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船用发动机LNG燃料供给系统建模仿真研究

摘要

随着能源危机的加重和生态环境的恶化，国际海事组织对船舶气体的排放要求日益

严格，船舶航运不得不采取相应的措施来满足法规要求。使用LNG作为船舶动力能够

从源头上减少排放污染同时保证经济性，因此受到广泛关注。但是由于LNG以低温液

态形式储存，需要在供气系统中将其进行汽化加热，达到一定的温度和压力后才能送至

发动机进行燃烧，这与传统发动机的燃料供给系统存在较大差异。与在实际系统中研究

相比，对LNG供气系统进行建模仿真研究能够对设备进行虚拟调试，缩短研发周期，

降低测试验证成本，还可降低安全风险；另外基于模型可对所设计的系统开展评估以及

控制策略的研究，提出设备优化配置方案为后续系统的设计提供指导。因此，对船用发

动机LNG燃料供给系统开展建模仿真研究是十分有必要的。

本文以此为背景，针对6M33C450-15E220NG天然气发动机设计了一套符合发动机

需求的LNG燃料供给系统。根据各部分实现功能的差异，整个系统被分为多个不同的

模块。对存储模块、汽化模块、BOG模块和输送模块中的主要设备和功能部件，如储

罐、潜液泵、汽化器、管路等，进行了相关结构参数的理论设计计算，为设备的匹配选

型提供了依据，也为建模提供了数据支撑。

在获得了LNG供气系统结构参数后，根据工作原理，在AMESim软件中搭建LNG

供气系统的仿真模型，对重要节点处的温度、压力、流量等参数进行观测，分析LNG

的汽化过程，测试系统性能，保证各节点参数均在合理范围之内，并研究了换热介质特

性对汽化效果的影响。研究结果表明，所设计的LNG供气系统模型精度大于95%，能

够满足发动机的供气需求；在汽化器进口处换热介质水乙二醇的流量和温度都会影响汽

化器的汽化效果。因此应该对其流量和温度进行控制，使其保持适宜的值，这对改善汽

化效果，进而改善发动机性能具有重要意义。

然后，为了保证发动机正常运行、降低故障发生率，对LNG供气系统的评估体系

与方法开展研究，针对系统设计整个过程所涉及的相关环节进行了性能、可靠、安全、

经济、环保和设计冗余等方面的综合评估，验证LNG供气系统设计方案合理性。在此

基础上，提出设备优化配置方案，调整换热器、管路、相关阀门等设备和功能部件的参

数使供气流量、温度等满足要求，为之后LNG供气系统设计和优化提供理论基础，具

有工程应用价值。

最后，为了提高LNG供气系统精度和动态响应，对LNG供气系统的控制系统进行

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

设计。使用联合仿真的方法，先在简化模型的基础上，验证所设计LNG供气系统实时

性，以实时的方式运行被控对象模型即LNG供气系统模型，精确模拟真实被控对象。

再设计LNG供气系统的控制策略并仿真分析，结果表明使用PID控制能够有效减少供

气量的超调，提高系统响应速度。这为后续船舶辅助系统与动力装置一体化仿真分析和

优化、建立联合仿真平台提供有力支撑。

关键词：船用发动机；LNG供气系统；建模仿真；综合评估

船用发动机LNG燃料供给系统建模仿真研究

Abstract

Withtheincreasingenergycrisisandthedeteriorationoftheecologicalenvironment,the

InternationalMaritimeOrganization(IMO)hasimposedincreasinglystringentrequirements

ontheemissionofgasesfromships,forcingshippingtotakemeasurestomeettheregulations.

TheuseofLNGtopowershipshasreceivedalotofattentionasitcanreduceemissionsat

sourcewhileens