“浦海211”輪LNG雙燃料動(dòng)力的電氣改造設(shè)計(jì)

劉 峰，李榮宗，徐本舉

（1. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所運(yùn)輸事業(yè)部，上海 200135；2. 長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 401147）

“浦海211”輪LNG雙燃料動(dòng)力的電氣改造設(shè)計(jì)

劉 峰1，李榮宗1，徐本舉2

（1. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所運(yùn)輸事業(yè)部，上海 200135；2. 長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 401147）

隨著排放問(wèn)題的日益突出，航運(yùn)業(yè)正在逐步向節(jié)能低碳方向發(fā)展。LNG作為高效清潔的能源成為了未來(lái)船用燃料的首選，伴隨著國(guó)家政策的支持，國(guó)內(nèi)需要改造成為L(zhǎng)NG雙燃料動(dòng)力的船舶將會(huì)越來(lái)越多。本文以“浦海211”輪為例，介紹LNG雙燃料動(dòng)力船舶的電氣改造設(shè)計(jì)，希望為以后類似的船舶改造項(xiàng)目提供相應(yīng)的參考。

電力系統(tǒng)；LNG雙燃料控制系統(tǒng)；安保監(jiān)控；危險(xiǎn)區(qū)域

0 引言

近年來(lái)，隨著全球航運(yùn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，燃油消耗的不斷增加，排放問(wèn)題的日益突出。為緩解石油資源的枯竭和氣候的變化，航運(yùn)業(yè)正積極向節(jié)能低碳的方向發(fā)展。而液化天然氣（LNG）作為一種高效清潔的能源日益受到各國(guó)的青睞，與傳統(tǒng)的燃油相比，這種燃料具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢(shì)，成為了未來(lái)船用燃料的首選。

2011年，交通運(yùn)輸部頒布《“十二五”水運(yùn)節(jié)能減排總體推進(jìn)實(shí)施方案》，將試點(diǎn)應(yīng)用LNG燃料動(dòng)力船舶技術(shù)，隨后又陸續(xù)出臺(tái)支持并大力推進(jìn)LNG燃料動(dòng)力船舶的各種相關(guān)文件。集團(tuán)為貫徹落實(shí)國(guó)家關(guān)于“節(jié)能減排”的要求，實(shí)現(xiàn)綠色交通的目標(biāo)，將內(nèi)河200TEU集裝箱船“浦海211”輪作為試點(diǎn)船舶進(jìn)行LNG燃料動(dòng)力改造。根據(jù)當(dāng)時(shí)《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》草稿的要求，機(jī)艙型式一般分為本質(zhì)安全機(jī)艙、ESD防護(hù)型機(jī)艙和增強(qiáng)安全型機(jī)器處所。國(guó)外LNG燃料動(dòng)力船舶普遍采用本質(zhì)安全型機(jī)艙，而內(nèi)河船常采用增強(qiáng)安全型機(jī)艙。本質(zhì)安全型機(jī)艙相比增強(qiáng)安全型機(jī)艙更合理，更安全，投資成本也更低，最終經(jīng)過(guò)重重研討選定了“浦海 211”輪為本質(zhì)安全型機(jī)艙的實(shí)施方案?！捌趾?11”輪的LNG雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)改造項(xiàng)目在實(shí)施本質(zhì)安全型機(jī)艙過(guò)程中，由于為國(guó)內(nèi)首制，克服了規(guī)范、建造和檢驗(yàn)等重重困難下，在2014年初改造完成，經(jīng)過(guò)一年多的營(yíng)運(yùn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果。本文將“浦海211”輪的LNG雙燃料動(dòng)力的電氣改造設(shè)計(jì)做一些簡(jiǎn)單介紹。

1 電力系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目船的改造是將原主推進(jìn)柴油機(jī)改成LNG和燃油的雙燃料混合動(dòng)力船舶。改造的主要內(nèi)容是在船舶艉部區(qū)域設(shè)置LNG儲(chǔ)氣罐、氣閥連接處所和熱交換單元等，在機(jī)艙區(qū)域增加氣體閥箱、原主推進(jìn)柴油機(jī)的LNG雙燃料混合進(jìn)氣裝置和LNG雙燃料控制系統(tǒng)等。因此本船電力系統(tǒng)的改造主要思路是在保持原有系統(tǒng)不變的情況下，對(duì)新增加的設(shè)備進(jìn)行安全有效的供電，對(duì)其他專業(yè)的改造實(shí)行有效安全的配合工作。電力系統(tǒng)主要的修改如下：1）核算新增加設(shè)備對(duì)電站容量的影響；2）氣罐處所實(shí)現(xiàn)安裝有效的主應(yīng)急照明系統(tǒng)；3）在重要區(qū)域?qū)崿F(xiàn)安裝氣體探測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)；4）新增加的兩臺(tái)導(dǎo)管風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)一用一備，故障報(bào)警及自動(dòng)切換；5）新增加的兩臺(tái)熱交換給水泵實(shí)現(xiàn)一用一備，故障報(bào)警及自動(dòng)切換；6）雙燃料控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的供電及安裝；7）在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)安全處理。

2 LNG雙燃料控制系統(tǒng)

LNG雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)主要是對(duì)柴油機(jī)燃油和燃?xì)夤┙o量進(jìn)行控制，使兩者在不同的工況下達(dá)到合適的匹配，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安全性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和低排放的要求。本項(xiàng)目船中該系統(tǒng)同時(shí)還用于監(jiān)測(cè)船用LNG雙燃料動(dòng)力模塊的運(yùn)行狀態(tài)及重要參數(shù)；對(duì)燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)報(bào)警、動(dòng)力模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；當(dāng)動(dòng)力模塊、LNG熱交換單元、LNG儲(chǔ)罐發(fā)生故障、火災(zāi)報(bào)警、燃?xì)庑孤兜惹闆r發(fā)生時(shí)采取相應(yīng)控制策略,保障船用LNG雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)的持續(xù)、有效的安全運(yùn)行。LNG雙燃料控制系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 LNG雙燃料控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.1 安全性原則

雙燃料控制系統(tǒng)是以船舶推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的持續(xù)、有效和安全運(yùn)行為基礎(chǔ)。在本船施行改造前，項(xiàng)目組去實(shí)船調(diào)研研究可行性方案，和同行專家研討審核并確定最終改造方案。在設(shè)備方面，選擇符合質(zhì)量要求和安全性高的產(chǎn)品；在布置方面，布置罐體及閥件管路盡量遠(yuǎn)離生活區(qū)及其他危險(xiǎn)源；在施工方面，嚴(yán)格要求按審批圖紙施工，同時(shí)配合審核部門完成每一道工序，確保施工規(guī)范化；在驗(yàn)收方面，認(rèn)真按照各設(shè)備要求逐一試驗(yàn)，確定能完全滿足規(guī)范和使用要求；在運(yùn)行方面，嚴(yán)格實(shí)行規(guī)范操作模式，同時(shí)安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

本項(xiàng)目船是在原有發(fā)動(dòng)機(jī)上新增加了雙燃料動(dòng)力控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速還是依靠原有發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置。根據(jù)雙燃料控制系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的“全程轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最低燃油位置曲線”生成當(dāng)前轉(zhuǎn)速下期望的燃油供應(yīng)量，雙燃料控制器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)如排氣溫度、燃?xì)鉁囟取⒃鰤浩鲏毫?、燃?xì)鈮毫?、冷卻水溫度等信號(hào)并通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的曲線或曲面，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速及燃油供油位置計(jì)算出燃?xì)庠诋?dāng)前工況下的最高限制值，通過(guò)逐漸提高燃?xì)獾墓?yīng)量使其燃油替代率最佳。

LNG雙燃料控制系統(tǒng)系是對(duì)氣罐主閥、主氣體燃料閥、聯(lián)鎖氣體閥、管路透氣閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遙控及監(jiān)測(cè)，正常工況下保證對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供應(yīng)，并對(duì)包括導(dǎo)管通風(fēng)、火災(zāi)、氣體泄漏、氣罐異常、發(fā)動(dòng)機(jī)故障等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在異常狀態(tài)下進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警、關(guān)閥、透氣等安保動(dòng)作。氣體燃料控制系統(tǒng)還具有與其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊的功能。具體的安保監(jiān)控功能如表1所示。

表1 氣體燃料充裝系統(tǒng)的監(jiān)控

表2 氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)的監(jiān)控

續(xù)表2：

本項(xiàng)目船在進(jìn)入穩(wěn)定航行后，先開(kāi)啟導(dǎo)管抽風(fēng)系統(tǒng)和LNG交換單元的加熱系統(tǒng)，當(dāng)LNG供氣系統(tǒng)無(wú)故障報(bào)時(shí)，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值780r/min時(shí)，可自動(dòng)或手動(dòng)轉(zhuǎn)入雙燃料運(yùn)行模式，此時(shí)主機(jī)可以按正常習(xí)慣操作加減速；當(dāng)主機(jī)突然卸載時(shí)，在LNG雙燃料控制系統(tǒng)的控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量會(huì)迅速減少，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行；在雙燃料模式行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在低于780r/min以及高于1200r/min（主機(jī)額定轉(zhuǎn)速）時(shí)，雙燃料控制系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為純柴油模式；當(dāng)需要停止雙燃料模式時(shí)，應(yīng)提前15分鐘將LNG儲(chǔ)罐出液閥關(guān)閉,使熱交換單元和液相管路中的 LNG充分用盡,待熱交換單元出氣壓力低報(bào)警后再將運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換至純柴油模式；當(dāng)在雙燃料運(yùn)行過(guò)程中遇到系統(tǒng)故障時(shí)，可按表一和表二的“安保監(jiān)控功能表”中預(yù)設(shè)功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)安保動(dòng)作。

2.3 故障記錄及處理

雙燃料控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，判斷故障發(fā)生及故障類型，輸出聲光報(bào)警，根據(jù)故障類型決定是否切除雙燃料。監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò) RS485通訊協(xié)議采集發(fā)動(dòng)機(jī)重要參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集雙燃料工作狀態(tài)和火災(zāi)等開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)模擬量采集甲烷濃度、氣體壓力值和溫度等數(shù)值。所有的重要參數(shù)及報(bào)警都可以在控制屏程上實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)。工作人員可以查詢以往故障報(bào)警，分析總結(jié)故障原因，實(shí)現(xiàn)提前維護(hù)保養(yǎng)，減少故障發(fā)生率。

3 危險(xiǎn)區(qū)域的控制

LNG燃料動(dòng)力船舶危險(xiǎn)區(qū)域的控制至關(guān)重要，危險(xiǎn)區(qū)域控制的好壞直接影響到船舶安全。對(duì)LNG燃料動(dòng)力船舶的危險(xiǎn)處所進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)有 LNG燃料動(dòng)力試點(diǎn)船的實(shí)際營(yíng)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)后果較嚴(yán)重和發(fā)生概率較高的危險(xiǎn)點(diǎn)提出切實(shí)有效的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

本項(xiàng)目中將LNG儲(chǔ)供氣設(shè)備和管系的主要部分均集中布置在船舶艉部，這樣可以遠(yuǎn)離生活區(qū)及其他危險(xiǎn)源，同樣可以控制危險(xiǎn)區(qū)域的擴(kuò)散，方便船員管理和維護(hù)。LNG供氣系統(tǒng)引起的危險(xiǎn)區(qū)域主要包括LNG透氣系統(tǒng)、LNG通風(fēng)系統(tǒng)、LNG充裝系統(tǒng)和LNG管系法蘭接口處。針對(duì)以上四個(gè)主要引起危險(xiǎn)區(qū)域的系統(tǒng)，結(jié)合船舶的布置，經(jīng)過(guò)仔細(xì)優(yōu)化，滿足了船級(jí)社的要求。危險(xiǎn)區(qū)域控制的主要措施如下：1）在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備，均采用合格的防爆安全型產(chǎn)品；2）在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)裝設(shè)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和氣體探測(cè)系統(tǒng)；3）在艉部危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)集裝箱箱角可能產(chǎn)生的火花問(wèn)題上，采用在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)各箱角附近裝設(shè)水霧系統(tǒng)；4）在進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的附近設(shè)有危險(xiǎn)區(qū)域指示圖和注意事項(xiàng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

我所改造的“浦海211”輪是國(guó)內(nèi)LNG燃料改造的首艘滿足中國(guó)船級(jí)社本質(zhì)型安全機(jī)艙的集裝箱船，且當(dāng)時(shí)規(guī)范還沒(méi)生效，本船在電氣改造設(shè)計(jì)中更多的從安全型、實(shí)用型和功能型角度考慮。根據(jù)船舶營(yíng)運(yùn)一年多的反饋信息來(lái)看，各項(xiàng)指標(biāo)均也達(dá)到預(yù)期效果，充分肯定了其重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益?！捌趾?11”輪的改造成功彰顯了我所在LNG雙燃料動(dòng)力改造領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)能力。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范[S]. 2013.

[2] 胡健. 船舶替代能源的發(fā)展與展望分析[J]. 上海造船, 2010(4): 39-41

[3] 蔣瑋, 朱新禮. 液化天然氣作為船用燃料的可行性研究[J]. 船舶與海洋工程, 2013(3): 74-78.

[4] 陳瑞權(quán), 鄭玄亮. 江海直達(dá)型液化天然氣運(yùn)輸船營(yíng)運(yùn)分析[J]. 中國(guó)航海，2013(4): 139-142.

Electrical Renovation Design of LNG Dual Fuel Power System of Pu Hai 211

LIU Feng1, LI Rong Zong1, XU Ben-ju2
(1. Transportation System Division, Shanghai Ship＆Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China; 2. Changjiang Chongqing Waterway Engineering Bureau, Chongqing 401147, China)

With the emissions problem becoming prominent increasingly, the shipping industry is gradually developed in the direction of energy saving. LNG, as the efficient clean energy in future marine fuel, has become the first choice. With the support of national policy, there will be more and more projects about renovation design of LNG dual fuel power. Taking "PuHai 211" as an example, this article introduces electrical renovation design of LNG dual fuel power. It is hoped to provide the corresponding reference for future similar ship's renovation projects.

power system; LNG double fuel power control system; security monitoring; hazardous area

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.012

劉峰（1983-），男，工程師，主要從事船舶電氣方面的工作。