電力推進LNG船雙燃料發(fā)動機室智能通風系統(tǒng)設(shè)計

沈 寧，潘偉昌，段 斌

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海200129)

0 引 言

LNG運輸船是在常溫常壓下裝運-163 ℃ LNG的特種船舶，具有高技術(shù)、高難度、高附加值的特點。在2004年之前的40年中建成的LNG船隊的絕大部分船采用蒸汽透平推進系統(tǒng)，蒸汽透平系統(tǒng)對供氣系統(tǒng)要求低、燃料組合靈活、維護要求低、可靠性強，但缺點是系統(tǒng)熱效率較差、燃料消耗高。因此，隨著雙燃料中速發(fā)動機在2004年后開始實現(xiàn)實船應(yīng)用，由此發(fā)展興起的雙燃料電力推進(Dual Fuel Diesel Electric,DFDE)系統(tǒng)一躍成為LNG船動力的“新寵”。電力推進LNG船自問世以來，以其高效、節(jié)能、污染小等諸多特點，深受船舶所有人的青睞。韓國、日本和中國的各大型船廠紛紛推出15萬～18萬m3級電力推進LNG船的設(shè)計，2004年之后的10年間已建成和投放的訂單船舶多達百艘，其中電力推進船型占據(jù)九成以上，可謂一枝獨秀、占盡風頭[1]。在國內(nèi)，滬東中華造船(集團)有限公司先后承接了10艘17.4萬m3大型電力推進LNG船，圖1是滬東中華建成交付的17.4萬m3電力推進LNG船“中能福石”號。

圖1 電力推進LNG船“中能福石”號

由于天然氣具有易燃易爆的特性，因此LNG船對安全性和可靠性要求極高。在電力推進LNG船上，雙燃料發(fā)動機布置在獨立于公共機艙的專有發(fā)動機室內(nèi)，具有完全獨立的A-60防火分割，即使公共機艙意外失火也不會影響雙燃料發(fā)動機的正常工作，極大地提高了船舶的安全可靠性。雙燃料發(fā)動機在不同負荷下的空氣消耗量不同，且燃氣供給系統(tǒng)中的燃氣閥組處所和雙壁管環(huán)腔對發(fā)動機室內(nèi)的氣壓有嚴格要求，此外房間內(nèi)壓力還需要穩(wěn)定適中以便于人員安全出入。因此，獨立的雙燃料發(fā)動機室需要有獨立的通風系統(tǒng)，電力推進LNG船雙燃料發(fā)動機室的通風系統(tǒng)設(shè)計需要特殊考慮。

本文以一艘典型的17.4萬m3電力推進LNG船為研究對象，對該船的通風系統(tǒng)智能設(shè)計進行介紹。利用LNG船上強大的中央集成自動化系統(tǒng)(Integrated Automation System，IAS)的調(diào)控功能，制訂和優(yōu)化雙燃料發(fā)動機室風機的控制邏輯，完成發(fā)動機室氣壓的智能調(diào)節(jié)功能設(shè)計。

1 船型設(shè)計介紹

該型17.4萬m3電力推進LNG船是目前我國已交付的船型中貨艙容量最大、技術(shù)最先進的LNG運輸船。該船總長290 m，型寬46.95 m，型深26.25 m，設(shè)計吃水11.5 m，采用雙艉鰭推進，設(shè)計航速為19.5 kn，配有4個薄膜型液貨艙，貨艙總?cè)萘窟_17.4萬m3。該船采用DFDE技術(shù)，同時配備再液化系統(tǒng)。

4臺雙燃料發(fā)動機配置為MAN 2 ×12 V 51/60DF + 2 × 8 L 51/60DF。MAN 51/60DF雙燃料發(fā)動機是一款能使用重油、柴油和天然氣的三燃料發(fā)動機，具有燃油模式、燃氣模式和備用模式等3種操作模式，能為電力推進系統(tǒng)和配有可調(diào)槳的機械推進系統(tǒng)提供動力，主要應(yīng)用于LNG運輸船、豪華客船和一些特種船上。電力推進LNG船通常會安裝數(shù)臺(4臺以上)雙燃料發(fā)動機，如圖2所示，一方面是船舶推進及電力系統(tǒng)需要，另一方面也是船舶冗余度要求[2]。

圖2 機艙布置圖

2 雙燃料發(fā)動機室通風系統(tǒng)設(shè)計要求

2.1 安全冗余要求

雙燃料發(fā)動機室的通風系統(tǒng)基于船舶的安全性和冗余性進行設(shè)計。通風系統(tǒng)設(shè)計的難點是：一方面要滿足雙燃料發(fā)動機室與公共機艙的完全獨立防火分割；另一方面還要通過中間艙壁A-60絕緣實現(xiàn)左、右雙燃料發(fā)動機室的完全獨立，以達到動力艙室完全冗余的要求。兩個雙燃料發(fā)動機室相互獨立的優(yōu)點是任何一個艙室發(fā)生火災(zāi)或燃氣泄漏，IAS系統(tǒng)都可以快速停止該艙室的設(shè)備運行，并自動切斷該艙室的通風系統(tǒng)、燃油(或燃氣)和電力供給，不會影響其他艙室設(shè)備的正常工作。

2.2 安全空間與防爆空間的合理劃分

雙燃料發(fā)動機的燃氣供給管路分兩段：第一段由燃氣壓縮機從室外進入燃氣閥組室，與燃氣閥組連接；第二段由燃氣閥組進入雙燃料發(fā)動機室，連接發(fā)動機。

雙燃料發(fā)動機的燃氣供給系統(tǒng)與燃油供給系統(tǒng)類似，每臺發(fā)動機燃氣系統(tǒng)中也有專用的“燃油模塊”，被稱為燃氣閥組，由速關(guān)閥、透氣閥、壓力調(diào)節(jié)閥、流量計、溫度和壓力傳感器等部件組成。由于發(fā)動機對燃氣有壓力、溫度、壓力波動等諸多要求，因此從LNG貨艙產(chǎn)生的蒸發(fā)氣經(jīng)過燃氣壓縮機進行壓縮處理后，進入燃氣閥組進行減壓、穩(wěn)壓處理，并對燃氣壓力及溫度進行實時監(jiān)控。同時，當發(fā)動機由燃氣模式轉(zhuǎn)換為燃油模式時，燃氣閥組還要配合發(fā)動機完成機器和管路中的燃氣吹洗工作。燃氣閥組的各個部件都由法蘭連接，有燃氣泄漏的風險，根據(jù)《船舶電氣設(shè)備安裝規(guī)則》，燃氣閥組所處空間屬于危險區(qū)域，需將燃氣閥組布置在單獨的房間內(nèi)，劃分為獨立的防爆區(qū)間，并布置專有的抽氣風機進行強制通風。值得注意的是，為保證機艙區(qū)域的安全，針對上述第一段燃氣供給管路，即從貨艙區(qū)進入機艙區(qū)管段，需要特殊布置燃氣管管弄，形成“雙壁”保護。燃氣管管弄進口處和抽風風管的出口附近也是危險區(qū)域，對電氣設(shè)備有防爆要求。

為保證雙燃料發(fā)動機室的安全區(qū)域設(shè)計，上述第二段燃氣供給管路，即燃氣閥組與雙燃料發(fā)動機之間的管段均有雙壁管(包括雙燃料發(fā)動機機體上的燃氣管路)[3]保護。同時，根據(jù)《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》(下文簡稱IGC規(guī)則)和雙燃料發(fā)動機供應(yīng)商提供的《安全設(shè)計導(dǎo)則》文件，對雙燃料發(fā)動機室、相對應(yīng)的燃氣閥組室以及連接這兩個房間的雙壁管環(huán)腔等空間，提出具體的絕對壓力和相對壓力的要求和限制[4]。

由于雙燃料發(fā)動機布置在機艙安全區(qū)域，而燃氣管路及燃氣閥組周圍屬于危險區(qū)域，合理的安全空間與防爆空間設(shè)計以滿足《IGC 規(guī)則》要求是大型電力推進LNG船燃氣系統(tǒng)和通風系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵要點，不僅要滿足《安全設(shè)計導(dǎo)則》要求的雙壁管環(huán)腔絕對壓力和相對壓力的限制，還要對燃氣閥組到發(fā)動機進口的燃氣雙壁管長度、雙壁管和燃氣閥組室的燃氣探測傳感器布置以及燃氣閥組及供給管路的吹洗等設(shè)計進行校核[5]。燃氣供給系統(tǒng)和通風系統(tǒng)設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 燃氣供給系統(tǒng)和通風系統(tǒng)設(shè)計圖

3 通風系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

綜合考慮雙燃料發(fā)動機室的安全冗余要求，與燃氣閥組室防爆空間的合理劃分，以及雙燃料發(fā)動機在高低負荷下的不同空氣消耗量導(dǎo)致的室內(nèi)氣壓波動等諸多因素，提出每個雙燃料發(fā)動機室配備2臺供氣風機和1臺排氣風機的設(shè)計方案，供氣風機和排氣風機均為雙速風機，以靈活的組合方式適應(yīng)雙燃料發(fā)動機在不同負荷下的空氣消耗和散熱需求，每個燃氣閥組室配置2臺100%容量冗余的抽風機，以保證燃氣閥組室內(nèi)負壓的要求。

在確定好通風系統(tǒng)的設(shè)計方案后，完成雙燃料發(fā)動機室燃氣泄漏的模擬分析。通過計算軟件建模和流場分析，一方面確定進氣和排氣風口的最佳位置，另一方面也確定雙燃料發(fā)動機室內(nèi)的燃氣探測傳感器的布置位置，如圖4所示。在模擬分析中，當右舷的雙燃料發(fā)動機燃氣管路破裂后1 s內(nèi)，位于雙燃料發(fā)動機上方的燃氣探測傳感器就會探測到燃氣泄漏，并立刻通過應(yīng)急切斷系統(tǒng)快速關(guān)閉右舷雙燃料發(fā)動機室燃氣供給管路上的控制閥，控制閥關(guān)閉時間約為3 s，與此同時，雙燃料發(fā)動機迅速從燃氣模式切換為燃油模式，中間沒有中斷或者負荷波動。此時，左舷的燃氣供給系統(tǒng)和雙燃料發(fā)動機正常工作，不受任何影響。在燃氣供給管路控制閥關(guān)閉的5 s內(nèi)，雙燃料發(fā)動機室的泄漏燃氣濃度快速下降，保障雙燃料發(fā)動機室內(nèi)設(shè)備的安全。

圖4 雙燃料發(fā)動機室燃氣泄漏分析模型圖

在LNG船的常規(guī)試航和氣體試航中，雙燃料發(fā)動機在不同功率負荷下，對雙燃料發(fā)動機室和燃氣閥組室房間的氣壓進行反復(fù)測量、調(diào)試，最終確定雙燃料發(fā)動機室的通風控制邏輯。

在常規(guī)試航中，針對不同雙燃料發(fā)動機負荷進行供氣風機和排氣風機多種組合方案的試驗，并完成試驗數(shù)據(jù)的記錄，具體如表1所示。

表1 常規(guī)試航氣壓記錄表

續(xù)表1 常規(guī)試航氣壓記錄表

通過常規(guī)試航中雙燃料發(fā)動機室風機控制試驗，得到初步結(jié)論如下：

(1)當氣壓差P0為0.05～0.20 kPa時，雙燃料發(fā)動機室與對應(yīng)的燃氣閥組室之間的門較易打開，便于人員出入。

(2)監(jiān)測雙壁管環(huán)腔空間氣壓的傳感器尚未安裝，需要由氣密試驗進一步驗證，但需注意要滿足雙燃料發(fā)動機廠家的設(shè)計要求(-1 ～1 kPa)。

(3)雙燃料發(fā)動機室在低功率區(qū)域的氣壓較為穩(wěn)定，在高功率區(qū)域還需要進一步優(yōu)化。

(4)初步的通風控制邏輯：當只有1臺8 L 51/60DF雙燃料發(fā)動機運行時，1號供氣風機設(shè)置為高轉(zhuǎn)速模式，2號供氣風機設(shè)置為低轉(zhuǎn)速模式；當只有1臺12 V 51/60DF或2臺雙燃料發(fā)動機運行時，所有供氣風機均設(shè)置為高轉(zhuǎn)速模式。

在氣體試航中，進一步針對雙燃料發(fā)動機在燃油和燃氣模式下的通風系統(tǒng)及控制邏輯進行驗證，試驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 氣體試航(燃油模式)氣壓記錄表

表3 氣體試航(燃氣模式)氣壓記錄表

通過上述試驗數(shù)據(jù)的搜集、處理和分析，確定最終的通風系統(tǒng)控制邏輯如表4所示。

表4 通風系統(tǒng)控制邏輯表

4 結(jié) 論

以一型17.4萬m3電力推進LNG船為研究對象，開展雙燃料發(fā)動機室的智能通風系統(tǒng)設(shè)計研究，設(shè)計經(jīng)驗和結(jié)論總結(jié)如下：

(1)基于船舶的安全性和冗余性考慮，雙燃料發(fā)動機室需要與公共機艙采取完全獨立的防火分割，還可進一步通過中間艙壁A-60絕緣實現(xiàn)左、右雙燃料發(fā)動機室的完全獨立，以達到動力艙室完全冗余的要求。

(2)雙燃料發(fā)動機室、燃氣閥組處所和雙壁管環(huán)腔對氣壓有絕對壓力和相對壓力的要求和限制，需參照《IGC規(guī)則》和雙燃料發(fā)動機廠家《安全設(shè)計導(dǎo)則》要求，完成安全空間與防爆空間的合理劃分。

(3)通過雙燃料發(fā)動機室燃氣泄漏的模擬計算，不僅可分析確定進氣和排氣風口的最佳位置，也可判斷出雙燃料發(fā)動機室內(nèi)的燃氣探測傳感器的最優(yōu)布置位置。

(4)根據(jù)船舶試航時發(fā)動機不同功率負荷試驗結(jié)果，完成雙燃料發(fā)動機燃油和燃氣模式下的通風系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計，試驗證明該智能通風系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足實船的應(yīng)用要求。