大型雙燃料散貨船LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

曹征宇，王怡，李昱鵬

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

隨著國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)船舶污染物排放要求的日益嚴(yán)格，液化天然氣燃料(LNG)已成為國(guó)際船舶未來(lái)主要替代燃料之一。使用LNG作為清潔燃料，基本完全消除了硫氧化物和顆粒物的排放，氮氧化物排放量減少了85%～90%，二氧化碳排放量減少了20%～30%。隨著船用燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的技術(shù)迅速發(fā)展，LNG系統(tǒng)的設(shè)備投資成本相應(yīng)下降，越來(lái)越多的船東下單建造LNG作為燃料的大型遠(yuǎn)洋貨船。但在雙燃料供氣系統(tǒng)應(yīng)用中還會(huì)遇到許多與用氣設(shè)備控制接口問(wèn)題，以及考慮系統(tǒng)使用安全的特殊設(shè)計(jì)。為此，以全球首艘20萬(wàn)t級(jí)紐卡斯?fàn)栯p燃料散貨船為例，分析供氣系統(tǒng)與雙燃料用戶之間的控制接口，分析供氣安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 大型雙燃料散貨船供氣系統(tǒng)介紹

LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的主要功能是將船舶上LNG燃料艙內(nèi)存儲(chǔ)的LNG通過(guò)加壓、氣化和加熱等步驟，將滿足用戶壓力和溫度要求的燃?xì)夤┙o船舶雙燃料主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐等用氣設(shè)備。LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)通常包含了LNG加注系統(tǒng)、LNG存儲(chǔ)系統(tǒng)、LNG處理系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制和安全等系統(tǒng)。

所述大型雙燃料散貨船配置了1臺(tái)德國(guó)曼恩公司(MAN-ES)的雙燃料高壓主機(jī)、3臺(tái)雙燃料中速發(fā)動(dòng)機(jī)組成的船舶電站及1臺(tái)雙燃料組合鍋爐。主機(jī)燃?xì)鈮毫Ω哌_(dá)30 MPa，配套的為高壓供氣系統(tǒng)；而雙燃料發(fā)電機(jī)供氣壓力為0.6～0.9 MPa，雙燃料鍋爐的供氣壓力為0.4～0.6 MPa，為其配套的為低壓供氣系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。液態(tài)LNG通過(guò)LNG供給泵從LNG燃料艙內(nèi)輸出，一路經(jīng)高壓泵氣化單元(pump vaporizer unit,PVU)供向主機(jī)，另一路經(jīng)LNG低壓氣化加熱器至發(fā)電機(jī)和鍋爐。

圖1 供氣系統(tǒng)原理

LNG燃料艙中儲(chǔ)存著低溫液態(tài)的LNG，由于燃料艙內(nèi)外壁的溫差較大，在航行過(guò)程中隨著環(huán)境溫度和壓力的變化，LNG在燃料艙內(nèi)不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，氣化后產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(boil off gas,BOG)會(huì)增加艙內(nèi)的壓力。當(dāng)LNG燃料艙內(nèi)壓力增大時(shí)，可能對(duì)罐體結(jié)構(gòu)造成損壞從而進(jìn)一步產(chǎn)生爆炸等危險(xiǎn)。因此，本船還配備低壓BOG壓縮機(jī)將BOG輸送給雙燃料發(fā)電機(jī)和鍋爐使用。

2 供氣及用氣設(shè)備控制接口設(shè)計(jì)

2.1 PVU與雙燃料主機(jī)控制系統(tǒng)接口

高壓系統(tǒng)采用MAN-ES的PVU，由于PVU具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)與雙燃料主機(jī)的控制接口就轉(zhuǎn)變成PVU控制系統(tǒng)與主機(jī)控制系統(tǒng)的接口，PVU根據(jù)主機(jī)控制系統(tǒng)的要求為主機(jī)提供一定流量和壓力的燃?xì)??？刂圃硪?jiàn)圖2。

圖2 PVU與主機(jī)控制系統(tǒng)燃?xì)鈮毫刂圃?/p>

當(dāng)主機(jī)運(yùn)行在燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，主機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)接收到主機(jī)遙控的命令，主機(jī)控制系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換成主機(jī)所需的供氣壓力信號(hào)發(fā)送給PVU控制系統(tǒng)，PVU根據(jù)主機(jī)所需供氣壓力調(diào)節(jié)PVU的排量，當(dāng)供氣量與耗氣量相當(dāng)時(shí)，管路里的壓力值恒定。如果主機(jī)耗氣量增加，壓力值降低，PVU控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到壓力降低會(huì)增加PVU泵的排量使壓力回到設(shè)定值，反之亦然。為了提高PVU的瞬態(tài)響應(yīng)能力，主機(jī)控制系統(tǒng)還會(huì)反饋給PVU控制系統(tǒng)實(shí)際燃?xì)庳?fù)荷信號(hào)。當(dāng)PVU供氣流量受限時(shí)，會(huì)將信號(hào)發(fā)送給主機(jī)控制系統(tǒng)，主機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)將用氣量控制在限定值以下，負(fù)荷不夠的部分噴射燃油來(lái)補(bǔ)充。

2.2 雙燃料發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)接口

發(fā)電機(jī)的控制主要有就地操作和遠(yuǎn)程遙控兩種模式，發(fā)電機(jī)本體上的就地控制板實(shí)現(xiàn)就地操作，遠(yuǎn)程遙控可以通過(guò)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)或主配電板得以實(shí)現(xiàn)。操控內(nèi)容包括選擇發(fā)電機(jī)的運(yùn)行模式，油模式或氣模式、調(diào)速、起動(dòng)和停止發(fā)電機(jī)運(yùn)行。該船使用的雙燃料發(fā)電機(jī)與常規(guī)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)相比增加了輔助控制屏，其功能是控制燃?xì)忾y組、冷卻水系統(tǒng)的閥，以及與其他船用系統(tǒng)的電氣連接，如船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、主配電板、電站管理、供氣系統(tǒng)、氣體探測(cè)系統(tǒng)等。輔助控制屏也支持通過(guò)通訊口與船舶監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)連接，可以在監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)電機(jī)控制和所有參數(shù)監(jiān)控。雙燃料發(fā)電機(jī)輔助控制屏外部接口見(jiàn)圖3。

圖3 雙燃料發(fā)電機(jī)輔助控制屏外部接口

2.3 供氣系統(tǒng)與雙燃料鍋爐控制系統(tǒng)接口

根據(jù)《使用氣體或其它低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》IGF Code的規(guī)定，BOG的處理方式有4種：①蒸汽的再液化；②蒸汽的熱氧化(供給雙燃料用氣設(shè)備使用)；③LNG燃料艙壓力積聚(艙自持能力)；④液化氣體燃料冷卻(LNG加注)。本船從經(jīng)濟(jì)的角度選擇將BOG 供給雙燃料發(fā)電機(jī)和雙燃料鍋爐使用。雖然能夠滿足IGF Code 要求，即能使燃料艙的壓力保持在燃料艙壓力釋放閥的設(shè)定壓力以下，至少維持15 d。但由于實(shí)際運(yùn)營(yíng)中有滯港等意外情況，有可能超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，本船除了依靠燃料艙自身自持能力，還增加了雙燃料鍋爐BOG模式來(lái)處理多余的BOG。

為防止BOG的浪費(fèi)而造成經(jīng)濟(jì)損失，鍋爐設(shè)定了2檔BOG運(yùn)行模式，因?yàn)楸卷?xiàng)目燃料艙設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa，設(shè)定燃料艙壓力達(dá)到0.3 MPa時(shí)，鍋爐的BOG模式自動(dòng)啟動(dòng)，供氣系統(tǒng)通過(guò)BOG壓縮機(jī)將BOG 輸送到鍋爐燃燒，此時(shí)產(chǎn)生大量蒸汽，用戶消耗不掉，多余的蒸汽泄放至機(jī)艙大氣冷凝器，但此工況鍋爐的燃?xì)忾y并沒(méi)有全部打開(kāi)，當(dāng)燃料艙壓力降到0.25 MPa，鍋爐自動(dòng)停止BOG mode，鍋爐將恢復(fù)根據(jù)用戶所需的蒸汽量產(chǎn)生蒸汽。只有當(dāng)燃料艙壓力繼續(xù)上升達(dá)到0.33 MPa時(shí)，鍋爐的燃?xì)忾y才會(huì)全部打開(kāi)，鍋爐將以最大能力產(chǎn)生蒸汽。鍋爐BOG模式控制流程見(jiàn)圖4。

圖4 鍋爐BOG模式控制流程

3 供氣安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LNG燃料以極低溫度(-160 ℃)儲(chǔ)存于船上，一旦泄漏會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)沸騰汽化，并與周圍空氣混合形成白煙，稀釋受熱后與空氣混合形成爆炸性混合物，極易導(dǎo)致火災(zāi)或產(chǎn)生爆炸。為保證雙燃料船舶的使用安全必須增加供氣安全相關(guān)的系統(tǒng)，包括氣體探測(cè)、火災(zāi)探測(cè)、燃?xì)馔L(fēng)、緊急切斷、船岸應(yīng)急切斷等系統(tǒng)。

3.1 氣體探測(cè)系統(tǒng)

IGF規(guī)定在燃料艙接頭處所、燃料準(zhǔn)備間、用氣裝置的機(jī)艙處所、通風(fēng)管內(nèi)、加注站等位置均應(yīng)安裝固定式氣體探測(cè)器，當(dāng)可燃?xì)怏w探測(cè)器探測(cè)到可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20%LEL時(shí)，應(yīng)觸發(fā)聲光報(bào)警，可燃?xì)怏w濃度達(dá)到40%LEL時(shí)，應(yīng)觸發(fā)安全系統(tǒng)動(dòng)作。對(duì)于含有氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)器處所內(nèi)的雙壁管，報(bào)警限值可設(shè)定在30%LEL。機(jī)器處所內(nèi)2個(gè)探測(cè)器探測(cè)到可燃?xì)怏w濃度達(dá)到60%LEL時(shí)，應(yīng)觸發(fā)安全系統(tǒng)?？扇?xì)怏w探測(cè)裝置的聲光報(bào)警應(yīng)布置在駕駛室或連續(xù)有人值班的集控室。此外，采用自檢式氣體探測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)IGF規(guī)范要求，若氣體探頭具備自檢功能，則同意探測(cè)位置允許只安裝一個(gè)氣體探頭。

由于該船燃料艙、加注站布置在開(kāi)敞甲板，不會(huì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w積聚，可以不設(shè)固定式氣體探測(cè)。但風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)還是建議安裝氣體探測(cè)。另外根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的意見(jiàn)，本項(xiàng)目燃料罐布置在開(kāi)敞甲板，上建和機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口增加氣體探測(cè)傳感器。

氣體探測(cè)主控箱布置在集控室，復(fù)示器布置在駕駛室，且與供氣系統(tǒng)有通信和硬線連接，實(shí)現(xiàn)報(bào)警延伸功能和應(yīng)急切斷功能。

3.2 燃?xì)庀嚓P(guān)火警系統(tǒng)

IGF規(guī)范要求氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)器處所和獨(dú)立燃料艙的燃料艙處所內(nèi)要設(shè)置火災(zāi)探測(cè)的安全動(dòng)作。一般先報(bào)警，人為判斷后采取安全措施。為了滿足快速探火，火警探頭需要感煙和感溫兩種形式。由于該船燃料艙布置在開(kāi)敞甲板，只需要在燃料準(zhǔn)備間增加火警探頭，機(jī)艙內(nèi)可以借用原來(lái)的機(jī)艙火警探頭。由于該船采用的火警系統(tǒng)是非尋址式的，燃料準(zhǔn)備間火警探頭是單獨(dú)一個(gè)回路，火警信號(hào)能單獨(dú)送出至供氣系統(tǒng)。雙燃料主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐都布置在機(jī)艙，其上方的火警探頭屬于同一回路，不能辨識(shí)具體的著火設(shè)備，因此只能送出機(jī)艙火警信號(hào)給供氣系統(tǒng)，人工判斷切斷相應(yīng)的用氣負(fù)荷的燃料供應(yīng)。

3.3 燃?xì)庀到y(tǒng)通風(fēng)控制

該船機(jī)艙設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全型。IGF規(guī)定對(duì)氣體安全機(jī)器處所內(nèi)雙壁管，氣體燃料管與外層通風(fēng)管應(yīng)設(shè)有負(fù)壓機(jī)械通風(fēng)，并且具有每小時(shí)至少換氣30次的通風(fēng)能力。當(dāng)通風(fēng)失效時(shí)自動(dòng)切斷燃料供應(yīng)，并在駕駛室或有人值班的集控站發(fā)出報(bào)警。海上安全委員會(huì)(MSC)通函1605對(duì)雙壁管通風(fēng)失效作出了統(tǒng)一解釋，2019年7月1日以后簽署建造合同的船可以用以下3種方式之一監(jiān)測(cè)通風(fēng)失效：①監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及失壓指示；②監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及風(fēng)流量指示；③監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的風(fēng)量。

為了避免由于風(fēng)機(jī)的故障造成切斷燃?xì)夤?yīng)的大事故，該船采用冗余設(shè)計(jì)，在主機(jī)雙壁管、3臺(tái)發(fā)電機(jī)雙壁管、鍋爐雙壁管和燃?xì)馓幚黹g各配備2臺(tái)100%容量的抽風(fēng)機(jī)，通風(fēng)管內(nèi)各配了1個(gè)流量開(kāi)關(guān)。只有當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)都發(fā)生故障，同時(shí)流量開(kāi)關(guān)風(fēng)量低才會(huì)自動(dòng)切斷相應(yīng)用氣設(shè)備的燃料供應(yīng)主閥。

燃?xì)馓幚黹g通風(fēng)失效將自動(dòng)切斷所有用氣設(shè)備主閥和所有燃料艙罐的主閥和泵。主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐雙壁管通風(fēng)失效將自動(dòng)切斷相對(duì)應(yīng)的供氣主閥。實(shí)船中由于燃?xì)鉁?zhǔn)備間排風(fēng)口正對(duì)燃料艙，根據(jù)IGF Code防火要求面向燃料艙的艙壁必須保持A60的完整性，因此增加了A60的遙控風(fēng)閘。風(fēng)閘與風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖，只有風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)才打開(kāi)風(fēng)閘。

考慮使用方便，雙壁管風(fēng)可以從就地組合起動(dòng)器就地控制，也可從集控室監(jiān)測(cè)報(bào)警工作站遙控。通風(fēng)失效信號(hào)由風(fēng)機(jī)組合起動(dòng)器輸出給供氣系統(tǒng)安全控制箱切斷對(duì)應(yīng)用戶的燃料供應(yīng)。

MAN主機(jī)雙壁管通風(fēng)有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，但雙壁管風(fēng)機(jī)和起動(dòng)器是船廠提供。MAN的控制系統(tǒng)需要輸入雙壁管流量開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)和氣體探測(cè)等信號(hào)綜合判斷。當(dāng)主機(jī)雙壁管氣體濃度大于30%會(huì)送出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)主機(jī)雙壁管通風(fēng)失效或氣體濃度大于60%，切斷主機(jī)GVU進(jìn)氣閥。由于該船供氣系統(tǒng)在主機(jī)GVU之前有一個(gè)供主機(jī)燃料的主閥，也需要主機(jī)雙壁管通風(fēng)失效的信號(hào)和主機(jī)雙壁管氣體濃度高來(lái)關(guān)斷主閥，MAN的主機(jī)控制系統(tǒng)不能送出通風(fēng)失效或氣體濃度大于60%信號(hào)給供氣控制系統(tǒng)，傳感器不能合用，所以在主機(jī)通風(fēng)管內(nèi)又增加了一個(gè)風(fēng)量開(kāi)關(guān)和氣體探測(cè)傳感器給供氣系統(tǒng)使用。

3.4 供氣系統(tǒng)緊急關(guān)斷

雙燃料動(dòng)力船供氣系統(tǒng)緊急關(guān)斷的主要目的是保護(hù)人員和船舶設(shè)備的安全，將事故的損失限制到最低。當(dāng)該系統(tǒng)接收到危險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的邏輯判斷程序自動(dòng)或手動(dòng)地對(duì)船上相應(yīng)的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)斷，以保證人員和設(shè)備的安全。

引起供氣系統(tǒng)緊急關(guān)斷的原因主要有手動(dòng)應(yīng)急切斷按鈕、火警報(bào)警、氣體探測(cè)濃度高、通風(fēng)失效、加氣站泄漏、液罐艙泄漏、液罐艙液位高、壓力高、燃?xì)鉁?zhǔn)備間泄漏、乙二醇水系統(tǒng)故障以及用氣設(shè)備故障等。

緊急關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則：某一級(jí)別的關(guān)斷不能引起較高級(jí)別的關(guān)斷，只能啟動(dòng)本級(jí)或所有較低級(jí)別的關(guān)斷。本項(xiàng)目緊急關(guān)斷系統(tǒng)由高到低分為0、1、2三個(gè)等級(jí)。

0級(jí)關(guān)斷為最高級(jí)別，能通過(guò)集控室、駕駛室和消防控制站的應(yīng)急切斷按鈕和火警信號(hào)觸發(fā)。能同時(shí)關(guān)斷布置在左右舷加注站、1號(hào)2號(hào)燃料艙、燃?xì)鉁?zhǔn)備間的閥、供氣系統(tǒng)所有的泵、BOG壓縮機(jī)以及用氣設(shè)備的主閥。

1級(jí)關(guān)斷是關(guān)斷1號(hào)2號(hào)燃料艙、燃?xì)鉁?zhǔn)備間的閥和泵、BOG壓縮機(jī)和用氣設(shè)備的主閥。除了能通過(guò)0級(jí)切斷觸發(fā)，還可由下列條件觸發(fā)：

1)布置燃?xì)鉁?zhǔn)備間門口的應(yīng)急切斷按鈕。

2)燃?xì)馓綔y(cè)系統(tǒng)探測(cè)到燃?xì)鉁?zhǔn)備間、機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口、乙二醇水箱透氣管和機(jī)艙氣體濃度高。

3)燃?xì)鉁?zhǔn)備間通風(fēng)失效。

4)燃?xì)鉁?zhǔn)備間泄漏。

5)燃料艙壓力低低。

2級(jí)關(guān)斷級(jí)別最低，根據(jù)區(qū)域和功能分為左右舷加氣站的閥門、左右燃料艙閥和LNG泵、主機(jī)供氣主閥和PVU泵、發(fā)電機(jī)供氣主閥，以及鍋爐供氣主閥。2級(jí)關(guān)斷可由0級(jí)1級(jí)關(guān)斷觸發(fā)，也可由具體的報(bào)警觸發(fā)。

3.5 船岸應(yīng)急切斷

IGF規(guī)范對(duì)加注系統(tǒng)的要求設(shè)置1套船岸連接系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)與加注方的自動(dòng)和手動(dòng)ESD通信。

船岸連接有光纖、電氣和氣動(dòng)三種連接方式，根據(jù)ISO28640(2010石油和天然氣工業(yè)-液化天然氣用設(shè)備和設(shè)施-自船至岸上的分界面和港口作業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的建議，為L(zhǎng)NG傳輸提供兩種安全連接方式。本項(xiàng)目選擇電氣連接作為主要連接，氣動(dòng)連接作為備用。船岸應(yīng)急切斷系統(tǒng)主控柜布置在集控室便于操控，左右舷接線箱布置在加氣站，并配有報(bào)警燈鈴，見(jiàn)圖5。

圖5 船岸應(yīng)急切斷系統(tǒng)原理示意