小型LNG船主要電氣系統設計

王有利，豆慶民，紀立帥，趙永玲

（1.大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113；2.中車大連機車車輛有限責任公司，遼寧大連 116022）

小型LNG船主要電氣系統設計

王有利1，豆慶民1，紀立帥1，趙永玲2

（1.大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113；2.中車大連機車車輛有限責任公司，遼寧大連 116022）

文章對大連中遠船務工程有限公司建造的28 000 m3LNG船主要電氣系統進行了簡要介紹，根據LNG船特點，對危險區、液貨控制以及雙燃料發動機控制等主要電氣系統設計進行分析總結，對以后建造類似船舶提供參考。

液化天然氣；危險區；液貨控制；雙燃料發動機

0 引言

小型LNG船在運輸貨物的多選擇性方面具有明顯優勢，由于LNG需要在-163℃的低溫儲存和其他非常苛刻的運輸要求，小型LNG船還可以運輸乙烯、丙烯、丁二烯等石化貨物。隨著中國對LNG能源需求與日俱增，LNG衛星站的建設和碼頭基礎設施產業鏈相關環節不斷成熟和完善，憑借機動靈活，支線調度周轉快，受航道水位和橋梁凈高等條件制約小等特點，小型LNG船擁有非常廣闊的發展前景。

大連中遠船務建造的28 000 m3LNG船為一艘單機單槳、雙燃料主機驅動可調槳推進的運輸液化LNG的氣體運輸船，帶PTO功能，2G型船，屬國際航線，主要航行于中國沿海港口，全船共設三個貨艙，貨艙區為單舷側結構，并設有頂邊艙和底邊艙及雙層底。每個貨艙內設置一個獨立式LNG液貨艙。液貨艙為三個獨立的IMO認可的C型貨罐（雙耳型），設計貨物密度0.50 t/m3，最小設計溫度-163℃，液貨艙設計壓力大約為0.35 MPa（IMO）。入級CCS，滿足液貨部分船級符號要求：CSA LNG Carrier, Type 2G, Type C Independent Tank; Max.Vapour Pressure 0.35MPa; Min.Cargo Temperature -164℃。下面對本船主要電氣系統設計進行分析和總結。

1 危險區劃分[1]

危險區劃分的原則是在某區域出現爆炸性氣體環境和點火源如不可避免，則必須采取措施減少或避免上述兩種情況同時發生的可能，以將爆炸的可能性降到可以接受范圍。劃分危險區的主要目的是為了正確選擇和安裝該區域的電氣設備。在設計初期就應該進行危險區域劃分，以便合理選擇電氣設備。

危險區的定義與可能形成爆炸性氣體環境的物質、釋放源、氣密邊界和通風等因素密切相關。中國船級社根據IEC 60079-10-1出版物《爆炸性氣體環境中的電氣設備》第10-1部分“危險區域劃分”的原則，將船上危險區域劃分為0區、1區和2區。

如圖1所示，本船危險區0區主要包括：液貨艙；污油水艙；以及這些艙的真空管系或其他透氣系統。1區主要包括：包含獨立液貨艙的貨倉處所；毗鄰液貨艙的空倉和壓載艙；液貨艙正上方的圍蔽或半圍蔽處所（壓縮機室）；距離液貨艙艙口、氣體出口、貨物分配閥、法蘭等3 m內的區域；距離提供貨物裝卸、壓載等透氣管向上半徑6 m無限高垂直圓柱，和透氣管向下半徑6 m內的露天甲板區域；裝有貨物軟管或管路的艙室或圍蔽或半圍蔽處所。2區主要包括：距離1區周圍1.5 m內區域；距離提供貨物裝卸.壓載等透氣管向上半徑6 m無限高垂直圓柱和透氣管向下半徑6 m內的露天甲板區域外4 m區域；連續甲板外延3 m，且離甲板高度2.4 m內開敞甲板區域等。

2 液貨控制系統

2.1 系統描述[2]

液貨控制系統主要控制對象包括：液貨艙、液貨泵（深井泵）、甲板罐、燃氣泵、BOG（boil-off gas）壓縮機、乙二醇泵、燃氣緩沖罐、蒸發器、氣液分離罐、氮氣裝置等。液貨艙相關的處理工作主要有：1）卸貨后：除液（掃艙）、暖艙、惰化、透氣。2）裝貨前：干燥、惰化、驅氣、冷卻、裝載。另外還有關于雙燃料主機采用液貨艙蒸發氣，如果蒸發氣不足，要將液貨利用強制蒸發器進行強制蒸發，供主機燃燒。

惰化是指向液貨艙充入惰性氣體保證貨艙的不燃性。惰化和干燥可以同時進行。本船配有一套膜式分子篩選式氮氣發生器，可以產生純度高達98%的氮氣，貨艙干燥后再進行惰化，艙內氣體在惰化中通過透氣桅柱排出船外。

驅氣是在液貨艙冷卻前，需要將艙內的氮氣和蒸發器混合氣體排出液貨艙。

冷卻是指為防止裝載LNG時，超低溫的液體突加的危險，先將液貨艙和管路用少量LNG進行冷卻至-130℃。

裝載時使用岸上的液貨泵，將岸上的LNG輸送到液貨艙，期間液貨艙將產生大量的蒸發氣，利用液相管從岸上向船上輸送蒸發氣，利用氣相管從船上向岸上輸送蒸發氣，這樣來維持液貨艙內壓力平衡。

卸載時利用液貨艙貨油泵將LNG輸送到岸上，蒸發氣返回液貨艙或強制蒸發LNG，維持液貨罐內壓力平衡。

2.2 電氣控制系統

液貨控制電氣部分主要包括：貨物控制報警板、電腦監控系統、貨物配電板、液貨測量系統、燃氣監控站。如圖2所示。

1）貨物控制報警板CAB（cargo control and alarmboard）

貨物控制報警板由兩套獨立的UPS供電，兩套CPU提供雙冗余控制。壓力、溫度、液位、流量等信號通過I/O模塊采集輸入到CPU。跟安全相關的應急停止、火警探測、溢流液位信號通過硬線連接到CPU。應急切斷采用常閉點并帶有回路監測功能，如果貨物配電板放在危險區，那么應急切斷不僅要切斷主電源，而且要切斷配電板的控制回路。

2）電腦監控系統

電腦監控系統通過以太網與貨物控制板相連，包括貨控室操作電腦、駕駛室監控電腦、集控室燃氣監測電腦、貨控室液位監測電腦。電腦配有不間斷電源，并通過獨立的以太網線與PLC相連，一臺電腦故障不影響另一臺電腦的正常工作。同時可以通過打印機將電腦屏幕顯示內容打印出來，也可以通過USB將所需信息拷貝出來。

3）貨物配電板

貨物配電板由主配電板供電，主要給貨油深井泵、乙二醇泵、BOG壓縮機、燃氣泵等貨物操作相關負載供電，分兩個部分雙冗余控制，以確保其中一個故障而另一個可以繼續為貨物操作負載供電。每個配電板內部控制模塊（由貨物控制報警板控制）通過Profibus Line與貨物控制報警板CAB相連。應急切斷時，切掉負載供電電源，同時關斷貨物控制板的控制電源。

4）液貨測量系統

由雷達式探頭組成的液貨測量系統，輔助壓力，溫度探測，全面監控液貨罐貨物狀態，探測信息由貨控室的電腦集中顯示，并可以打印輸出。

5）燃氣監控站

在集控室放置帶觸摸屏控制板，并與貨物控制報警板通過以太網連接，用來監控燃氣生產狀況，包括燃氣流量、溫度等，并提供報警功能。

3 雙燃料發動機控制系統[3]

3.1 系統概述

本船主機采用W?rtsil? 9L50DF雙燃料發動機，主機通過高彈聯軸器和齒輪箱驅動可調螺距螺旋槳，通過調節螺旋槳螺距改變推力推動船舶前進。

該主機有三種操作模式（見圖3）：燃氣操作模式、燃油操作模式和備用操作模式。正常運轉時，達到一定負荷后，主機可在燃氣、燃油兩種操作模式下隨意切換。當燃氣模式出現故障時，主機將自動切換到燃油模式。

1）燃氣操作模式

使用低壓燃氣作為主要燃料，由于燃氣不易壓燃，需要噴射少量的燃油（輕柴油）點火。燃氣和點火油噴射的量通過共軌系統上的電磁閥控制。由于燃氣在低負荷下燃燒不穩定，通常主機在燃油模式下起動，待達到10%額定功率后再切換到燃氣模式。

2）燃油操作模式

僅以燃油作為燃料，使用傳統的高壓油泵將燃料噴入氣缸內。在此模式下，為保證點火油嘴的清潔，點火油同時工作。

3）備用操作模式

在某些緊急情況下，控制系統會自動將主機切換到此模式，與燃油模式相同，此模式僅以燃油作為燃料，使用傳統的高壓油泵將燃料噴入氣缸內。但不同的是，在此模式下，點火油不工作。通常此模式連續操作的最大時間不得超過30 min。

3.2 燃氣模式控制系統

燃氣模式是該主機的主要特征，正常情況下，本船由該模式下航行。

主機的燃氣有兩種方式：一種是液貨罐蒸發氣經氣液分離后，進入BOG壓縮機后，再經過燃氣加熱器加熱至主機要求的溫度，進入緩沖罐穩壓，供給主機燃燒。另一種方式是當蒸發氣小于主機消耗值，則通過甲板罐的燃氣泵從甲板罐抽吸LNG至燃氣蒸發器進行強制蒸發，進入緩沖罐后輸送至主機燃燒。

主機燃氣閥單元GVU由手動截止閥、燃氣濾器、聯鎖氣體閥、燃氣壓力調節閥、透氣閥組成整體布置在氣密罩殼內，放置在主機進氣口10 cm以內。

3.3 電氣控制系統

該主機電氣控制系統包括控制、監測和自動安全功能。配備一套分散式內置電子控制點火管理系統，來控制燃氣或燃油點火注射以及主機起停、速度控制和安全保護。系統靠各物理模塊通過CAN協議總線連接。系統總框圖如圖4所示。

MCM主控制模塊處理所有邏輯控制功能，如主機起停、速度和負荷控制。IOM為輸入和輸出模塊；ESM為主機安全模塊；LCP為本地控制模塊；LDU為本地顯示單元；PDM為動力分配模塊；CCM為氣缸控制模塊。

4 結論

IMO海上環境保護委員會第70屆會議已經決定到2020年船舶燃油含硫量必須低于0.5%，其中進入波羅的海、北海和北美沿海水域、加勒比海設立的排放控制區（簡稱：ECA）的船舶，2015年其燃油含硫量必須低于0.1%，NOX排放到2016年進入ECA的船舶全部實施NOXTier III標準，以及船舶能效設計指數（EEDI）相關要求。

天然氣燃燒后的廢氣中幾乎不含SOX和雜質，廢氣不用處理就能直接滿足IMO關于SOX和顆粒的排放標準，能減少15%～20%的CO2排放，從而進一步降低EEDI指數，提高能源效率。

因此，作為清潔能源的天然氣應用會越來越廣泛，包括天然氣運輸以及以天然氣為動力的船舶前景會非常廣闊。

[1]中國船級社.液貨船危險區域劃分和電氣配備指南[M].北京： 人民交通出版社, 2010.

[2]李興軍, 高振宇.小型LNG船的液貨處理流程簡析[J].船海工程, 2014,43： 103-106.

[3]瓦錫蘭中國有限公司.Installation Planning Instructions for 9L50DF[S].2014.

Main Electric System Design for Small LNG Ship

WANG Youli1, DOU Qingmin1, JI Lishuai1, ZHAO Yongling2
(1.COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China; 2.CRRC Dalian Co., Ltd., Liaoning Dalian 116022,China )

The article gives a brief introduction for the main electric system on the 28 000 m3 LNG ship,which is built by COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd.According to the features of LNG ship, the summary analysis is given for main electric system design in the dangerous area, liquefied cargo control and dual-fuel engine control.It can provide reference for the construction of similar ship in the future.

liquefied natural gas; dangerous area; liquefied cargo control; dual- fuel engine

U674.38+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.003

王有利（1977—），男，工程師，研究方向：船舶電氣。