雙燃料發動機電力推進LNG船可燃氣體探測系統設計簡介

李銀濤

（七○八研究所 上海 200011）

雙燃料發動機電力推進LNG船可燃氣體探測系統設計簡介

李銀濤

（七○八研究所 上海 200011）

可燃氣體探測；雙燃料發動機電力推進（DFDE）；液化天然氣運輸船（LNGC）；自然蒸發氣（NBOG）；強制蒸發氣（FBOG）；爆炸下限（LEL）

詳細介紹了雙燃料發動機電力推進LNG船可燃氣體探測系統設計的基本要求，包括可燃氣體探頭及取樣管在不同區域的布置情況及數量要求。所述內容不僅涉及LNG船本身的要求，也覆蓋了其他類型的液化氣體運輸船的相關要求。

0 引言

傳統的LNG船幾乎全部使用蒸汽輪機作為主推進裝置，蒸汽輪機一枝獨秀的局面在LNG船領域存在了近40年之久，蒸汽輪機最大優勢是可以方便地使用LNG蒸發氣，可靠性也較高。然而，近年來由于缺乏操作高壓鍋爐和蒸汽輪機的熟練船員，以及蒸汽輪機推進效率較低、操縱性較差等因素；同時，隨著新材料、新科技、加工工藝及能力地不斷進步與發展，相關產業為了能在行業界取得自已的一席之地，也不斷地發展新的技術、推出新的設備，在提高動力系統整體安全性的同時，也增加了動力系統選型的多樣性，使得越來越多的船東改變了使用蒸汽輪機作為LNG船主推進裝置的觀念，而更青睞于DFDE等新型動力系統。

而隨著低碳經濟，綠色能源，節能環保等概念在實際生產及生活中的廣泛應用，傳統的蒸汽輪機推進系統因其綜合熱效率低（一般不到30%），其在液化天然氣運輸船（LNGC）上的應用已逐漸追趕不上綠色能源前進的步伐，雙燃料發動機電力推進系統（DFDE）能直接燃用氣體燃料，且具有較高的熱效率（約為49%），無疑DFDE的出現，為LNG船提供了完美的綠色能源解決方案。

圖1 DFDE LNG船機艙預覽圖

常壓全冷式的LNG船，液態貨物在-163℃左右且具有很好絕熱層的低溫狀態下仍會蒸發，通常蒸發率在0.1%~0.15%。在貨艙條件下自然蒸發出的天然氣稱為NBOG（Natural Boil-OffGas），用人工減壓或升溫強制蒸發出的天然氣稱為FBOG(Forced Boil-OffGas)。雙燃料發動機可將LNG船運輸過程中所產生的蒸發氣（NBOG&FBOG）作為燃料，使之轉化為航行過程中推進及服務所需的電能。由此，一方面解決了液貨艙因BOG大量積聚產生壓力過高的危險，另一方面也充分地利用了能源，避免了BOG的浪費。另外，DFDE系統因其低油耗、低排放、機動性能強、安全性能高、動力裝置占用空間小、布置靈活、載貨空間增大等眾多優點，正越來越受到業主的青睞。而常溫常壓下，天然氣作為一種易燃易爆氣體，在其作為發動機燃料使用時，必須對其供氣管路進行嚴密地保護及探測。因為一旦泄漏，將會帶來極大的危險與損失。

本文主要從規范的角度及船舶設備自身要求等方面闡述了DFDE薄膜型LNG船可燃氣體探測系統的設計要點。

為方便敘述，本文假定目標船為一艘標準型且配有DFDE動力裝置的LNG船，分設有4個薄膜型液貨艙及2個雙燃料發動機艙，其中每一雙燃料發動機艙安裝有2套雙燃料發電機組（共4套）。為給雙燃料發動機提供并控制其燃燒用的BOG，在機艙左右舷區域分別設有1個GVU（Gas Valve Unit）房間，每個GVU間布置有為相應雙燃料發動機供氣的2套GVU。另外為防止過量的BOG直接排放至大氣而產生危險，目標船還設有一臺氣體燃燒塔（GCU，GasCombustion Unit），為GCU服務的供氣閥組布置在GCU燃燒器室內。兩個GVU間，兩個雙燃料發動機間及GCU燃燒器室均為相互獨立的房間，均布置有相互獨立的通風系統。

1 可燃氣體探測系統簡介

對于液化氣運輸船，由于所裝載貨品有著不同的物理特性，因此其可燃范圍也各不相同。可燃范圍是指可燃氣體與空氣構成的可燃混合物中可燃氣體的最小和最大濃度（體積分數）之間的幅度，通常用爆炸下限（LEL：Lower Explosion Limit）和爆炸上限（UEL：Utmost Explosion Limit）來表示。對于LNG船，其貨品主要成分為甲烷（CH4），甲烷的爆炸極限（空氣中體積百分比）為5.0~15。甲烷作為一種比空氣輕且易燃易爆的危險氣體，為了保證LNG船的營運安全，必須對貨品的泄漏情況進行實時檢測。

在DFDE LNG船的燃氣系統中，BOG經貨物壓縮機壓縮，并用管道輸送到GVU間。在經過GVU間相應的控制閥組后，BOG通過雙壁管輸送至相應的雙燃料發動機燃燒。當NBOG不足以供DFDE運行時，可通過船上的強制蒸發器產生FBOG以滿足DFDE運行所需的氣量；而當BOG在滿足DFDE運行所需氣量并過量時，過量的BOG可通過管路及相應的控制閥組引至GCU燃燒掉，以消除BOG大量積聚產生壓力過高的危險。為保證LNG船的持續穩定運行并考慮安全因素，當BOG量很少或是發生氣體泄漏時，雙燃料發動機可切換至燃燒重燃油。對于燃氣系統中可能產生氣體泄漏或是氣體容易聚集的場所，均應設置可燃氣體探測裝置，以實時檢測各相關場所的氣體泄漏情況。

不同的貨品有著不同的特性，可燃氣體探測設備選用需考慮到貨品的特性，一般采用吸收式紅外線氣體濃度檢測儀或接觸燃燒式氣體濃度探測儀來對可燃氣體進行檢測。

2 規范對可燃氣體探測系統的要求

可燃氣體探測系統和運輸船上的其他系統一樣，在設計時必須遵循相應的規范、規則以及相關設備制造廠的要求和推薦。其中IMO IGC Code（International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，中文全稱：《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備的國際規則》）中的要求應理解為是強制性的，且適用于所有的液化氣運輸船（包括LNG船）。同時，不同船級社規范對此系統的要求也略有不同。

針對DFDE LNG船，有的船級社還出版了專門的指導性文件，設備制造廠也有相應的要求和推薦，特別是可燃氣體系統供應商和雙燃料發動機供應商所述的應用要求也需認真考慮。本文主要按照IMO IGCCode，美國船級社（ABS）及中國船級社（CCS）的相關規范要求對雙燃料發動機電力推進LNG船可燃氣體探測系統設計進行探討性研究。

2.1 IMO IGC Code相關要求

根據IMO IGCCode第13章第6節中要求，下列處所內應設有固定的可燃氣體探測系統和聲光報警裝置：

（1）貨泵艙；

（2）貨物壓縮機室；

（3）用于貨物裝卸機械的電動機艙；

（4）貨物控制室（被指定為氣體安全處所者除外）；

（5）貨物區域內可能積聚蒸發氣的其他圍蔽處所（包括貨艙處所和除C型獨立液貨艙之外的獨立液貨艙的屏壁間處所）；

（6）如將貨物用作燃料時，相關機器處所的通風罩和氣體燃料管道；

（7）空氣閘。

除上述要求外，氣體探測設備應能在不超過30min的時間間隔期內，依次從每個取樣點取樣和分析，但在上述（6）中所述的通風罩和氣體管道進行氣體探測時，應連續取樣；對于薄膜型LNG船，貨艙處所和屏壁間處所均應設有固定安裝且能測量0~100%的氣體濃度（按容積）的可燃氣體探測系統。當泄漏蒸發氣濃度達到在空氣中的30%LEL或達到主管部門根據特殊貨物圍護裝置認可的其他極限值時，具有聲光輸出的報警裝置應被觸發。各測量點的取樣管路應相互獨立、而不允許用公共取樣管路直接連至氣體分析箱。

氣體探測設備可布置在貨控室、駕駛室或其他適當的位置，當該裝置布置在氣體安全處所時，應保證氣體取樣管上設有截止閥或等效裝置，以防止其與氣體危險處所相互連通。同時，從探測器分析箱排放的氣體應在安全位置排向大氣。

另外，每船需配備兩套經認可并適合所載貨品的便攜式可燃氣體探測儀，以及一臺經認可并可測量惰性氣體中含氧量的氧氣濃度儀。

對于將BOG作為燃料的LNG船，在燃用BOG的機器處所、為機器供氣的閥組處所及上述處所的機械排風管中均應設置可連續檢測可燃氣體濃度的探頭，用以檢測BOG的泄漏情況，當可燃氣體濃度達到30%LEL時，系統會發出聲光報警，而當濃度達到60%LEL之前，系統應能自動關閉氣體燃料總閥以切斷氣體燃料供應，此時雙燃料發動機會自動切換至燃油模式，以保證LNG船的正常運行。

2.2 美國船級社（ABS）相關要求

如果目標船的入級船級社為ABS，除滿足IMO IGCCode相關要求外，美國船級社（ABS）對DFDE LNG船可燃氣體探測系統還有如下要求：

（1）如果雙燃料發動機機艙機械通風進風口處沒有安裝可燃氣體探測裝置，則進風管上應安裝止回裝置，以防止機艙的可燃氣體通過風管往外泄漏，而當該進風口安裝有可燃氣體探測裝置時，該處可不設止回裝置；

（2）與貨物相關的壓縮機、換熱器、泄放柜、分離器、液貨泵及電機等處所都應安裝有可燃氣體探測器，當探測器檢測到可燃氣體濃度超過30%LEL，會發出聲光報警，而當檢測濃度超過60%LEL時，貨物壓縮機會自動停止，以防止可燃氣體繼續泄漏而產生爆炸的危險；

（3）可燃氣體探測系統應能自檢，當系統自檢發現自身故障時，該系統的輸出應能自動斷開并發出報警，以避免探測器故障導致錯誤的緊急停車；

（4）對GCU，應配備兩套相互獨立并能連續檢測的固定式可燃氣體探測系統，當其中一套系統故障后，另一套系統可以馬上替代其進行檢測工作；

（5）為GCU供氣的閥組上方也應提供可燃氣體探測，當探測器檢測到可燃氣體濃度達到30%LEL，會發出聲光報警，而當檢測濃度達到60%LEL時，為GCU供氣的閥組會自動關閉，以切斷對GCU的燃氣供應；

（6）雙燃料發動機的曲軸箱上應設有氣體取樣口，以便使用便攜式可燃氣體探測儀對曲軸箱內的可燃氣體濃度進行檢測。同時，曲軸箱應安裝防爆型的油霧探測器和氣體探測設備或等效設備，氣體探測器可位于曲軸箱透氣管內，其布置應防止油霧污染該可燃氣體探測器。

2.3 中國船級社（CCS）相關要求

如果目標船的入級船級社為CCS，同樣，在滿足IMO IGCCode相關要求的同時，中國船級社（CCS）對DFDE LNG船可燃氣體探測系統有如下要求：

（1）表1所規定的位置應安裝固定式可燃氣體探測器。各處所內可燃氣體探測器的數量應根據該處所的尺寸、布置以及通風予以考慮，但不應小于表1規定的最低要求；如所使用的固定式可燃氣體探測器具有自檢功能，各單獨處所內安裝的獨立可燃探測器最小數目可降為1臺；

表1 CCS對DFDE LNG船固定式氣體探測器的安裝要求

（2）可燃氣體探測裝置應布置在氣體可能積聚的地方或布置在通風出口處。氣體管路的環圍導管和機艙必須進行連續檢測；

（3）每個雙燃料發動機艙室應至少設有2套獨立的固定式可燃氣體探測系統，用來連續監測泄漏氣體；當任一探測系統失效時，其余可燃氣體探測系統仍應滿足探測要求；

（4）可燃氣體探測裝置的聲光報警應布置在駕駛室和機艙集控室；

（5）打開雙燃料發動機曲軸箱之前，應能對曲軸箱進行惰化和除氣；

（6）正常情況下，當管路內存在氣體燃料，以及維修工作前進行掃氣操作時，可燃氣體探測系統應保持工作；

（7）可燃氣體探測器的安裝位置是影響可燃氣體探測系統有效性的關鍵因素，安裝時應考慮氣流對可燃氣體探測器敏感度的影響。

2.4 雙燃料發動機自身要求

假定目標船采用了4臺MAN公司型號為51/60DF的雙燃料發動機，根據該機型ProjectGuide及Safety concept中對可燃氣體探測系統的要求，在進行可燃氣體探測系統設計時，還應滿足如下要求：

（1）從甲板BOG機艙供氣總管截止閥至GVU房間的雙壁管外壁上應安裝至少2個經認證的本質安全型可燃氣體探測器（僅當該供氣總管通過封閉的氣體安全處所時設該雙壁管）；

（2）在GVU房間，每只GVU上方需安裝至少2個經認證的本質安全型可燃氣體探測器；

（3）GVU房間至雙燃料發動機的雙壁管外壁上需安裝至少2個經認證的本質安全型可燃氣體探測器，當可燃氣體濃度大于30%LEL時，系統會發出聲光報警，并將雙燃料發動機由燃氣模式自動切換至燃油模式，此時，GVU上為雙燃料發動機供氣的電磁閥會自動關閉，同時惰氣（N2）會將GVU的供氣管路惰化，以完全消除爆炸的危險；

（4）GVU間及雙燃料發動機間的排風管上需安裝至少2個經認證的本質安全型可燃氣體探測器；

（5）為防止燃氣泄漏并在雙燃料發動機上方聚集，每臺雙燃料發動機上方需安裝至少2個經認證的本質安全型可燃氣體探測器；

（6）當雙燃料發動機燃燒所需的空氣直接通過風管取自大氣，而不是由機艙風機供應時，進風口需設置進風關閉裝置并設置最少2個相互獨立并經認證的本質安全型可燃氣體探測器，當探測器檢測到可燃氣體超標并報警時，雙燃料發動機進風口的關閉裝置會自動關閉以切斷雙燃料發動機燃燒所需的空氣，以避免爆炸的危險；

（7）當雙燃料發動機以燃氣模式運行或是供氣設備及管系處于惰化狀態時，必須要有兩套相互獨立并能連續檢測的固定式可燃氣體探測系統處于運行狀態；

（8）為防止設備取樣管路自身的泄漏，可燃氣體探測裝置應能自檢；

（9）出于維修時的安全考慮，雙燃料發動機的曲軸箱、滑油循環艙、高溫冷卻水膨脹水箱、低溫冷卻水膨脹水箱及噴油嘴冷卻水箱上均設有便攜式可燃氣體探測器接口及惰化接口。

2.5 可燃氣體探測系統原理簡介

圖2 順序取樣可燃氣體探測系統原理圖

對于液貨艙絕緣處所順序取樣系統，其測量原理如圖2所示，在不超過30min的時間間隔期內，采樣泵通過端部濾器將各檢測點的取樣氣體依次抽至帶接點智能紅外氣體檢測變送器進行分析，并顯示出取樣氣體中可燃氣體的濃度（按容積），當該濃度值達到30%LEL時，系統發出聲光報警，同時變送器還可將檢測的濃度值以4~20mA的信號輸送至計算機系統，以在各終端實時顯示出各取樣點可燃氣體的濃度。

對于需連續測量的可燃氣體探測系統，其測量原理如圖3所示，探測頭布置在各需要檢測的區域，該探頭通過電纜與智能紅外變送式可燃氣體檢測儀連接，將檢測到的可燃氣體濃度（按容積）顯示在檢測儀上，當檢測濃度達到30%LEL時，系統發出聲光報警，同時該變送器也可將檢測的濃度值以4~20mA的信號輸送至計算機系統，以在各終端實時顯示出各取樣點可燃氣體的濃度。對于安裝在氣體危險區及所在處所有特殊要求的探測頭，應為本質安全型。

圖3 連續測量可燃氣體探測系統原理圖

3 目標船可燃氣體探測系統設計

3.1 目標船配置及設備布置概況

目標船設有4個薄膜型液貨艙，該液貨艙的結構形式如圖4所示，根據規范要求，每個液貨艙的初級絕緣層及次級絕緣層均應安裝固定式可燃氣體探測系統，該探測系統能在不超過30min的時間間隔期內，依次從每個取樣點取樣和分析，并能測量從0~100%的氣體濃度（按容積），當可燃氣體濃度達到在空氣中的30%LEL時，系統會發出聲光報警。

圖4 薄膜型液貨艙典型截面圖

另外，目標船貨物區甲板上還布置有貨物壓縮機室及貨物電機室；船首布置有水手長儲藏室及首泵艙（燃油輸送泵）；上層建筑里布置有貨控室，根據上述規范要求，在這些處所也都應裝設可燃氣體探測裝置；燃氣系統方面，目標船配置了4臺雙燃料發動機及一臺GCU；推進系統方面則采用了DFDE系統，具體的動力配置及功率傳遞流程圖如圖5所示。

圖5 目標船動力配置及功率傳遞流程圖

如上文所述，目標船的兩個GVU間，兩個雙燃料發動機間及GCU燃燒器室均為相互獨立的房間，均布置有相互獨立的通風系統。按照規范要求，在該處所通風系統的排風管路上，均應安裝可燃氣體探測裝置。

同時，目標船的甲板BOG管路（單壁管）通過開敞區域直接進入GVU間及GCU燃燒器室，而GVU至相應的雙燃料發動機間的供氣管均為雙壁管，此處雙壁管的外壁上也應裝設可燃氣體探測裝置。

按照規范要求，具有通向危險區域開口的非危險封閉處所，應設置一個空氣閘，并應保持高于外部危險區域的正壓通風，在目標船的貨物電機室即設有一個空氣閘，該處也應設有可連續測量的可燃氣體探測裝置。另外，在雙燃料發動機間的新風進口及艙室空調進風口處也應設有可連續測量的可燃氣體探頭。

3.2 目標船可燃氣體探測點布置位置及數量

根據上述規范及設備自身對可燃氣體探測系統的要求，結合目標船的實際布置情況，可按區域及功能將目標船的可燃氣體探測系統分為四個子系統及一些手動測量點：

（1）液貨艙絕緣處所順序取樣系統；

（2）機艙區域連續測量系統A；

（3）機艙區域連續測量系統B；

（4）其他區域連續測量系統。

四個子系統為固定安裝式可燃氣體探測系統，系統A與系統B為兩個相互獨立的子系統，但其探測點位置一樣。當雙燃料發動機以燃氣模式運行或是供氣設備及管路處于惰化狀態時，系統A與系統B同時工作，其他工況下，只需其中一套系統處于工作狀態即可。當可燃氣體探測系統通過自檢檢測到其中一套系統（A或B）故障時，另外一套系統（B或A）能馬上替代發生故障的系統，對各探測點進行實時連續檢測。對于本身處于氣體危險區及上文有明確要求的可燃氣體探測器，應使用本質安全型。

綜上所述，以目標船為典型的DFDE LNG船，其可燃氣體探測系統固定安裝的探頭及取樣管布置位置及型式如圖6所示。

出于維修時的安全考慮，還應設置手動便攜式可燃氣體測量系統，根據MAN 51/60DF雙燃料發動機的相關要求，應在雙燃料發動機的曲軸箱、雙燃料發動機滑油循環艙、雙燃料發動機高溫冷卻水膨脹水箱、雙燃料發動機低溫冷卻水膨脹水箱、雙燃料發動機噴油嘴冷卻水箱等處所設置便攜式可燃氣體探測器接口及惰化接口，當檢測到該處所的可燃氣體濃度超標時，需用氮氣對該處所進行除氣處理。

3.3 目標船可燃氣體探測系統設計

結合目標船各處所可燃氣體探測點的具體探測原理及探測形式，根據圖6所示的目標船可燃氣體探測系統框圖，可繪制出目標船相關處所的可燃氣體探測系統原理圖。圖7為液貨艙絕緣處所順序取樣可燃氣體探測系統原理圖，圖8為雙燃料發電機室及GVU間可燃氣體探測系統原理圖。

圖8所示的處所同一探測點需設置兩個相互獨立的連續探測可燃氣體探測器，兩個探測器分屬于A探測系統和B探測系統。A探測系統與B探測系統為兩個相互獨立的系統，當雙燃料發動機以燃氣模式運行或是供氣設備及管路處于惰化狀態時，兩系統需同時工作，其他工況下，只需其中一套系統處于工作狀態即可。當可燃氣體探測系統通過自檢檢測到其中一套系統（A或B）故障時，另外一套系統（B或A）能馬上替代發生故障的系統，對各探測點進行實時連續檢測，從而保證可燃氣體探測系統的冗余設計，保證系統在部分故障情況下仍能保證對各探測點的正常監測。

圖6 目標船可燃氣體探測系統框圖

圖7 液貨艙絕緣處所順序取樣可燃氣體探測系統原理圖

圖8 雙燃料發電機室及GVU間可燃氣體探測系統原理圖

3.4 探測系統報警點及其功能設置

一般情況下，當被檢測的氣體中可燃氣體濃度達到30%LEL時，可燃氣體探測系統會發出聲光報警，而當可燃氣體濃度繼續升高時，可燃氣體探測系統會發出相應的信號以產生保護動作，從而提前遏制危險的產生。在進行以目標船為典型的DFDE LNG船的可燃氣體探測系統設計時，在保證LNG船能正常航行的同時，結合實際的安全需求，各可燃氣體探測器報警點的設置及動作情況如表2所示。

4 結語

DFDE薄膜型LNG船作為一種節能環保的高附加值船舶，在對其可燃氣體探測系統設計時，我們應嚴格按照規范及設備自身的要求，并充分考慮船舶危險區域劃分及實際的使用情況，合理地布置及安裝可燃氣體探測裝置，保證LNG船營運過程中的用氣安全。

表2 報警點的設置及動作情況表

［1］IMO，International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk（IGC code）［EB/OL］.

［2］中國船級社.雙燃料發動機系統設計與安裝指南［S］.2007.

［3］中國船級社.氣體燃料動力船檢驗指南［S］.人民交通出版社，2008.

［4］中國船級社，散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范［S］.人民交通出版社，2006.

［5］國家質量監督檢驗檢疫總局.可燃氣體檢測報警器（JJG 693-2004）［R］.2004.

［6］美國船級社，ABSRULESFORBUILDINGANDCLASSING STEELVESSELS［S］.2010.

［7］美國船級社，ABSGUIDE FOR PROPULSION SYSTEMS FOR LNGCARRIERS［S］.2005.

［8］MAN，Project Guide for Marine Plants Dual-fuel Engine51/60DF in Compliance with IMOTier II［S］.2009.

［9］MAN，Dual-fuel Engine Safety Concept［S］.2008.

［10］McGuire and White，Liquefied Gas Handling Principles On Ships and in Terminals［S］.2005.

Flammable gas detecting system design for DFDE LNG carrier

Li Yin-tao

Flammable gas detecting；DFDE（Dual Fuel Diesel Electric）；LNGC（Liquefied Natural Gas Carrier）；NBOG（Natural Boil-Off Gas）；FBOG（Forced Boil-Off Gas）；LEL（Lower Explosion Limit）

This paper introduces the design essentials of flammable gas detecting system for DFDE LNGC，including installation position and quantity for detecting sensors and sample pipes in various spaces.The contents involve the requirement of LNGC and other liquid gas carriers.

U664.88

A

1001-9855（2011）02-0042-07

2010-07-30

李銀濤（1982-），男，漢族，工程師，主要從事船舶輪機系統研究設計工作。