浦海211輪LNG雙燃料動力改造

傅明初

(上海清海航運有限公司，上海 200135)

浦海211輪LNG雙燃料動力改造

傅明初

(上海清海航運有限公司，上海 200135)

摘要:為響應國家節能減排、綠色環保的號召，加強對雙燃料動力改造船的管理，以浦江211輪LNG雙燃料動力船的改造為試點，對雙燃料船的LNG(Liquefied Natural Gas,液化天燃氣)低溫儲罐、燃燒前處理模塊、燃燒系統、監控及安保系統等部分的各個環節進行細致描述，并通過對雙燃料動力系統的工作原理、實際操作使用及維護保養進行詳細介紹，為雙燃料動力船日后的應用提供說明。

關鍵詞:船舶節能減排；雙燃料動力船舶；雙燃料柴油機；使用操作；系統保養

0引言

根據國家海事局《關于明確LNG燃料動力船舶改造試點工作有關事宜的通知》(海船檢[2012]48號)的要求，“浦海211”輪作為試點船舶進行了雙燃料改造。

“浦海211”于2013年年底開始進廠改造，2014年4月上旬出廠試航，其整個機器處所的總體改造設計由上海船舶科學研究所負責，主機雙燃料系統的改造由中石油濟柴武漢發動機廠負責，整個船舶改造工程由中國船級社上海分社國內處全程監督、檢驗并在中海集團工業公司上海立新船廠完成。

1船舶主要參數

“浦海211”輪于2006年在蕪湖大江船廠建造，其主要參數如下。

(1) 船舶參數：船長88.23 m，船寬15.60 m，型深5.60 m，空載吃水2.15 m，滿載吃水4.20 m；

(2) 主機：型號為8170ZC-11，額定功率530 kW，額定轉速1 200 r/min；

(3) 試航航速：設計吃水為3.8 m時，處于深水區、風力不超過3級情況下，試航航速約為19 km/h；

(4) 續航力：設計吃水為3.8 m，服務航速為18.3 km/h(主機功率90%MCR)時，船舶續航力為4 500 km。

2雙燃料系統重要設備介紹

2.1雙燃料控制系統

“浦海211”輪整個機器處所的改造采用“本質安全機器處所”機艙，發動機的雙燃料改造采用單點式控制方式，控制部分采用德國海茵茨曼(HEINZMANN)公司生產的雙燃料控制器。該系統對發動機轉速的控制仍由柴油機自身的控制系統完成，燃氣控制系統根據發動機實時的工作狀況控制燃氣的替代量，不參與調速，因此發動機的動態特性仍然為柴油機的特性，可很好地滿足負載變化頻繁的工況要求。雙燃料模式運行時，由柴油調速器根據負載發生的變化(加載或減載)迅速改變供油量(加油或減油)來維持轉速，然后由燃氣控制器根據預先設定的替代率調整燃氣供應量。同時，雙燃料控制系統會監測排氣溫度、冷卻水溫度、增壓器壓力、燃氣壓力和燃氣溫度等參數，對燃氣供應量進行最高值限制，在防止發生排溫超限和爆震等故障的情況下實現高的燃氣替代率。

2.2LNG低溫儲罐

20 m3液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)低溫儲罐為臥式雙層圓筒結構，儲罐內外筒選用S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼，內外筒之間采用真空纏繞技術(見圖1)。

注：V1為氣相閥；V2為頂部進液閥；V3為測滿閥；V4為節約閥；V5為排液閥；V6為底部進液閥；V7為放空閥；V8為低溫緊急切斷閥；P1為壓力表；V9為充裝管排放閥；V10為低溫緊急切斷閥；V11為低溫緊急切斷閥；V12為增壓器開啟閥；V13為液位計氣相閥；V13為低壓信號遠傳閥；V14為平衡閥；V15為液位計液相閥；FB為外罐防爆裝置；V15為高壓信號遠傳閥；V16為真空隔離閥；V17為排污閥；V18為氣相供氣閥；V19為低溫緊急切斷閥；Vc-1為單向閥；YA-1A為內容器安全閥；YA-1B為內容器安全閥；V20為緊急放散閥；RK-1為管路安全閥；RK-2為管路安全閥；RK-3為管路安全閥；RK-4為管路安全閥；RK-5為管路安全閥；B-1為增壓器；C-1為低溫升壓調節閥；C-2為低溫降壓調節閥；PT為壓力變送器；WT為溫度變送器；TVA為安全性放選擇閥；VP為抽真空裝置；VR為真空規管；FA-1為管理阻火器；LG為差壓液位計；LT為差壓變送器

圖120 m3LNG低溫儲罐結構

2.3LNG氣化裝置

LNG氣化裝置(見圖2)采用200 Nm3/h撬裝結構，設計氣化量可滿足發動機需求；利用發動機排氣余熱回收裝置對LNG進行水浴加熱，并使之氣化，保證輸出后的氣體溫度在5 ℃以上；同時，系統具有天然氣減壓、調壓故障自動切換、天然氣泄漏報警等功能。

2.4安保系統

安保系統分為發動機安保系統、LNG儲罐安保系統和機艙安保部分。

1) 發動機安保系統：監測發動機各缸的排氣溫度、燃氣的進氣壓力、機旁控制柜的報警參數，可在緊急狀態下控制發動機轉入純柴油模式或直接停機。

2) LNG儲罐安保系統：在氣瓶可能泄漏的區域安裝2個相互獨立的甲烷濃度探測儀并與已報警裝置連接；報警裝置安裝在機艙和駕駛室，機艙人員可隨時監測，同時與安保控制柜連接；安保控制柜可按照設定好的程序作出相應的安保動作。

3) 機艙安保部分：為防止機艙有天然氣泄漏，時刻監測到機艙內的天然氣濃度，在機艙內可能泄漏天然氣的區域安裝3個相對獨立的甲烷濃度探測儀并與安保控制柜連接，當機艙內天然氣濃度達到設定值時，安保控制柜自動報警并作出相應的動作。

1.溫度變送器　2.熱水循環氣化器　3.溫度表　4.壓力表　5.法蘭球閥　6.調壓器

3雙燃料柴油機的運行與管理

3.1名詞解釋

1) 雙燃料柴油機：是指該柴油機使用兩種燃料，在沒有天然氣供應時可采用純柴油模式運行，有天然氣供應且滿足雙燃料運行條件時可采用天然氣-柴油雙燃料工作模式。

2) LNG：為-162 ℃儲存在LNG儲罐中的低溫液體，氣化后變為天然氣，當天然氣泄漏后，在空氣中的濃度達到5%～15%范圍且遇明火時，即可發生燃爆。

3.2雙燃料系統原理

該船用柴油機動力系統經改造后可使用柴油天然氣混合燃料，柴油只用于引燃和作部件潤滑劑使用，天然氣主要提供所需動力,系統原理見圖3。

LNG經氣化、減壓后，通過管路輸送到機艙內的燃氣前處理模塊(氣閥箱單元)，經過燃氣快速切斷閥(為常閉氣動閥)、燃氣過濾器、燃氣等壓減壓閥和零壓閥。運行雙燃料工況時，扳動雙燃料控制箱上的燃料模式轉換鈕，控制箱內的ECU(Electronic Control Unit,電子控制單元)對采集到的柴油機運行參數進行判斷，當運行參數滿足雙燃料工況時，燃氣經功率調節蝶閥進入混合器并在混合器中與空氣混合，隨后經增壓器、中冷器、進氣總管進入燃燒室，在燃燒室內被引燃的柴油燃燒作功并發出指令，使主機調速器控制高壓油泵，減少燃油供應量，達到油氣替代的效果。

在進氣總管上的中冷器與增壓器之間設置安全防爆閥，極端情況下，若進氣總管發生回火現象，則可通過防爆閥泄放壓力，泄放后可自動關閉。防爆閥出口設有火星熄滅裝置。

柴油機安保控制柜內的緊急停車信號被引入到了雙燃料機旁控制箱。當柴油機運行時，若出現滑油壓力低、轉速過大以及淡水溫度高等故障，安保控制柜會報警并自動控制切斷燃氣供應，使柴油機轉入純柴油模式，確保安全。此外，安保控制柜還引入了機艙可燃氣體濃度報警信號。當機艙可燃氣體濃度達到低報警點(20%LEL)時，發出聲光報警；當機艙可燃氣體濃度達到高報警點(40%LEL)時，發出聲光報警并自動停止雙燃料運行模式，轉為純燃油工作狀態，切斷燃氣供應閥，打開放空閥，將管中殘余氣體放空至舷外。

LNG雙套管抽風系統的通風量滿足規范要求，每小時換氣量大于30次，設置風機運行與雙燃料運行的聯鎖，確保系統安全運行。駕駛室設置監視面板，可遠程監視雙燃料系統的運行狀態。

圖3　雙燃料系統原理圖

3.3使用雙燃料柴油機的注意事項

(1) 開機前必須依據柴油機操作手冊檢查柴油機是否達到開機條件，達到開機條件后方可啟動柴油機；

(2) 柴油機必須在機旁啟動，啟動前檢查機旁雙燃料控制柜上的遠程開關是否在機旁位置，檢查機旁雙燃料控制柜控制器電源開關、燃氣電磁閥電源開關和燃油電磁閥電源開關是否在開啟位置，檢查安保柜和機旁雙燃料控制柜的模式轉換開關是否在純柴油位置；

(3) 使用停機開關或緊急停機按鈕后，必須將其復位，否則可能影響下次柴油機啟動；

(4) 安保柜具有參數顯示、故障指示和部分操作功能，但安保的主要作用是實時監測和報警提示，操作功能一般不建議使用(除儲氣罐進、出液控制外)，尤其是緊急停機和動力模塊急停按鈕在非緊急情況時不得使用；

(5) 若使用過安保柜上的緊急停機按鈕，事后必須將其復位，否則可能影響系統的正常使用。

4雙燃料柴油機使用操作

4.1柴油機起動前的準備工作

(1) 按原柴油機使用說明書進行啟動前的常規檢查，特別是檢查柴油機油底殼油位、組合式高壓油泵油位、燃油日用柜及LNG儲罐液位，不足時予以補充；

(2) 檢查柴油機監控儀電源、柴油機機旁控制箱電源和安保柜控制電源，將控制柜面板上的控制器電源開關、燃氣電磁閥開關以及柴油電磁閥開關扳到開位置，確認柴油/雙燃料切換開關在純柴油模式，且機旁遠程切換旋鈕置于遠程位置；

(3) 檢查控制柜顯示屏上各數值顯示是否正常，有無異常報警(檢查參數包括LNG故障、柴油機故障、儲氣罐液位、儲氣罐壓力、燃氣泄漏、火災以及壓縮空氣壓力)；

(4) 根據氣化撬具體操作說明檢查氣化撬設備是否正常，確保達到正常使用條件；

(5) 檢查柴油機燃油、冷卻水各管路閥門是否開啟，開啟氣化撬加熱水循環泵(即廢氣熱水器循環泵)。

4.2啟動柴油機

(1) 開啟LNG雙套管抽風機10 min后，用可燃氣體檢測儀檢測機艙可燃氣體有無泄漏，檢查一切正常后，開啟發動機。

(2) 啟動柴油機運行至合排轉速值后，檢查各部件運轉和監控參數是否正常，柴油機按純柴油模式正常運轉，并將機旁控制柜遠程權限開至遠程。

4.3使用雙燃料操作順序(純柴油→雙燃料運行)

當船舶開始正常航行且需要使用雙燃料時：

(1) 檢查通風系統和氣化撬熱水循環泵；

(2) 熱水溫度達到需要值(40 °C)時，開啟LNG儲罐手動出液閥(V5)(當儲氣罐壓力>0.6 MPa時，可將儲氣罐的氣相閥V1和氣相供氣閥V18打開，保持排液閥V5關閉，使用儲氣罐內氣體；當儲氣罐壓力<0.5 MPa時，切換為液相供氣，此時先打開V5，然后依次關閉V18和V1))、氣動出液閥(V19)以及氣化撬出氣閥，檢查發動機控制系統有無異常報警(檢查參數包括回水溫度、出氣溫度、儲罐液位、儲罐壓力、出氣壓力、燃氣泄漏、火災、抽風機狀態和壓縮空氣)，發動機是否具備使用雙燃料模式的條件(主機轉速達到設定值800 r/min)；

(3) 轉換發動機運行模式開至雙燃料運行模式，此時柴油機便進入雙燃料燃燒運行狀態；

(4) 隨著主機轉速不斷提高，其LNG氣體替代率也逐步上升，當主機轉速達到1 050 r/min(設定值)時，其替代率可達到約60%。

4.4停機操作順序(從雙燃料→純柴油運行)

(1) 在船舶抵達目的港之前的10~20 min將氣相閥V1和氣相供氣閥V18打開，然后關閉LNG儲氣罐手動出液閥(V5)，切換至氣相供氣狀態(此做法的目的是避免儲氣罐至氣化撬之間管路內的LNG液體在停用后因吸熱揮發而造成空排浪費)，在靠港前將安保柜上柴油機運行模式轉為純柴油模式運行；

(2) 關閉LNG儲氣罐手動出液閥(V5)、氣動出液閥(V19)和氣化撬熱水泵；

(3) 柴油機停機，關閉機旁控制柜電源。

5雙燃料系統運行報警參數及控制監控系統簡要說明

雙燃料運行報警參數見表1，控制監控系統包括柴油機監控儀、機旁控制柜和安保控制柜。

1) 柴油機監控儀：主要用來監控柴油機的排氣溫度、冷卻水溫度、機油溫度、機油壓力、轉速等參數。這些參數一旦超過報警設定值，將發出聲光報警；一旦超過停機設定值，將控制發動機自動停機。

2) 機旁控制柜：控制柴油機雙燃料模式的運行，采集柴油機的轉速、各缸排氣溫度信號、油門位置信號、燃氣壓力信號，一旦這些信號超過設定值，將控制柴油機進入純柴油運行狀態。

3) 安保控制柜：采集儲氣罐的壓力、液位信號，一旦超過設定值，將發出聲光報警并顯示報警參數(如儲罐液位低報警，此時需及時加液)；采集氣化撬的各項數據，包括進出水溫度、出氣溫度、壓力、環境溫度，發生報警時可及時切斷供氣，在采集到其他報警信號并發出指令時也會切斷供氣，且顯示屏幕上設有儲氣罐出液自動閥和氣化撬出氣自動閥的控制開關；采集設在機艙內和儲罐區域的燃氣探頭和火災報警器信號，采集到報警信號后可及時將柴油機運行模式轉換為純柴油模式，并切斷氣化撬供氣，氣化撬報警關閉后，只有在處理完故障并復位后才能再次啟動。

表1　雙燃料系統運行報警參數

6系統保養

除船舶柴油機(動力系統)的日常維護保養以外，還應進行以下工作。

1) 檢漏：每周定期檢查氣路是否有漏氣現象。具體檢查方法為:使用礦泉水瓶類容器加少許洗衣粉或洗潔精，然后注水搖勻并涂在氣路接頭連接處，檢查是否有氣泡產生(注意一定是使用泡沫檢查)。若有氣泡產生，說明管路存在漏氣現象，應緩慢擰緊接頭，直到氣泡不再產生;若擰緊動作不能使氣泡消除或氣泡沒有減緩趨勢，則需關閉氣路手動截止閥門、使用純柴油運行，并及時對氣路進行徹底維護，嚴禁存在氣路漏氣現象時運行。注意所有經過泡沫檢查的接頭部位，必須在檢查后用布將所有泡沫擦拭干凈，以免殘留的液體腐蝕零部件(也可采購手持吸入式可燃氣體探測儀進行檢漏)。

2) 清潔：需要清潔船用柴油機時，不可用高壓水槍直接沖洗控制箱、傳感器和噴射系統等有電器線路的產品。

3) 檢查：除了拋錨停機后對系統及氣路各安裝部位連接件緊固狀態進行確認并處理以外，還應定期對連接件進行仔細排查，消除一切隱患。

7結語

根據中國海運(集團)總公司與中國石油天然氣集團公司簽署的《戰略合作協議》，兩公司就LNG代油動力系統在近海航運應用開展合作。根據試點船202 TEU長江航行集裝箱船“浦海211”，對雙燃料動力船的LNG低溫儲罐、燃燒前處理模塊、燃燒系統、監控及安保系統等進行了描述，并對其工作原理、實際操作使用及維修保養進行了介紹，可為雙燃料船的應用提供借鑒。

參考文獻：

[1]庚漢鄖. LNG/柴油雙燃料發動機及燃料管系安全監控系統研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2013.

中圖分類號：U674.92

文獻標志碼：A

Conversion of Vessel PUHAI 211 for Dual Fuel Operation

FuMingchu

(Shanghai Puhai Shipping Co., Ltd, Shanghai 200135, China)

Abstract:The Vessel PUHAI 211 Conversion for dual fuel is performed as the pilot project of developing LNG ship power system for energy saving and emission reduction. This paper details major modules of the dual fuel power system: the LNG cryogenic storage tank, the combustion front processing module, the combustion system, and the monitoring and security system. The working principle, the actual operation and the maintenance of the dual fuel power system are also explained in detail. The experience gained in the pilot project is valuable for developing of LNG powered ships.

Key words:marine energy saving and emission reduction, dual-fuel powered ship, dual-fuel diesel engine, operation instructions, system maintenance