雙燃料超大型集裝箱船電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)

周祎隆,傅曉紅,夏駿

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

一般傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶主機(jī)采用重油或者柴油作為推進(jìn)燃料，近年來，可以降低船舶運(yùn)營成本、提高船舶排放指標(biāo)的天然氣清潔能源成為船東的選擇[1]。燃油和天然氣2類燃料具有不同特性，兼用2種類型燃料的船舶從規(guī)范要求和控制原理都比較復(fù)雜，給船舶設(shè)計(jì)帶來了諸多技術(shù)難題。

2015年6月國際海事組織海上安全委員會(huì)通過了《使用氣體或低閃點(diǎn)燃料船舶國際安全規(guī)則》(IGFCode)于2017年1月1日生效，規(guī)則適用于使用天然氣燃料及總噸位大于500的新貨船及客船[2]。23 000 TEU是目前全球首款采用雙燃料推進(jìn)的超大型集裝箱船，該船的詳細(xì)設(shè)計(jì)在規(guī)范生效不久后逐步展開。關(guān)于雙燃料超大型集裝箱船設(shè)計(jì)和建造，國內(nèi)沒有相關(guān)案例可供參考，電氣設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于，不僅需要考慮所涉及燃料特性和設(shè)備控制原理，還需要滿足將船舶及其船員和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)降到最低的原則。為此，在遵循IGFCode的前提下，提出符合船東要求的設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的4個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 電站功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙燃料發(fā)電機(jī)組可以在天然氣燃料和燃油燃料2種工作模式下運(yùn)行，在燃?xì)夂腿加湍Ｊ较掠捎?類燃料的熱值、空燃比等不同，所以在相應(yīng)模式下對(duì)于負(fù)荷的加載能力是不一樣的[3]。對(duì)于雙燃料船舶的電站功率管理系統(tǒng)(power management system,PMS)必須依據(jù)燃?xì)饽Ｊ降墓ぷ髟碓O(shè)計(jì)出合理的控制邏輯，才能使得發(fā)電機(jī)機(jī)組不會(huì)經(jīng)常性轉(zhuǎn)換至燃油模式，并且保證輸出功率不會(huì)造成較大波動(dòng)。

1.1 燃?xì)饽Ｊ较碌淖詣?dòng)電站功能

電站配置為6臺(tái)AC 6.6 kV、60 Hz、3 PH的Wartsila 34DF發(fā)電機(jī)組，其中2臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定輸出功率為4 150 kW，另外4臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定輸出功率為3 690 kW。發(fā)電機(jī)在燃油模式下啟動(dòng)，運(yùn)行至合適條件后轉(zhuǎn)為燃?xì)饽Ｊ健Ｔ谌細(xì)饽Ｊ秸＿\(yùn)行過程中只有當(dāng)發(fā)生某些特殊情況，發(fā)電機(jī)綜合控制系統(tǒng)接收到燃?xì)饷摽坌盘?hào)后才會(huì)發(fā)出命令使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為燃油模式。

在對(duì)發(fā)電機(jī)組的使用指南研究后，對(duì)于燃?xì)饽Ｊ阶詣?dòng)轉(zhuǎn)換程序，本船在功率管理系統(tǒng)中進(jìn)行了如下設(shè)置。

1)當(dāng)發(fā)電機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较逻\(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)保證在10%最大功率以上持續(xù)運(yùn)行。

2)在燃料轉(zhuǎn)換命令被1臺(tái)發(fā)電機(jī)接受之前，必須確保在轉(zhuǎn)換期間其他發(fā)電機(jī)提供的功率足夠使用。這是因?yàn)檫@臺(tái)發(fā)電機(jī)可能需要卸載以使得功率降到最高轉(zhuǎn)換功率之下。瓦錫蘭建議的轉(zhuǎn)換范圍是發(fā)電機(jī)額定功率的0%～80%之間。

3)在燃料轉(zhuǎn)換過程中，重載設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)給自動(dòng)電站，此時(shí)電站不能發(fā)出允許啟動(dòng)信號(hào)。

1.2 燃?xì)饽Ｊ较碌闹剌d問詢功能

本船配有2臺(tái)3 000 kW的艏側(cè)推在進(jìn)出港口時(shí)使用，由于艏側(cè)推電機(jī)功率較大，已接近單臺(tái)發(fā)電機(jī)的額定功率。如果直接投入船舶電網(wǎng)運(yùn)行，必然對(duì)船舶電力系統(tǒng)造成沖擊，引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。所以當(dāng)船舶電網(wǎng)中有較大負(fù)載投入使用時(shí)，船級(jí)社對(duì)于電站功率儲(chǔ)備都有明確要求。當(dāng)該大負(fù)載投入使用時(shí)，對(duì)于電站應(yīng)首先判斷目前電站機(jī)組發(fā)出的總電功率是否能夠供給當(dāng)前船舶電網(wǎng)上所有的負(fù)載(包括即將投入的大負(fù)載)并滿足一定的裕量要求。對(duì)于工作在燃?xì)饽Ｊ街械陌l(fā)電機(jī)初始加載能力和加載速度都低于燃油模式，每級(jí)最大負(fù)荷階躍需要滿足0→31%，31%→53%，53%→75%，75%→90%，90%→100%的加載要求。2種模式下最大瞬態(tài)負(fù)荷階躍加載對(duì)比見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)燃?xì)?、燃油模式最大瞬態(tài)負(fù)荷階躍加載對(duì)比

基于以上要求，燃?xì)饽Ｊ较碌闹剌d問詢功能設(shè)計(jì)不僅需要考慮負(fù)荷增加的速度不超過燃?xì)饽Ｊ较伦畲笏矐B(tài)負(fù)荷階躍加載限制，而且艏側(cè)推控制系統(tǒng)應(yīng)該具有限制螺距變化率的功能。當(dāng)艏側(cè)推功率接近最大瞬態(tài)負(fù)荷階躍加載曲線限制值時(shí)，PMS向艏側(cè)推控制系統(tǒng)發(fā)出減少螺距的信號(hào)，防止艏側(cè)推電機(jī)功率上升過快導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過載停機(jī)的情況發(fā)生[4]。

通過試航驗(yàn)證，本船在進(jìn)出港開艏側(cè)推的工況下，發(fā)電機(jī)組仍然保持工作在燃?xì)饽Ｊ较?，重載問詢控制程序設(shè)計(jì)符合使用要求。

1.3 燃?xì)饽Ｊ较碌捻樞騿?dòng)功能

為保證對(duì)重要設(shè)備的供電連續(xù)性，當(dāng)發(fā)電機(jī)恢復(fù)供電時(shí)，船舶主推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)泵組會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)工作。但是發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)初期不允許立即同時(shí)突加全部負(fù)載，特別是帶有增壓器的柴油發(fā)電機(jī)組，如果突加負(fù)載會(huì)導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)過載停機(jī)。所以當(dāng)備用發(fā)電機(jī)自動(dòng)投入后，電源恢復(fù)接入的負(fù)載應(yīng)該采用順序啟動(dòng)的方式。

PMS根據(jù)順序啟動(dòng)負(fù)載的重要程度，將關(guān)鍵的順序啟動(dòng)設(shè)備按照時(shí)間分級(jí)原則預(yù)定次序重新起動(dòng)。一般情況下，發(fā)電機(jī)組的負(fù)載突加不能超過允許的最大瞬態(tài)負(fù)荷階躍加載值，在圖1已經(jīng)說明。針對(duì)燃?xì)饽Ｊ酵患迂?fù)荷比燃油模式響應(yīng)時(shí)間更長的特點(diǎn)，不同時(shí)間下負(fù)載的增加率見圖2，需要設(shè)計(jì)比燃油模式時(shí)間分級(jí)更為精準(zhǔn)的順序啟動(dòng)程序。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)?、燃油模式額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下最大負(fù)載增加率

本船順序啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)為7級(jí)，每一級(jí)的加載的時(shí)間和負(fù)荷功率均保持在發(fā)電機(jī)最大瞬態(tài)負(fù)荷階躍加載曲線限制范圍內(nèi)，并保證每一級(jí)加載發(fā)電機(jī)瞬時(shí)電壓降小于額定電壓15%。具體順序啟動(dòng)電壓降計(jì)算見表1。

表1 順序起動(dòng)電壓降計(jì)算

2 火氣安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為使用天然氣燃料的貨船，《IGF Code》對(duì)于指定區(qū)域的火警探測器配置要求進(jìn)行了闡述。法國船級(jí)社在NR529規(guī)范中[5]，針對(duì)這些條款進(jìn)行了更為詳細(xì)的說明。

1)單一感煙火警探測器認(rèn)為不足以快速探測到火源，易熔塞被視作可接受的快速探測火源的方式。

基于以上規(guī)范要求，本船在燃?xì)馓幚黹g(fuel gas handling room,FGHR)、燃料艙連接間(tank connection space,TCS)，加注站(bunkeringstation)，都配置有本安型的感煙型探測器及易熔塞。

由于LNG船是以低溫狀態(tài)儲(chǔ)存，一旦泄露極易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸[6]。為保證火警探測系統(tǒng)能夠滿足全船安全的需要，在設(shè)計(jì)時(shí)還要針對(duì)火警系統(tǒng)進(jìn)行故障模式和影響分析(FMEA)，全面的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估可以對(duì)所有的風(fēng)險(xiǎn)源加以識(shí)別，使得系統(tǒng)在各種極端工況下具有更高的可靠性和安全性。

法國船級(jí)社在危險(xiǎn)和可操作性分析(Hazardand Operability Analysis,HAZOP)會(huì)議中提出，需要在LNG儲(chǔ)存艙外的空艙中以及燃?xì)馓幚黹g、燃料艙連接間的通風(fēng)管道內(nèi)部增加火警探測器。這些處所的火警探測器的配置雖然高于規(guī)范的要求，但是對(duì)于全船火災(zāi)發(fā)生場所實(shí)現(xiàn)了更為全面的探測和監(jiān)控。所以本船根據(jù)船級(jí)社的要求及對(duì)實(shí)際安裝空間進(jìn)行評(píng)估后，在以上區(qū)域增補(bǔ)了本安型的感煙感溫復(fù)合型探測器，見圖3。

圖3 火警探測器布置示意

除了火警系統(tǒng)外，根據(jù)危險(xiǎn)燃料類別設(shè)置的可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)也是必不可少的。對(duì)于燃?xì)庀到y(tǒng)中可能產(chǎn)生氣體泄漏或是氣體容易積聚的處所均應(yīng)該配置可燃?xì)怏w探測裝置[7]。《IGF code》對(duì)于整體可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)配置有明確的要求，其規(guī)定如下。

1)當(dāng)氣體蒸氣濃度達(dá)到最低可燃性極限的 20%時(shí)，聽覺和視覺報(bào)警裝置應(yīng)被觸發(fā)。當(dāng)2個(gè)探測器處的氣體蒸氣濃度達(dá)到最低可燃性極限的 40%時(shí)，安全系統(tǒng)應(yīng)被觸發(fā)。

2)對(duì)于氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)器處所內(nèi)氣體管路周圍的通風(fēng)管道，最低可燃性報(bào)警限值可設(shè)為30%。當(dāng)2個(gè)探測器處的氣體蒸氣濃度達(dá)到最低可燃性極限的 60%時(shí)，安全系統(tǒng)應(yīng)被觸發(fā)。

3)氣體探測設(shè)備的聽覺和視覺報(bào)警器應(yīng)位于駕駛室或連續(xù)有人值班的集中控制站。

根據(jù)規(guī)范可知，全船可燃?xì)怏w探測器需要分為兩類報(bào)警限值設(shè)定。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估要求，本船選取以下區(qū)域的可燃?xì)怏w探測器報(bào)警限值設(shè)為30%：6臺(tái)發(fā)電機(jī)燃?xì)忾y單元，鍋爐燃?xì)忾y單元，主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐的燃?xì)怆p壁管出風(fēng)口。其他區(qū)域的可燃?xì)怏w探測器報(bào)警限值設(shè)為20%。實(shí)船部分區(qū)域可燃?xì)怏w探測器布置位置見圖4。

圖4 不同區(qū)域氣體探測器布置示意

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于以天然氣為燃料的船舶，《IGF code》對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)的分區(qū)域設(shè)計(jì)更為細(xì)化，對(duì)通風(fēng)能力的持續(xù)性要求也更為嚴(yán)格。通風(fēng)系統(tǒng)相比燃油動(dòng)力船而言，應(yīng)該考慮天然氣易燃易爆的特性，盡量防止天然氣漏泄或?qū)⒙┬箽怏w及時(shí)排除。

3.1 雙壁管風(fēng)機(jī)

本船天然氣燃料艙是布置在上建下方，通過布置在管弄中的雙壁管管路將燃?xì)廨斔椭林鳈C(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐消耗。雙壁管風(fēng)機(jī)其作用是對(duì)雙壁管內(nèi)外壁間環(huán)形間隙層進(jìn)行機(jī)械抽風(fēng)產(chǎn)生負(fù)壓，把泄露氣體排放到安全區(qū)域。當(dāng)雙壁管內(nèi)無法維持正常通風(fēng)量時(shí)，應(yīng)將主供氣閥關(guān)閉停止燃?xì)夤?yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)從燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)為燃油模式[8]。

考慮到雙壁管通風(fēng)的重要性，在燃?xì)饽Ｊ较?，雙壁管的通風(fēng)是不允許停止的?！禝GF Code》中對(duì)于雙壁管風(fēng)機(jī)的供電系統(tǒng)要求由主配電板或應(yīng)急配電板的共同線路進(jìn)行供電，其中1組風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通風(fēng)能力的降低不會(huì)超過總通風(fēng)能力50%。本船配置18臺(tái)雙壁管風(fēng)機(jī)，為保證燃?xì)夤r時(shí)雙壁管內(nèi)的通風(fēng)連續(xù)性，風(fēng)機(jī)分為兩組分別由兩個(gè)獨(dú)立的組合起動(dòng)屏供電，每個(gè)組合起動(dòng)屏由主電源和應(yīng)急電源雙路供電，兩路電源可以自動(dòng)切換。雙壁管風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)主備切換功能，風(fēng)機(jī)運(yùn)行指示、故障報(bào)警和電源的自動(dòng)切換信號(hào)需要送至監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)見圖5所示。

圖5 雙壁管風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)

3.2 燃?xì)庠O(shè)備處所風(fēng)機(jī)

本船燃?xì)馓幚黹g、燃料艙連接間，加注站布置在燃料艙上方的上建二甲板區(qū)域，都設(shè)計(jì)為ESD防護(hù)式機(jī)器處所。為確保所有處所內(nèi)的空氣循環(huán)良好，《IGF Code》對(duì)這些處所的通風(fēng)有效性明確了如下要求。

1)對(duì)于燃?xì)馓幚黹g，燃?xì)獗没驂嚎s機(jī)與風(fēng)機(jī)做成連鎖模式，只有在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方可起動(dòng)。由主配電板或應(yīng)急配電板供電的一臺(tái)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通風(fēng)能力的降低不會(huì)超過50%。

2)對(duì)于加注站，當(dāng)通風(fēng)失效時(shí)，加注操作應(yīng)該自動(dòng)停止。

3)當(dāng)通風(fēng)能力發(fā)生任何損失時(shí)，應(yīng)在駕駛室或連續(xù)有人值班的集中控制站或船舶安全中心發(fā)出聽覺和視覺報(bào)警。

針對(duì)第三點(diǎn)要求，法國船級(jí)社NR529規(guī)范中做出了更為嚴(yán)格的要求，即規(guī)定在以上處所配置壓差或流量監(jiān)測裝置。根據(jù)以上規(guī)范要求，本船將燃?xì)馓幚黹g、燃料艙連接間，加注站同一區(qū)域的兩臺(tái)抽風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為由一個(gè)獨(dú)立組合啟動(dòng)屏內(nèi)不同的銅排供電，2段銅排的電源分別來自于主配電板不同的母排，在這些區(qū)域風(fēng)管內(nèi)配置防爆型的流量傳感器。

4 應(yīng)急切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證燃?xì)庀到y(tǒng)在正常及應(yīng)急情況下能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)1套安全保護(hù)系統(tǒng)對(duì)燃?xì)庀嚓P(guān)區(qū)域的液位、溫度、壓力、可燃?xì)怏w、通風(fēng)能力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制[9]。安全保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有監(jiān)控、報(bào)警、緊急響應(yīng)的功能[10]，通過對(duì)危險(xiǎn)發(fā)生區(qū)域和危險(xiǎn)源的分類，設(shè)置不同控制等級(jí)的應(yīng)急切斷措施。

根據(jù)《IGF Code》要求，對(duì)本船可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)測后作為輸入條件，設(shè)計(jì)了故障因果矩陣表進(jìn)行邏輯分析。故障因果矩陣表不僅反映了燃?xì)鈾C(jī)器處所不同區(qū)域危險(xiǎn)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，當(dāng)自動(dòng)或手動(dòng)應(yīng)急切斷裝置起動(dòng)后，燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)備和燃?xì)忾y組的動(dòng)作狀態(tài)，還體現(xiàn)了聲光報(bào)警器觸發(fā)的相關(guān)處所。本船將應(yīng)急切斷功能分為3個(gè)級(jí)別，分別是ESD1,ESD2和ESD2.1,切斷范圍和功能等級(jí)依次降低。

法國船級(jí)社、船東、燃?xì)庠O(shè)備廠家在危險(xiǎn)和可操作性分析會(huì)議中對(duì)應(yīng)急切斷故障因果矩陣表格審核后，認(rèn)可了此系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

為了保證23 000 TEU雙燃料集裝箱船在燃?xì)饽Ｊ较码姎庀到y(tǒng)可靠運(yùn)行，針對(duì)電氣設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的4個(gè)關(guān)鍵方面，提出了區(qū)別于傳統(tǒng)燃油船舶系統(tǒng)的解決方案。實(shí)船氣體試航驗(yàn)證表明：在燃?xì)饽Ｊ较?，電站功率管理系統(tǒng)加載大功率負(fù)載和順序起動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)；特殊區(qū)域通風(fēng)能力維持穩(wěn)定沒有觸發(fā)通風(fēng)能力失效信號(hào)；火氣探測器、應(yīng)急切斷監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于燃?xì)庀到y(tǒng)故障切斷實(shí)時(shí)有效；整體設(shè)計(jì)不僅符合船級(jí)社規(guī)范和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求，還滿足了船東實(shí)際使用需要。