船用LNG 供氣系統控制、監測和安全系統基礎設計

曾小林，丁尚志，李家樂，郭正華，張 暉

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著人類對資源需求的日益增加，天然氣以其發熱量高、潔凈環保成為當今社會的重要能源資源。2009年以來，國家開始推動內河船舶應用LNG 工作，從LNG 港口與碼頭、LNG 水上加注、LNG 船舶、LNG 水運等方面出臺了系列標準和規范，而燃料供氣控制系統是LNG 供氣的核心組成。針對LNG 船具有不同于常規燃料船舶的風險，燃料供氣控制系統集流程控制執行、工作流程監控和安全保護于一體，是實現燃氣供應穩定、設備安全運行的核心，其優劣直接影響到全船的整體性安全。

1 LN G 供氣系統的概述

LNG 供氣系統用于給雙燃料發動機供應燃料，主要由加注站、C型燃料艙、汽化器、緩沖罐等組成，其原理如圖1所示。

圖1 LNG 供氣系統原理圖

LNG 供氣系統主要有加注和供氣2個工況，各工況的工作原理如下。

1）加注工況。加注站與加注方連接，加注方先用氮氣對加注管路吹掃20 s，然后用閃蒸天然氣（Boil Off Gas，BOG）進行預冷；當溫度降到?120℃以下，預冷結束，開始進行LNG 加注。當燃料艙氣相壓力高于0.8 MPa 且溫度高于?130℃時，采用上噴淋進液；當氣相壓力≤0.8 MPa或溫度低于?130℃時,采用下進液。加注結束后，加注方進行殘液吹掃，然后對加注管路進行惰化。

2）供氣工況。水浴汽化器設置在燃料艙連接處所內，將LNG 汽化成壓力、溫度、流量滿足雙燃料發動機要求的CNG（Compressed Natural Gas壓縮天然氣），CNG 經緩沖罐向雙燃料發動機GVU（Gas Valve Unit 氣體閥件單元處所）供氣。自增壓自動維持燃料艙內壓力，保證LNG持續不斷流出燃料艙，維持供氣質量。

2 控制、監測和安全系統硬件設計

2.1 設計原則

控制、監測和安全系統主要目的是保證供氣系統持續、高效、穩定和安全運行，設計時要充分考慮系統獨立性、穩定性、可靠性、功能完善性、控制邏輯合理性和設備、船舶安全性的原則。但控制系統和安全系統功能的側重點不同，控制系統主要側重于工藝流程的控制，而安全系統主要側重設備和船舶的安全防護，減少LNG 泄露等帶來的危害。

2.2 總體結構

控制、監測和安全系統采用基于PLC的分布式控制結構，由于LNG 具有超低溫、易燃、易爆等特點，為了避免受共因故障的影響，控制、監測系統和安全系統完全獨立，控制、監測系統和安全系統所用的PLC控制器、電源、交換機、傳感器和電磁閥等完全獨立，但實現燃料供應的氣動閥不需要重復設置，一個系統的故障不會影響另一個系統的運行；控制、監測和安全系統由主電源和備用電源2路電源供電，任何一路電源故障自動切換到另一路電源供電，且電源切換過程不會影響系統的正常運行；控制、監測系統和安全系統網絡相互獨立且都采用星型拓撲結構，任一系統的網絡故障都不會影響另一系統；控制箱、駕控臺控制面板上都安裝有觸摸屏（HMI），任意一個觸摸屏硬件故障或通訊故障，其功能都能完全由另一個觸摸屏代替，且不影響系統的正常運行。其網絡結構如圖2所示。

圖2 控制、監測和安全系統網絡架構

控制系統和安全系統都是基于羅克韋爾Compact 5370 PLC以太網分布式架構，系統使用靈活、擴展性強，當供氣系統的工藝流程改變或功能需求改變時，只需增加PLC或者遠程I/O 模塊的數量和修改控制程序，而無需改變原系統架構，即可滿足新系統的要求。

觸摸屏（HMI）選用北爾電子X2 pro人機界面，具有2個獨立IP地址的以太網口，觸摸屏和控制系統、安全系統的通訊鏈路完全獨立，任一鏈路故障，都不會影響另一個系統，增強了系統的可靠性和獨立性。

系統內部的通訊協議采用EtherNet/IP，但與可燃氣報警系統間的通訊協議采用Modbus RTU，通訊接口為RS485，與GVU 控制箱、IAS等外部系統的通訊協議采用Modbus TCP，通訊接口為以太網。

2.3 系統組成

控制、監測和安全系統包括控制、監測和安全系統控制箱（以下簡稱控制箱）、駕控臺控制面板，通風風機控制箱、可燃氣體探測系統（可燃氣體控制器和可燃氣體探測器）、火災報警系統（火災報警控制器和感溫、感煙探頭）、加注站監測箱、傳感器等，如圖3所示。

圖3 控制、監測和安全系統組成

控制箱是控制、監測和安全系統的核心，控制系統和安全系統的PLC、電源、交換機和安全柵等都布置在控制箱內。加注監測箱布置在加注站旁，加注作業時方便操作人員查看LNG 燃料艙的溫度、液位和壓力等參數及報警信息。安全系統配置獨立的可燃氣體探測系統和火災報警系統，可燃氣體報警系統和火災報警系統把異常報警信號傳輸給安全系統PLC，觸發安全系統動作?，F場電氣設備依據危險區域的不同，選擇防爆類型合適的電氣設備，防爆類別和溫度組別應不低于IIA，T2，本安型設備要通過安全柵連接到控制箱內的PLC模塊。

3 控制、監測和安全系統軟件設計

3.1 軟件功能

深入了解供氣系統的工藝流程原理是程序設計的基礎，軟件功能即要滿足工藝控制需求，也要滿足船級社規范要求，應具有以下功能：

1）數據采集功能?，F場壓力、溫度、液位和可燃氣體濃度等傳感器信號的采集。

2）顯示功能。實時顯示各工藝流程的狀態、過程數據和報警信息。

3）控制功能。自動/手動控制供氣系統的加注閥組、主供液閥、主供氣閥、透氣閥和互鎖氣體閥等閥門的動作，燃料艙連接處所和GVU 通風風機的啟停。

4）報警聯鎖保護功能。有報警發生時觸發聲光報警，依據不同的報警級別能自動采取相應的安全保護措施。

5）數據記錄和查詢功能。

6）自檢功能?，F場傳感器、PLC、通訊鏈路、ESD 鏈路等能進行自檢，當有故障發生時，能顯示故障信息。

7）參數設置功能。操作人員在權限范圍內修改相應的報警參數，調節工藝控制參數等。

8）加注方ESD 信息處理。

9）操作人員權限管理。

3.2 觸摸屏軟件設計

觸摸屏采用北爾iX Developer 軟件進行組態編程，具有良好的人機交互界面，實時顯示供氣系統的工作狀態、過程數據、數據趨勢、報警信息和歷史報警信息。在手動工況下，操作人員可以手動遠程控制供氣系統上的燃料艙主閥、主氣體燃料閥、互鎖氣體閥和管路透氣閥，風機的啟停，水/乙二醇循環系統的循環泵和加熱器的啟停等，操作人員還可以設置報警值等參數。此外，一些重要的過程數據和報警信息以“.xls”的文件格式存儲到存儲卡，并且數據記錄可導到外部存儲器內，方便操作人員查看和分析數據。以供氣流程為例，供氣流程界面如圖4所示。

圖4 供氣流程界面

3.3 PLC控制程序設計

控制系統PLC控制程序側重于工藝流程的控制，安全系統PLC程序側重于設備和船舶的安全保護，系統邏輯框圖如圖5所示。

控制系統和安全系統PLC程序都采用羅克韋爾Studio 5000軟件進行編程，根據系統邏輯框圖編寫PLC程序。PLC采集現場傳感器信號，并循環執行程序，按邏輯框圖設定條件自動判斷和執行動作，滿足LNG 供氣系統的控制需求。為了保證供氣的連續性和穩定性，設置合理的報警級別，當有故障報警（危害較小的報警）發生時，觸發聲光報警，并且PLC系統進行自調節；當有關斷報警（危害較大的報警）發生時，觸發聲光報警并且PLC系統立即關閉閥門，使供氣系統處于一個安全狀態。

圖5 控制、監測和安全系統邏輯框圖

4 結論

本文在詳細分析LNG 供氣系統加注工況和供氣工況的工藝流程原理的基礎上，采用基于PLC的分布式網絡架構設計控制、監測和安全系統，控制系統和安全系統相互獨立，控制方案設計合理，即滿足了供氣系統工藝流程的控制需求，又提高了供氣系統和船舶的安全性。實際使用證明，該系統符合規范要求，功能完善，具有較高的穩定性和可靠性。