Den Danske Maritime Fond Sikkerhedssystem til 2-takts gas-dieselmotorer PARTNER PROJEKTRAPPORT MAN Diesel & Turbo SE Dato: 31 marts 2011 Startdato: 28/09/2009 Projektets referencenummer: 2009-35 Page 1 of 7
1 Introduktion Totakts-dieselmotorer bruger i dag udelukkende olie, men kan sagtens bruge gas som det primære fremdrivningsmiddel. Dette vil have betydelige miljømæssige fordele i form af et lidt mindre CO2 udslip og væsentligt lavere SOx- og NOx udslip. Der er dog nogle vigtige tekniske udfordringer ved overgangen fra olie til gas, bl.a. at der stilles væsentligt større krav til en gasdieselmotors sikkerhedssystem end til den traditionelle dieselmotors. For at fremme brugen af gas til fremdrift af store handelsskibe støtter DDMF et udviklingsprojekt hos MAN Diesel af et avanceret sikkerhedssystem til fremtidens gasdieselmotorer som en del af et større gasprojekt. 2 Projektet udvikler blandt andet under dette projekt et system til drift af firmaets to-takts elektronisk styrede dieselmotorer på gas. Målet med projektet er at udvikle en kørende prototype baseret på MAN s 4 cylindrede testmotor så konceptet kan vises og fintunes til kommercialisering. Udfordringen er dels at gassen er luftformig og derved sværere at styre og dosere præcist, dels at man på grund af brandfaren skal have et omfattende sikkerhedssystem som kan slukke gas-delen hurtigt ned ved fejl, og endelig at man ud over gassen også skal bruge en pilotindsprøjtning af olie til at antænde gassen. Overgang til og fra kørsel på gas skal ske under drift og uden at motorens drift påvirkes, også i tilfælde af at gassen lukkes ned. s opgave i dette projekt er den motorrelaterede del, det vil sige indsprøjtningssystemet samt kontrol og sikkerhedssystemerne. Desuden har der været brug for en del testsystemer. Til brug for testkørsler er der leveret en gassupply plant fra DSME. 2.1 Kontrol- og sikkerhedssystemet. Et kombineret kontrol- og sikkerhedssystem er blevet udviklet til dette projekt. Det består af Multi Purpose Controllere (MPC) identisk med enhederne fra ME motorkontrolsystemet samt en ombygget version af PMI Data Acquisistion Unit (DASU i denne version) til måling af hurtige, analoge signaler. Funktionelt er enhederne delt mellem kontrol- og sikkerhedssystemet som det ses nedenfor. Side 2 af 7
MPC ere (4 + 1 per 6 cylindre) benytter MAN s egenudviklede basissystem BES til et distribueret realtidsnetværk med styring af parametre, alarmer, brugerflade etc. Denne kendte platform har gjort det lettere at implementere anlægsstyringen og kontrolalgoritmerne. Principperne for styringen fra videreudviklet fra et tidligere gasmotorprojekt. Til måling og test af de hurtige analoge signaler (cylinger, gas og olietryk under drift) i sikkerhedssystemet er der benyttet en FPGA- og softcarebaseret DASU, som benytter nye teknologier til at gøre softwaren mere platformuafhængig. Denne er desuden udstyret med et CPU-kort fra MPC erne og har således kunne kunne køre det samme basissystem BES som de øvrige enheder og derved kunne udveksle data og parametre direkte med dem. Til gengæld har der været en del integratonsarbejde for at dette CPU-kort har kunnet kommunikere med DASUens FPGA med tilhørende softcore processor. Denne repræsenterer meget mere regnekraft end de ældre CPU kort og har således kunne foretage de hurtige check af systemet under drift for at kunne lukke ned så hurtigt som muligt i tilfælde af fejl. Dette system har også krævet redesign af FPGAen. Til styring af vinduesventilen er der desuden blevet udviklet et extenderboard til DASUen så den havde udgange nok. Systemet omfatter en DASU per 4 cylindre (Gas Cylinder Safety Unit, GCSU). MPC ere og DASU er til både kontrol og sikkerhedssystemet er bundet sammen af MANs kontrolnetværk, men separat fra det almindelige ME kontrolsystem. De to systemer kommunikerer via en enkel snitflade så man kan benytte et stort set uændret ME system. Endelig styres og monitoreres systemet fra en PC med en dedikeret version af MAN s operatørinterface, MOP. Hovedpanelet kan ses nedenfor hvor det komplicerede system kan styres med meget få kontroller. Side 3 af 7
2.2 Testvæg Til test af kontrol- og sikkerhedssystemet er det lavet en testvæg, hvor LabView-moduler kan simulere alle de eksterne signaler til systemet samt monitorere signalerne fra systemet. Samtidigt er der lavet et udvidelsesmodul til brugerfladen, så al kommunikation, opsætning og kontrol er blevet gjort tilgængeligt for testkontrolsystemet SeqZap, der ligeledes kontrollerer LabView-modulerne. Dette har muliggjort en fuldautomatisk systemtest af det komplette kontrol- og sikkerhedssystem på de rigtige enheder inden det kommer i drift på motoren. Da det er nemt at genskabe specifikke situationer og tilstande er det også en stor hjælp under fejlfinding og alt i alt sikrer det væsentligt kortere Side 4 af 7
indkøringstid på motoren. 2.3 Gasindsprøjtningsystemet Til gasindsprøjtningen er der udviklet nye separate dysser, der indsættes i cylinderhovedet ved siden af olieindsprøjtningsdysserne. Et centralt element i sikkerhedssystemet er en vinduesventil styret af sikkerhedssystemet i serie med indsprøjtningsventilen, der sikrer at der ikke kan sprøjtes gas ind i utide ved en fejl på indsprøjtningssystemet. Denne er placeret i en gas kontrol blok på hver cylinder som det ses nedenfor. Denne blok integrerer også kontrololie, kontrolventiler og sealing-oil systemet. Integreret på den firecylinderede testmotor er gasrørene markeret med orange. Side 5 af 7
Det komplette system er skitseret nedenfor, hvor også udluftningssystemet er vist. Når man lukker ned for gas bliver alle rør skyllet igennem med inert gas (purged) for at sikre at der ikke er gasrester, der kan sive ud og blive antændt. Til test er der opbygget en teststand med en komplet gas kontrol blok med vinduesventilen på et testcylinderhoved. Hermed kan kørsel med den testes med trykluft i stedet for gas. Det høje tryk kombineret med de hurtige reaktionstider stiller store krav til designet. Side 6 af 7
Til brug for testkørslerne er der blevet opbygget et større gas supply system, der kan levere gas med det rette tryk og temperatur i mængder nok til at køre motoren i længere tid. I praksis skal et lignende anlæg placeres på skibet. Dette er ikke en del af MAN s leverance, men det designes og leveres i samarbejde med MAN af DSME. 3 Status per 31/3 2011: Al funktionalitet i kontrol og sikkerhedssystemet er nu implementeret og har passeret systemtest på testvæggen. Testmotoren er nu bygget om til dual-fuel brug og hele gassystemet er ved at gennemgå de sidste test uden gas. Herefter vil de første kørsler med motoren på gas være i starten af april 2011. Side 7 af 7