX，从而达到Tier III排放标准。它主要由泵、过滤器和压力变送器组成。它通过FVT输送水与甲醇混合，因此水的混合由ECS控制。注水装置被设计成放置在气体安全区域，例如发动机室。
甲醇燃料供应柜
甲醇储存在一个无压罐中，通常用于甲板上的甲醇运输船。甲醇燃料服务箱分为两个隔间，一个排放/净化隔间和一个供应隔间，通过溢出舱壁连接。
喷油器的伴行
燃料气门机构通过主燃料气门(MFV)连接LFSS和发动机，主燃料气门(MFV)设置为双块和排气结构。出于清洗目的，气门机构还连接到一个氮气源，由一个双阻塞和排气结构隔开。
此外，为了达到III级NOX降低水平，还将水接头连接到阀系上，通过双阻塞和排放结构进行分隔。
气门机构将放置在危险区域，以避免双重安全屏障的需要，例如与LFSS一起放置在通风的房间中。从气门机构，燃料是馈给发动机在一个双壁和通风管道通过机房。
清洗恢复系统
如前所述，LGI概念涉及发动机上的甲醇燃料。因为低闪点，有许多操作场景，燃料管道必须清空和惰化。对于ME‐LGI，在发动机上和机舱内的燃油管道被布置好，以便液体燃料能够对其进行吹扫，从而将其返回到燃料供应槽。甲醇燃料回流至服务罐后，对双壁管道系统进行全吹扫惰化。
关闭液化气系统
在完全关闭液化气系统时，所有管道中的甲醇燃料都被清空，LFSS和通风被关闭。
此外，整个ME-LGI甲醇燃料系统，包括FVT，在启动过程中使用氮气进行压力测试。当双燃料操作结束时，用氮气加压流将燃料管中的甲醇清洗干净。
2015年春天，LGI子系统的首次功能测试和初始性能测试在日本三井公司的多玛诺造船厂进行了4S50ME-T9测试发动机。这些测试证实，截至2020年10月销售的26台ME-LGIM发动机采用了LGIM设计。
该显示了ME-LGIM发动机在船上的安装。
喷射系统设计
最初,选择喷雾喷嘴孔的方向LGI甲醇注入器类似于标准的柴油机喷油器,LGI喷射器的尺寸和布局,注入甲醇在MCR时间大致类似于标准的柴油布局。
由表1可知，甲醇的低热值LCV低至19.9 MJ/kg，约为柴油ISO标准值42.7MJ/kg的一半。此外，甲醇喷射泵的额定喷射压力约为600 bar，略低于标准燃料油(MGO/HFO)喷射系统。因此，如果初始目标是相同的甲醇和柴油的喷射时间，LGI喷油器的总喷嘴孔面积必须是标准柴油喷油器的两倍以上。然而，小型燃烧室试验结果表明，这种简单的结垢会导致喷油器过大，在初始试验中，甲醇喷油器的有效喷嘴流动面积被选择为柴油喷油器的两倍左右。
汽缸压力测量
本节的性能图来自于最新投入使用的ME-LGIM发动机。
比较了两种情况:黑色为柴油燃烧，红色为甲醇(LGIM)燃烧。注意，甲醇燃烧还包括一个小柴油试点油量。两种模式的气缸压力轨迹是相似的，但有一些故意的差异。甲醇喷射开始得更早，达到的最大压力略高，而热释放也略长，因为喷射持续时间更长。这种组合导致较低的甲醇消耗，这是通过积极优化甲醇模式实现的。
甲醇循环后期放热速率下降较快，说明甲醇燃烧结束较早。理论上，这也使甲醇相对于柴油的热力学效率更好。甲醇燃烧结束较早的第一个原因是甲醇的注入质量较大，混合速率较高。第二个原因是甲醇中本质上的高氧含量，大大增加了火焰中的煤烟氧化化学，导致在后期火焰中燃烧速度更快。
上图显示了发动机排放物中的原始NOX浓度对应发动机功率，柴油和甲醇的相对燃油消耗率（SFOC）。
一般来说，如果使用相同的运行参数，从柴油改为甲醇燃烧时，NOX排放量减少约30%。这是甲醇火焰本质上较冷的结果。因此，在保持NOX排放符合IMO二级法规的同时，甲醇工艺的SFOC优化还有很大的空间。
甲醇（a）的NOX排放量已尽可能增加，仍低于柴油基准，以减少甲醇消耗。就能源而言，甲醇（b）的SFOC现在低于柴油参考值。
先导油消耗
在柴油模式下，先导油量高达MCR燃油消耗量的5%。确保喷射甲醇点火所需的先导油量非常少。然而，设计一个强大的喷射系统是一项技术挑战，该系统足够大、足够强大，能够在燃油上实现高效、高负荷运行，同时又足够小、足够快，能够在LGI运行中喷射微量先导油。事实上，甲醇双燃料船产生的唯一颗粒物排放来自引燃燃料。
设定先导油量下限的不是甲醇安全点火的要求，而是燃油喷射系统能够可靠喷射的最低燃油量。在这种情况下，应注意的是，由于机油燃烧发生在上止点（TDC）附近，因此先导油喷射不是浪费能量，因此对发动机功率输出具有最大的热力学效率。
总的来说，发动机在测试期间表现出非常好的性能，没有主要部件故障。无论燃料、柴油或甲醇如何，发动机均以相同的额定值和性能布局运行，从而证明了LGI发动机设计的稳健性。
试验表明，甲醇是一种良好的内燃机燃料，在相同的热力学工作点下运行时，与柴油相比，其NOX排放量降低约30%，SFOC略好。综上所述，甲醇作为燃料很容易达到NOX和SFOC目标。
从技术上讲，先导油可以是任何可再生的碳氢化合物燃料，例如生物燃料或Power2X柴油，从而使发动机运行二氧化碳中性。
所描述的服务体验基于近90000个运行小时。第一代ME-LGIM发动机，命名为Mk.1.1，已安装在七艘船舶上，累计运行时间超过80000小时。ME-LGIM Mk.1.2发动机已安装在四艘船舶上，累计运行时间超过8000小时。
Mk.1.1发动机
对于装有Mk.1.1发动机的船舶，观察到的主要问题是，如果发动机在HFO上运行3至4天，FBIV-M切断轴会粘在阀门内。这是由喷嘴中的腐蚀以及废气进入造成的。然而，随着不锈钢喷嘴的引入，这种喷嘴不太容易出现卡滞现象，一些容器已经在HFO上运行了几个星期，没有出现问题。不锈钢喷嘴现在是所有甲醇动力发动机的标准配置。
在甲醇上运行数千小时后，在FBIV-M内吸入阀的密封位置观察到气穴迹象，见图12a。为了避免将来出现问题，在吸入阀和FBIV-M壳体（先前重叠的表面）之间引入了软铁密封圈，见图12b。
Mk.1.2发动机
在Mk.1.2发动机上，重新考虑了发动机上的外部甲醇供应管以及FBIV-M的内部复杂性。通过简化FBIV-M的设计，可以减少外部管道的数量并简化密封油系统，从而再次降低密封油的消耗。
在这些发动机上，甲醇供应管放置在气缸盖内，以便于维护，见图6。图13所示的LGI控制块和气缸盖之间的柔性连接容易受到相对运动的影响，从而导致连接上的密封件磨损。我们的解决方案是拧紧间隙，并将u形杯密封改为O形密封圈。
气缸润滑油和燃烧室状况
气缸润滑油的BN值和供给速率取决于燃油中的含硫量。在甲醇上运行时，正常运行期间，气缸供油率必须至少为0.6 g/kWh。在最新的气缸油指南中，我们建议使用低BN气缸油，但对于所有发动机，必须进行刮削分析，以获得压缩室的最佳性能。
目前市场上出售的BN40气缸油的去污性经常受到挑战。为确保活塞环自由移动，气缸油必须能够保持活塞环组清洁并防止沉积物积聚。
因此，我们区分I类和II类气缸油，其中II类用于最新的高性能发动机，可参考服务信函SL2020-694/JUSV。
LGIM发动机的柴油引燃喷射确保了即使点火非常差的燃油也能稳定点火和燃烧。通过研究，MAN Energy Solutions现已证明，先导喷射原理具有进一步的优势，因为它能够燃烧水和甲醇混合物。
LGIM-W发动机的工作原理是，向甲醇中添加水可降低燃烧温度，从而降低NOX的形成。如图15所示，通过向燃料中加水来遵守Tier III NOX排放水平的经济效益是不再需要EGR或SCR系统。
试验已经证实，通过使用混合了约25-40%水和5%先导油（柴油）的甲醇运行，可以充分减少NOX排放，达到三级排放水平，见下图。
根据开发和进一步优化的概念运行的LGIM-W发动机已通过Tier III符合性测试，MAN Energy Solutions已获得LGIM-W发动机的NOX认证。
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