12000m3多用途液化氣船電氣設(shè)計

曹征宇，趙涵丞

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著液化氣運輸需求的日益增加，液化氣船的建造需求亦掀起了一股浪潮。本文介紹的12000m3多用途液化氣船，可裝載液化石油氣（LPG，–48℃）、液化乙烯（LEG，–104℃）、液化天然氣（LNG，–163℃），在貨物區(qū)安裝2個獨立的C型罐，甲板上有3個液貨罐，其中2個作為LNG燃料罐。運輸過程中，對于LPG，LEG 的揮發(fā)氣體，可通過再液化裝置送回艙內(nèi)。LNG的揮發(fā)氣體，可作為主機(jī)的燃料加以利用，多余的LNG揮發(fā)氣體，可通過氣體燃燒裝置（GCU）燒掉。

推進(jìn)系統(tǒng)為四沖程雙燃料主機(jī)連接可調(diào)槳，并通過減速齒輪箱連接軸帶發(fā)電機(jī)（PTO）。當(dāng)主機(jī)故障時，軸帶發(fā)電機(jī)可作為電動機(jī)（PTH），帶動螺旋槳作應(yīng)急推進(jìn)系統(tǒng)。

1 主要設(shè)備負(fù)荷分析及計算

1.1 液貨系統(tǒng)

液化氣船的液貨系統(tǒng)比較特殊，只有了解其功能和使用工況，才能準(zhǔn)確地進(jìn)行電力負(fù)荷計算。液貨系統(tǒng)的功能按液貨的裝卸過程為：

1) 干燥：清除液貨艙管路等的濕氣，防止空氣中水蒸氣在低溫下凝結(jié)成固態(tài)冰而對液貨泵、閥門產(chǎn)生破壞作用。方法是利用制氮裝置產(chǎn)生干燥空氣進(jìn)行吹氣；

2) 惰化：降低貨物系統(tǒng)中的含氧量至安全程度，防止在裝貨過程中形成可燃?xì)怏w；

3) 驅(qū)氣：用待裝的貨物蒸氣把液貨艙中的惰氣排出去。如果甲板上設(shè)有裝載相同貨物的備用貯罐，驅(qū)氣可在開往裝貨港途中進(jìn)行，這樣可縮短裝貨準(zhǔn)備時間；

4) 預(yù)冷：在裝貨前降低液貨艙溫度以便盡量減少貨艙和管系的熱應(yīng)力和貨物過度蒸發(fā)，方法是利用液貨汽化吸收熱量來冷卻液貨艙；

5) 裝貨：包括貨物的再液化，貨物裝載極限的控制，船體應(yīng)力的調(diào)整等；

6) 裝貨航行：進(jìn)行貨物溫度和壓力的控制；

7) 卸貨：把貨艙內(nèi)冷凍貨物通過貨艙內(nèi)的深井泵卸到岸上的低溫壓力貯罐，也可以通過甲板上的貨物加熱器和增壓泵串聯(lián)卸貨到岸上常溫壓力貯罐；

8) 換裝貨品：根據(jù)兩種貨物的相容性，可以直接裝載或執(zhí)行換貨程序（包括清除液貨艙內(nèi)部殘液、除氣、惰化和再驅(qū)氣等）；

9) 液貨艙檢修前的準(zhǔn)備：包括清除液貨艙殘液、復(fù)溫、用惰性氣體置換可燃貨物氣體，隨后用空氣置換惰性氣體等操作。

液貨船載貨航行時必須控制貨物的狀態(tài)，由于貨艙的絕緣不足以阻止外部熱量傳遞到低溫貨物，因此，貨艙內(nèi)溫度上升，有少量液貨會汽化，使貨艙的壓力升高，當(dāng)壓力超過一定值時安全閥起跳產(chǎn)生可燃?xì)怏w泄漏危險，該船配備了LPG/LEG 再液化裝置，將揮發(fā)的氣體經(jīng)貨物壓縮機(jī)壓縮成高壓熱蒸汽，再經(jīng)過冷凝器降溫冷凝成暖液體，最后經(jīng)膨脹閥降壓后返回液貨艙，變成低溫低壓的液體。由于 LNG保存的溫度低到-163℃，如采用LNG制冷機(jī)組將非常昂貴，不經(jīng)濟(jì)，因此該船采用雙燃料主機(jī)，將LNG的揮發(fā)氣體代替燃油作為主機(jī)的燃料，同時配有GCU單元，也能夠?qū)⒍嘤嗟腖NG的揮發(fā)氣體直接燒掉。

卸貨利用船上的深井泵，通常在排出閥關(guān)閉或者部分開啟的情況下啟動深井泵，以減少啟動負(fù)荷和壓力沖擊；卸載貨物過程中，監(jiān)視液貨艙中的液位，并且根據(jù)船舶穩(wěn)性和受力，控制卸貨/壓載操作；整個過程，監(jiān)視貨艙卸去液貨后壁間的壓力改變；在卸載過程中，應(yīng)引起注意的問題是：為了維持船舶的平衡與吃水，也為了避免結(jié)構(gòu)上的額外應(yīng)力，在卸載同時必須注入壓載水。

裝貨時岸泵會將液貨注入液貨艙內(nèi)，期間產(chǎn)生的揮發(fā)氣體可以直接送回岸上，或由船上貨物壓縮機(jī)繼續(xù)再液化處理（LEG/LPG）送回艙內(nèi)。

液貨系統(tǒng)主要用電設(shè)備如表1所示。

1.2 電力負(fù)荷狀況

常規(guī)船舶電力負(fù)荷計算分為航行、進(jìn)出港、裝卸貨、停泊、應(yīng)急幾種工況[1]。根據(jù)上述液貨系統(tǒng)功能，及不同載貨品種，該船將航行工況細(xì)分為空載航行、裝載LPG/LEG航行、裝載LNG航行、航行時準(zhǔn)備換貨品。進(jìn)出港、裝貨也按所裝貨品，分為裝LPG/LEG，裝LNG兩種。計算結(jié)果及電站使用工況見表2。

表2 各工況的電力負(fù)荷分析

根據(jù)計算結(jié)果選擇主發(fā)電機(jī)3臺910kW，軸帶發(fā)電機(jī)1500kW，應(yīng)急發(fā)電機(jī)150kW。

2 電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。電力系統(tǒng)特點如下：

1) 采用雙匯流排，主發(fā)電機(jī)與軸帶發(fā)電機(jī)分區(qū)供電，主發(fā)與軸發(fā)能短時并車，不長期并聯(lián)運行；

2) 考慮到貨物系統(tǒng)的用電量，至少需要2臺發(fā)電機(jī)運行，主匯流排上采用2 個匯流排連接開關(guān)，將母排分成3 段，每臺發(fā)電機(jī)一個分段 ，這樣單點故障時始終保持有2臺主發(fā)運行；

3) 由于貨物再液化系統(tǒng)的壓縮機(jī)和制冷機(jī)不能斷電，貨物再液化系統(tǒng)區(qū)配電板由主匯流排和軸發(fā)匯流排雙路供電。貨物系統(tǒng)需要提供AC440V，AC220V不間斷電源；

4) 雙燃料主機(jī)控制系統(tǒng)需要提供獨立的充放電板，主應(yīng)急雙路供電；

5) 配電板供電模式及控制：配電板設(shè)置了手動、就地自動及遙控模式。在遙控模式下由PMS系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)集成在全船監(jiān)測報警控制系統(tǒng)（AMCS）中。在 AMCS 中可控制重要開關(guān)分合閘，包括 3臺主發(fā)及軸發(fā)的空氣開關(guān)、主匯流排與軸發(fā)匯流排之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)、及給2套再液化系統(tǒng)供電的開關(guān)。不同控制模式下配電狀態(tài)有所不同，如表3所示。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

表3 不同控制模式下的配電

續(xù)表3

3 自動化系統(tǒng)

3.1 主推進(jìn)裝置

主機(jī)采用瓦錫蘭生產(chǎn)的6L46DF四沖程雙燃料中速機(jī)（MCR：6870kW，轉(zhuǎn)速：600r/min)，由瓦錫蘭提供的整套推進(jìn)系統(tǒng)含齒輪箱、PTO/PTH、軸系、CPP、艉軸密封及潤滑、整體艉管等。主推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

推進(jìn)系統(tǒng)為中速機(jī)+齒輪箱（PTO/PTH）+可調(diào)槳的方案，中速機(jī)采用瓦錫蘭新型的雙燃料電噴機(jī)。帶PTO/PTH功能齒輪箱的典型結(jié)構(gòu)見圖3[2]。

圖2 主推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 帶PTO/PTH功能齒輪箱的典型結(jié)構(gòu)

正常模式下，主離合器嚙合，主機(jī)通過主輸出軸驅(qū)動可調(diào)槳。PTO模式下，PTO離合器也嚙合，主機(jī)在通過主輸出軸驅(qū)動可調(diào)槳的同時，還驅(qū)動軸帶發(fā)電機(jī)。PTH模式下，主離合器脫開，PTH接通，通過軸帶發(fā)電機(jī)驅(qū)動可調(diào)槳。PTH模式下，為了獲取較高的螺旋槳效率，降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速。PTO/PTH齒輪箱的工作模式見圖4。

3.2 主機(jī)控制系統(tǒng)

中速機(jī)主機(jī)遙控系統(tǒng)一般由主機(jī)廠成套供應(yīng)。主機(jī)的控制系統(tǒng)一般包含控制模塊、安全模塊、氣缸控制模塊、電源模塊等，各模塊之間數(shù)據(jù)高速傳輸是基于CAN-bus總線，電源和CAN-bus總線都是雙冗余設(shè)計，能實現(xiàn)安全停車、起動閉鎖、主機(jī)及增壓器測速、主機(jī)正常起/停、速度控制、主機(jī)燃油模式控制、燃?xì)夂拖葘?dǎo)油噴射控制、氣缸平衡和敲缸控制、主機(jī)監(jiān)測和報警信號處理等功能。數(shù)據(jù)可通過RS485接口傳送至船上AMCS系統(tǒng)。

圖4 PTO/PTH齒輪箱的工作模式

3.3 可調(diào)槳控制系統(tǒng)

可調(diào)槳控制系統(tǒng)也由主機(jī)廠成套供應(yīng)。該系統(tǒng)是基于 DC24V PLC，用于控制主機(jī)速度、螺距及離合器合/分。

螺距是通過控制伺服油系統(tǒng)的比例電磁閥及螺旋槳位置的反饋信號構(gòu)成閉環(huán)控制。

螺距和主機(jī)控制通過一個公用的組合控制手柄，達(dá)到最理想的性能和節(jié)省燃油效果。

主推進(jìn)裝置設(shè)有下列控制站：1) 集控室控制站（ECS）；2) 駕駛室控制站（BCS）；3) 橋樓兩翼控制站（WCS）；4) 機(jī)旁應(yīng)急控制單元?？刂普镜闹饕δ芗疤攸c如下：

1) 每個控制站均設(shè)有包括螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺距等的指示表，控制位置的轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以對離合器的嚙合和脫開進(jìn)行遙控；

2) 集控室控制站安裝主機(jī)診斷分析電腦，用來監(jiān)控和分析主機(jī)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)并收集數(shù)據(jù)；

3) 駕駛室和橋樓兩翼控制站可對主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距進(jìn)行控制；

4) 集控室和駕駛室控制站還有主機(jī)轉(zhuǎn)速表、主機(jī)負(fù)荷表以及PTO模式和PTH模式的指示；

5) 另外還配有一套應(yīng)急車鐘系統(tǒng)。

3.4 雙燃料主機(jī)氣體探測系統(tǒng)

雙燃料主機(jī)的燃?xì)夤?yīng)閥（GVU）設(shè)置在單獨的氣密艙室，與機(jī)艙之間采用雙壁管連接，雙壁管內(nèi)為Z0防爆區(qū)，第一層與第二層壁之間為Z1防爆區(qū)，雙壁管外為安全區(qū)域。并使機(jī)艙的壓力始終大于GVU室，這樣安裝雙燃料主機(jī)的機(jī)艙就屬于非防爆區(qū)。

氣體探測系統(tǒng)是用來監(jiān)測可燃?xì)怏w泄漏的，該系統(tǒng)為雙套冗余設(shè)計。本安型氣體探頭必須安裝在以下位置：1) 機(jī)艙4套，2套安裝在機(jī)艙通風(fēng)出口，2套安裝在雙燃料主機(jī)上方；2) GVU室上方2套，GVU室通風(fēng)出口2套；3) 每段雙壁管各2套。一旦達(dá)到設(shè)定濃度，氣體探測系統(tǒng)會發(fā)出報警，并自動從燃?xì)饽Ｊ角袚Q到燃油模式，安裝在GVU前面的燃?xì)馇袛嚅y關(guān)閉，并吹入惰氣。

3.5 監(jiān)測報警控制系統(tǒng)

除了常規(guī)的主機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電板、機(jī)艙重要設(shè)備報警監(jiān)測外，還集成了PMS的遙控、重要泵的遙控、液位遙測、閥門遙控等。監(jiān)測報警控制系統(tǒng)由四個工作站、兩臺打印機(jī)、信號采集箱、信號處理模塊等主要設(shè)備組成，采用分布式處理模塊DPU分別安裝在信號采集箱內(nèi)，根據(jù)傳感器的分布狀況就近布置采集箱。在駕駛室、輪機(jī)長、大管輪、二管輪、甲板會議室、餐廳、娛樂室設(shè)有延伸報警板，系統(tǒng)設(shè)有多個串行通信接口，分別用于主機(jī)信號、發(fā)電機(jī)信號、航行數(shù)據(jù)記錄儀VDR、閥門遙控和液位遙測系統(tǒng)等設(shè)備。全船監(jiān)測報警控制系統(tǒng)總?cè)萘窟_(dá)752點，其中包括數(shù)字量576點，模擬量176點。數(shù)字量輸入408點，輸出168點；模擬量輸入160點，輸出16點，通訊口6個。

該系統(tǒng)主要功能和特點是：1) 能對全船重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測報警；2) 能控制與主推進(jìn)相關(guān)的雙套備用泵；3) 可控制燃油傳輸系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)相關(guān)的泵和機(jī)艙風(fēng)機(jī)（雙速）；4) 可控制閥門遙控系統(tǒng)的所有閥門，將分布式采集模塊直接安裝在電磁閥箱內(nèi)，完成信號采集和控制功能。這樣閥門遙控系統(tǒng)省掉了PLC處理單元；5) 液位遙測系統(tǒng)通過串行通訊將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測系統(tǒng)顯示；6) 集成自動電站管理功能，能根據(jù)負(fù)荷大小自動起動、解列發(fā)電機(jī)組，自動并車和負(fù)載分配；匯流排異常恢復(fù)；失電恢復(fù)；重載詢問等；7) 可自動控制配電板上重要開關(guān)，包括主發(fā)與軸發(fā)空氣開關(guān)；主匯流排與軸發(fā)匯流排之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)、及給2套再液化系統(tǒng)供電的開關(guān)。

4 結(jié) 語

由于清潔能源的天然氣的應(yīng)用范圍更加廣泛，隨著液化氣運輸需求的日益增加，液化氣船的建造需求亦掀起了一股浪潮。希望本文能對多用途液化氣船的設(shè)計起到一定的借鑒作用。

[1] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計實用手冊（電氣分冊）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[2] W?rtsil?公司. W?rtsil? 50DF Product Guide[G/OL]. http://www.wartsila.com.