LNG-柴油雙燃料發動機安全監控系統研制

李煜輝+杜茂+張謙益+潘志翔

摘要：根據CCS（中國船級社）頒布的有關對混合燃料發動機的要求和規范，本安全監控主要功能包括有：對混合燃料發動機供氣系統、發動機艙室的實時狀態以及混合燃料發動機的工作狀態進行實時連續的監測，并且能夠根據本系統監測到的數據相應判斷混合燃料發動機整個系統的安全故障問題，從而根據監測到的故障問題采用相應措施處理。

關鍵詞：LNG雙燃料發動機安全監控系統

相比CNG（Compressed NaturalGas，壓縮天然氣），LNG不再是將天然氣壓縮在200個大氣壓的儲氣瓶里，有著破裂時爆炸的危險，其安全性相對較高。但是經過對LNG理化性質與發動機運行環境安全性的分析后發現，LNG作為發動機燃料的應用過程中依然存在著低溫、泄漏與燃燒爆炸等方面的安全隱患。因此，使用科學的方法對雙燃料船舶的機艙以及燃料艙進行安全性研究，對預防和降低危險具有十分重要的現實意義。

本文以LNG理化性質和CCS所頒布的關于雙燃料船舶規范為依據，著重從LNG實際應用中存在的低溫、泄漏以及燃燒爆炸等安全隱患入手，基于實際雙燃料發動機臺架，對雙燃料船舶中LNG從儲藏到供給再到主機消耗等方面可能出現的危險環節進行科學分析，并以此為依據從供氣、艙室環境以及主機運行等方面設計了一套較為完善的安全監控系統，實現了對LNG-柴油雙燃料發動機實際工作時的監測與故障報警。

LNG燃料安全性分析

1、LNG理化性質

LNG采用超低溫儲藏，在一個大氣壓下溫度達到-162℃，真正作為發動機燃料時，氣化后的LNG對于發動機燃燒室的燃燒效果有著重要影響，所以在實際應用中，對于氣化后LNG溫度的監測是重要的一個環節。天然氣的自燃溫度為645℃，其可燃濃度下限是5%（與空氣的濃度比），著火點與可燃濃度點較低，當LNG瓶碰撞、傾倒等事故時，溫度會急劇升高，在通風較差的場所遇明火可能自燃起火甚至爆炸。天然氣在標準狀況下為氣態，而且甲燒的分子量為16，遠小于空氣，當LNG儲氣瓶發生意外造成泄漏時，天然氣會迅速向上擴散，不易聚集在地面。這一特性也決定了對于LNG泄漏的監控設備一般安裝于艙室中LNG設備的上方。

作為船舶發動機燃料時，發動機艙室與LNG儲藏室一般處于封閉空間，有可能出現低溫、泄露甚至爆炸等安全問題。

2、CCS相關規范要求

CCS（中國船級社）所頒布的《雙燃料發動機系統設計和安裝指南》、《氣體燃料動力船檢驗指南》、《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》對混合燃料發動機的設計、安裝以及運行有著如下要求：①能夠對氣罐、熱交換器、氣體燃料發動機進行實時監測，發生任何故障可以在駕駛室或者機艙控制室產生視覺和聽覺報警。②能夠對氣罐處所、發動機處所等可能產生可燃氣體泄露和聚集的其他處所進行連續的氣體探測。③能夠對氣體燃料供應系統進行實時監控，并且對監測到的故障采取相應措施處理。④能夠對混合燃料發動機進行實時監控，并且對監測到的故障采取相應措施處理。⑤符合國家、行業及船級社的標準、規范要求。

3、雙燃料發動機臺架

發動機臺架依據真實船舶發動機布局設置，分為燃料室、機艙室以及駕駛室。LNG-柴油混合燃料發動機臺架系統構成如下圖1所示。

依據LNG理化性質、CCS規范要求以及現場發動機臺架系統布置，確定安全監控系統所要監控的內容分為三個部分：LNG儲氣與供氣：儲氣罐供氣異常、儲氣室（氣棚）環境溫度過高、儲氣室（氣棚）天然氣泄漏、儲氣室（氣棚）失火、天然氣供應管內低壓、氣化器出口管路氣體低溫、氣化器介質低溫；該監測報警主要是針對LNG儲氣與供氣的安全性；機艙環境：機械通風機故障、機艙室火災、機艙室天然氣泄漏。該監測報警主要是針對發動機運行環境的安全性；主機運行：轉速波動率太高、曲軸箱天然氣泄漏、單缸排氣溫度高以及單缸排氣溫度和平均排氣溫度偏差大。該監測報警主要是針對發動機運行的安全性。

監控系統總體設計

根據上述安全監控系統確定內容與思路，本安全監控系統分別對LNG儲氣與供氣、發動機艙室環境以及發動機運行狀態三個方面進行了如下設計：

1、LNG儲氣與供氣

針對LNG供應系統上存在的安全隱患，分別從儲氣罐及汽化器、儲氣室環境以及供氣管路三個部分對LNG儲氣與供氣系統進行設計。

1.1儲氣罐及汽化器監測設計

LNG儲氣罐設有液位及壓力監測與顯示儀，實時監測顯示儲氣罐中的LNG液位與壓力。

在汽化器安全監測方面設計有溫度傳感器，分別對汽化器介質以及汽化后燃氣的溫度進行實時監測，以防可能出現的溫度異常影響LNG汽化而無法滿足工作要求。傳感器安裝如下圖2所示。

1.2儲氣室環境

儲氣室環境的安全直接影響著供氣系統的穩定性以及人員安全。在儲氣室（氣棚）內安裝有可燃氣體探測器、火焰探測器以及環境溫度傳感器，實時監測LNG儲藏罐的環境的安全。傳感器安裝如下圖3所示。

1.3供氣管路安全設計

供氣管路在整個系統中起著重要作用：一方面是系統重要的監測對象，另一方面又是系統主要的執行操作對象。對于供氣管路的監控設計如下：①采用壓力傳感器對管路中燃氣壓力進行實時監測。②在天然氣供應管系上安裝互鎖切斷閥，作為系統緊急情況的執行輸出。互鎖閥由四個閥件組成，其中三個串聯安裝在天然氣供應主管系上的閥在出現故障時自動閉合切斷燃氣供應，另外一個通氣閥在出現故障時自動打開以便于燃氣的擴散。

2、機艙環境安全監測設計

機艙環境直接影響著發動機的運行以及操作人員的安全性，本系統在機艙頂部安裝有可燃氣體探測器以及煙霧探測器，針對可能出現的意外燃氣泄漏甚至火災。同時系統對艙室的風機運轉情況進行實時監測，以應對可能出現的風機故障。

3、主機運行安全監測設計

排溫和轉速是判斷發動機是否正常運行的重要參數，根據監控數據能夠便于對發動機工作狀態有清楚的判斷。本文設計的安全監控系統對發動機單缸及總管排氣溫度以及發動機轉速進行實時監控，同時在曲軸箱透氣管內安裝燃氣探測器，實時監測曲軸箱的燃氣濃度。本文改裝的發動機如下圖4所示。

4、系統總體設計布置圖

安全監控系統總體設計布置圖如下圖5所示。

系統功能流程

依據設計規范與系統方案，安全監控系統軟件功能流程如下圖6所示。

如上圖所示，安全監控系統工作流程為：

上電自檢：系統進行自檢，如有故障立即報警，否則進行第二步，信息采集。

信息采集：通過傳感器信號以及通訊[7]等方式將信息采集到處理器部分，進行第三步，信息處理。

信息處理：將采集到的信息進行處理并進行判斷，若判斷安全，則繼續采集信息，否則，執行報警及相關動作。

報警及動作：系統判斷為故障或危險狀態，進行報警并采取措施。

安全監控系統聯調測試

本文設計的安全監控系統已經完成實際系統的搭建與調試，各項功能完全滿足設計要求，通過了驗收并且工作正常。

柴油-LNG混合燃料船舶作為一種新型船舶，LNG特殊的理化性質使其比其他船舶更具有特殊性。船舶運營的安全與效率主要是由船舶的心臟（機艙）的運行狀況以及LNG燃料儲藏的安全性所決定。本文立足于LNG理化性質和CCS所頒布的關于雙燃料船舶規范，以LNG作為發動機燃料的實際應用中存在的低溫、泄漏以及燃燒爆炸等安全隱患為監控要點，基于實際雙燃料發動機臺架設計了一套較為完善的安全監控系統，實現了對LNG-柴油雙燃料發動機從供氣到主機運行等方面的監測與故障報警，并最終通過了試驗與測試，為LNG-柴油雙燃料發動機安全監控系統的設計提供一種可行的思路與方案。

參考文獻：

[1]王卿權.LNG動力船舶燃料罐火災、爆炸事故后果數值研究[D].大連海事大學，2014.

[2] CCS（中國船級社）.雙燃料發動機系統設計與安裝指南[S].上海：中國船級社上海規范研究所，2007.

[3] CCS（中國船級社）.氣體燃料動力船檢驗指南[S].北京：中國船級社，2011.

[4] CCS（中國船級社）.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范[S].北京：中國船級社，2012.

[5]李德召.LNG/柴油雙燃料動力系統安全監控系統設計[D].武漢：武漢理工大學動力工程系，2014.

[6]趙景波.零基礎學西門子S7-200PLC[M].北京：機械工業出版社，2010.

[7]許波.Modbus通信協議的研究與實現[D].安徽大學，2010.（作者單位：武漢理工大學）