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掺烧二甲醚的天然气发动机供给系统设计与仿真优化

摘要

随着排放法规的日益严苛，在船舶发动机方面，天然气正逐步取代汽油、柴油等燃

料。对于双燃料发动机，其运行边界狭窄，对此有学者提出可以通过在天然气中掺烧二

甲醚来拓宽发动机运行边界，对于这种发动机，其燃料供给系统包括天然气供给系统与

二甲醚供给系统。其中天然气是以低温液态的形式进行存储，在供给过程中涉及气液转

换，供给过程复杂；二甲醚同样以液态形式存储，然而二甲醚容易汽化，在供给过程中

要避免二甲醚汽化，形成气阻。此外受外界环境影响，储罐中的液态天然气会蒸发产生

闪蒸气（BOG），会对储罐的安全性造成影响。在此背景下，本文以50DF双燃料发动机

为基础，将发动机引燃柴油替换为二甲醚，对发动机供给系统的设计、运行和BOG再

液化方案进行研究。主要工作如下：

本文基于发动机的燃料需求和燃料理化性质对天然气供给系统进行结构设计，并对

其中主要设备：储罐、潜液泵、换热器和BOG再液化装置进行选型设计。在此基础上，

建立BOG再液化参考方案模型，利用冷热复合曲线进行性能分析和结构优化，得到优

化方案Ⅰ并建立相应模型。接着，采用相同的方法，获得优化方案Ⅱ并建立其模型，并

对优化方案Ⅱ进行性能分析。分析结果表明，BOG露点温度和换热器最小换热温差导致

的冷量损失会限制BOG再液化方案的效率。最后，进行参数优化，并利用㶲损失模型

和尺寸评价模型进行分析，结果显示优化方案Ⅱ在比功耗和㶲损失方面均表现最佳，而

优化方案Ⅰ占地面积最小。

接下来，本文基于发动机需求以及燃料性质，进行天然气供给系统与二甲醚供给系

统的联合设计。同时，本文参考天然气供给系统的设计方法，对二甲醚供给系统进行总

体设计，并对系统中的主要设备进行选型设计。

最终，本文在燃料供给系统选型设计的基础上，引入控制方案，对供给系统的动态

性能展开研究。经研究发现，供给系统能够满足发动机在不同负荷工况下的燃料需求。

当发动机负荷在25%至100%之间变化时，系统出口天然气温度低于期望值40℃，出口

二甲醚压力则高于期望值700kPa。在发动机运行于100%负荷工况下，LNG温度和压力

分别在±15℃、±30kPa之间变化时，系统出口天然气温度、压力、质量流量最大波动范

围为±1.9℃、±20kPa、±9.3kg/h。当储罐中二甲醚温度、压力发生相同变化时，系统出口

二甲醚温度、压力、质量流量基本保持不变。当LNG中甲烷含量在±3%之间变化时，系

统出口天然气温度、压力、质量流量最大波动范围为±1.2℃、±5kPa、±5kg/h。

哈尔滨工程大学硕士学位论文

综上，本文从燃料供给系统选型设计、BOG再液化方案分析及优化和燃料供给系统

动态仿真三个方面展开研究，设计了针对天然气和二甲醚的燃料供给系统，分析评价了

三种BOG再液化方案，研究了发动机负荷、燃料温度压力和LNG组分变化对供给系统

的影响规律，对燃料供给系统的设计、运行和BOG再液化方案的选择提供了理论支撑。

关键词：天然气发动机；二甲醚；供给系统设计；BOG再液化；动态特性

掺烧二甲醚的天然气发动机供给系统设计与仿真优化

Abstract

Asemissionregulationsbecomeincreasinglystringent,naturalgasisgraduallyreplacing

gasoline,diesel,andotherfuelsinmarineengines.Fordual-fuelengines,theiroperating

boundariesarenarrow,andsomeresearchershaveproposedblendingdimethylether(DME)

withnat