大型雙燃料散貨船LNG燃氣供應系統(tǒng)電氣設計

曹征宇，王怡，李昱鵬

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

隨著國際海事組織(IMO)對船舶污染物排放要求的日益嚴格，液化天然氣燃料(LNG)已成為國際船舶未來主要替代燃料之一。使用LNG作為清潔燃料，基本完全消除了硫氧化物和顆粒物的排放，氮氧化物排放量減少了85%～90%，二氧化碳排放量減少了20%～30%。隨著船用燃氣供應系統(tǒng)的技術迅速發(fā)展，LNG系統(tǒng)的設備投資成本相應下降，越來越多的船東下單建造LNG作為燃料的大型遠洋貨船。但在雙燃料供氣系統(tǒng)應用中還會遇到許多與用氣設備控制接口問題，以及考慮系統(tǒng)使用安全的特殊設計。為此，以全球首艘20萬t級紐卡斯爾雙燃料散貨船為例，分析供氣系統(tǒng)與雙燃料用戶之間的控制接口，分析供氣安全相關系統(tǒng)設計的關鍵點。

1 大型雙燃料散貨船供氣系統(tǒng)介紹

LNG燃氣供應系統(tǒng)的主要功能是將船舶上LNG燃料艙內(nèi)存儲的LNG通過加壓、氣化和加熱等步驟，將滿足用戶壓力和溫度要求的燃氣供給船舶雙燃料主機、發(fā)電機和鍋爐等用氣設備。LNG燃氣供應系統(tǒng)通常包含了LNG加注系統(tǒng)、LNG存儲系統(tǒng)、LNG處理系統(tǒng)以及相應的控制和安全等系統(tǒng)。

所述大型雙燃料散貨船配置了1臺德國曼恩公司(MAN-ES)的雙燃料高壓主機、3臺雙燃料中速發(fā)動機組成的船舶電站及1臺雙燃料組合鍋爐。主機燃氣壓力高達30 MPa，配套的為高壓供氣系統(tǒng)；而雙燃料發(fā)電機供氣壓力為0.6～0.9 MPa，雙燃料鍋爐的供氣壓力為0.4～0.6 MPa，為其配套的為低壓供氣系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)原理見圖1。液態(tài)LNG通過LNG供給泵從LNG燃料艙內(nèi)輸出，一路經(jīng)高壓泵氣化單元(pump vaporizer unit,PVU)供向主機，另一路經(jīng)LNG低壓氣化加熱器至發(fā)電機和鍋爐。

圖1 供氣系統(tǒng)原理

LNG燃料艙中儲存著低溫液態(tài)的LNG，由于燃料艙內(nèi)外壁的溫差較大，在航行過程中隨著環(huán)境溫度和壓力的變化，LNG在燃料艙內(nèi)不可避免地會產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，氣化后產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(boil off gas,BOG)會增加艙內(nèi)的壓力。當LNG燃料艙內(nèi)壓力增大時，可能對罐體結構造成損壞從而進一步產(chǎn)生爆炸等危險。因此，本船還配備低壓BOG壓縮機將BOG輸送給雙燃料發(fā)電機和鍋爐使用。

2 供氣及用氣設備控制接口設計

2.1 PVU與雙燃料主機控制系統(tǒng)接口

高壓系統(tǒng)采用MAN-ES的PVU，由于PVU具有獨立的控制系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)與雙燃料主機的控制接口就轉(zhuǎn)變成PVU控制系統(tǒng)與主機控制系統(tǒng)的接口，PVU根據(jù)主機控制系統(tǒng)的要求為主機提供一定流量和壓力的燃氣。控制原理見圖2。

圖2 PVU與主機控制系統(tǒng)燃氣壓力控制原理

當主機運行在燃氣模式時，主機控制系統(tǒng)會接收到主機遙控的命令，主機控制系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換成主機所需的供氣壓力信號發(fā)送給PVU控制系統(tǒng)，PVU根據(jù)主機所需供氣壓力調(diào)節(jié)PVU的排量，當供氣量與耗氣量相當時，管路里的壓力值恒定。如果主機耗氣量增加，壓力值降低，PVU控制系統(tǒng)監(jiān)測到壓力降低會增加PVU泵的排量使壓力回到設定值，反之亦然。為了提高PVU的瞬態(tài)響應能力，主機控制系統(tǒng)還會反饋給PVU控制系統(tǒng)實際燃氣負荷信號。當PVU供氣流量受限時，會將信號發(fā)送給主機控制系統(tǒng)，主機控制系統(tǒng)會將用氣量控制在限定值以下，負荷不夠的部分噴射燃油來補充。

2.2 雙燃料發(fā)電機控制系統(tǒng)接口

發(fā)電機的控制主要有就地操作和遠程遙控兩種模式，發(fā)電機本體上的就地控制板實現(xiàn)就地操作，遠程遙控可以通過監(jiān)測報警系統(tǒng)或主配電板得以實現(xiàn)。操控內(nèi)容包括選擇發(fā)電機的運行模式，油模式或氣模式、調(diào)速、起動和停止發(fā)電機運行。該船使用的雙燃料發(fā)電機與常規(guī)發(fā)電機控制系統(tǒng)相比增加了輔助控制屏，其功能是控制燃氣閥組、冷卻水系統(tǒng)的閥，以及與其他船用系統(tǒng)的電氣連接，如船舶監(jiān)測系統(tǒng)、主配電板、電站管理、供氣系統(tǒng)、氣體探測系統(tǒng)等。輔助控制屏也支持通過通訊口與船舶監(jiān)測報警系統(tǒng)連接，可以在監(jiān)測報警系統(tǒng)中進行發(fā)電機控制和所有參數(shù)監(jiān)控。雙燃料發(fā)電機輔助控制屏外部接口見圖3。

圖3 雙燃料發(fā)電機輔助控制屏外部接口

2.3 供氣系統(tǒng)與雙燃料鍋爐控制系統(tǒng)接口

根據(jù)《使用氣體或其它低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》IGF Code的規(guī)定，BOG的處理方式有4種：①蒸汽的再液化；②蒸汽的熱氧化(供給雙燃料用氣設備使用)；③LNG燃料艙壓力積聚(艙自持能力)；④液化氣體燃料冷卻(LNG加注)。本船從經(jīng)濟的角度選擇將BOG 供給雙燃料發(fā)電機和雙燃料鍋爐使用。雖然能夠滿足IGF Code 要求，即能使燃料艙的壓力保持在燃料艙壓力釋放閥的設定壓力以下，至少維持15 d。但由于實際運營中有滯港等意外情況，有可能超過設計壓力，本船除了依靠燃料艙自身自持能力，還增加了雙燃料鍋爐BOG模式來處理多余的BOG。

為防止BOG的浪費而造成經(jīng)濟損失，鍋爐設定了2檔BOG運行模式，因為本項目燃料艙設計壓力為0.4 MPa，設定燃料艙壓力達到0.3 MPa時，鍋爐的BOG模式自動啟動，供氣系統(tǒng)通過BOG壓縮機將BOG 輸送到鍋爐燃燒，此時產(chǎn)生大量蒸汽，用戶消耗不掉，多余的蒸汽泄放至機艙大氣冷凝器，但此工況鍋爐的燃氣閥并沒有全部打開，當燃料艙壓力降到0.25 MPa，鍋爐自動停止BOG mode，鍋爐將恢復根據(jù)用戶所需的蒸汽量產(chǎn)生蒸汽。只有當燃料艙壓力繼續(xù)上升達到0.33 MPa時，鍋爐的燃氣閥才會全部打開，鍋爐將以最大能力產(chǎn)生蒸汽。鍋爐BOG模式控制流程見圖4。

圖4 鍋爐BOG模式控制流程

3 供氣安全相關系統(tǒng)設計

LNG燃料以極低溫度(-160 ℃)儲存于船上，一旦泄漏會在很短的時間內(nèi)沸騰汽化，并與周圍空氣混合形成白煙，稀釋受熱后與空氣混合形成爆炸性混合物，極易導致火災或產(chǎn)生爆炸。為保證雙燃料船舶的使用安全必須增加供氣安全相關的系統(tǒng)，包括氣體探測、火災探測、燃氣通風、緊急切斷、船岸應急切斷等系統(tǒng)。

3.1 氣體探測系統(tǒng)

IGF規(guī)定在燃料艙接頭處所、燃料準備間、用氣裝置的機艙處所、通風管內(nèi)、加注站等位置均應安裝固定式氣體探測器，當可燃氣體探測器探測到可燃氣體濃度達到20%LEL時，應觸發(fā)聲光報警，可燃氣體濃度達到40%LEL時，應觸發(fā)安全系統(tǒng)動作。對于含有氣體燃料發(fā)動機的機器處所內(nèi)的雙壁管，報警限值可設定在30%LEL。機器處所內(nèi)2個探測器探測到可燃氣體濃度達到60%LEL時，應觸發(fā)安全系統(tǒng)。可燃氣體探測裝置的聲光報警應布置在駕駛室或連續(xù)有人值班的集控室。此外，采用自檢式氣體探測系統(tǒng)，根據(jù)IGF規(guī)范要求，若氣體探頭具備自檢功能，則同意探測位置允許只安裝一個氣體探頭。

由于該船燃料艙、加注站布置在開敞甲板，不會產(chǎn)生可燃氣體積聚，可以不設固定式氣體探測。但風險評估時還是建議安裝氣體探測。另外根據(jù)風險評估的意見，本項目燃料罐布置在開敞甲板，上建和機艙進風口增加氣體探測傳感器。

氣體探測主控箱布置在集控室，復示器布置在駕駛室，且與供氣系統(tǒng)有通信和硬線連接，實現(xiàn)報警延伸功能和應急切斷功能。

3.2 燃氣相關火警系統(tǒng)

IGF規(guī)范要求氣體燃料發(fā)動機機器處所和獨立燃料艙的燃料艙處所內(nèi)要設置火災探測的安全動作。一般先報警，人為判斷后采取安全措施。為了滿足快速探火，火警探頭需要感煙和感溫兩種形式。由于該船燃料艙布置在開敞甲板，只需要在燃料準備間增加火警探頭，機艙內(nèi)可以借用原來的機艙火警探頭。由于該船采用的火警系統(tǒng)是非尋址式的，燃料準備間火警探頭是單獨一個回路，火警信號能單獨送出至供氣系統(tǒng)。雙燃料主機、發(fā)電機、鍋爐都布置在機艙，其上方的火警探頭屬于同一回路，不能辨識具體的著火設備，因此只能送出機艙火警信號給供氣系統(tǒng)，人工判斷切斷相應的用氣負荷的燃料供應。

3.3 燃氣系統(tǒng)通風控制

該船機艙設計為本質(zhì)安全型。IGF規(guī)定對氣體安全機器處所內(nèi)雙壁管，氣體燃料管與外層通風管應設有負壓機械通風，并且具有每小時至少換氣30次的通風能力。當通風失效時自動切斷燃料供應，并在駕駛室或有人值班的集控站發(fā)出報警。海上安全委員會(MSC)通函1605對雙壁管通風失效作出了統(tǒng)一解釋，2019年7月1日以后簽署建造合同的船可以用以下3種方式之一監(jiān)測通風失效：①監(jiān)測風機運行狀態(tài)以及失壓指示；②監(jiān)測風機運行狀態(tài)以及風流量指示；③監(jiān)測實時的風量。

為了避免由于風機的故障造成切斷燃氣供應的大事故，該船采用冗余設計，在主機雙壁管、3臺發(fā)電機雙壁管、鍋爐雙壁管和燃氣處理間各配備2臺100%容量的抽風機，通風管內(nèi)各配了1個流量開關。只有當2臺風機都發(fā)生故障，同時流量開關風量低才會自動切斷相應用氣設備的燃料供應主閥。

燃氣處理間通風失效將自動切斷所有用氣設備主閥和所有燃料艙罐的主閥和泵。主機、發(fā)電機和鍋爐雙壁管通風失效將自動切斷相對應的供氣主閥。實船中由于燃氣準備間排風口正對燃料艙，根據(jù)IGF Code防火要求面向燃料艙的艙壁必須保持A60的完整性，因此增加了A60的遙控風閘。風閘與風機聯(lián)鎖，只有風機運行時才打開風閘。

考慮使用方便，雙壁管風可以從就地組合起動器就地控制，也可從集控室監(jiān)測報警工作站遙控。通風失效信號由風機組合起動器輸出給供氣系統(tǒng)安全控制箱切斷對應用戶的燃料供應。

MAN主機雙壁管通風有獨立的控制系統(tǒng)，但雙壁管風機和起動器是船廠提供。MAN的控制系統(tǒng)需要輸入雙壁管流量開關、壓力開關和氣體探測等信號綜合判斷。當主機雙壁管氣體濃度大于30%會送出報警信號；當主機雙壁管通風失效或氣體濃度大于60%，切斷主機GVU進氣閥。由于該船供氣系統(tǒng)在主機GVU之前有一個供主機燃料的主閥，也需要主機雙壁管通風失效的信號和主機雙壁管氣體濃度高來關斷主閥，MAN的主機控制系統(tǒng)不能送出通風失效或氣體濃度大于60%信號給供氣控制系統(tǒng)，傳感器不能合用，所以在主機通風管內(nèi)又增加了一個風量開關和氣體探測傳感器給供氣系統(tǒng)使用。

3.4 供氣系統(tǒng)緊急關斷

雙燃料動力船供氣系統(tǒng)緊急關斷的主要目的是保護人員和船舶設備的安全，將事故的損失限制到最低。當該系統(tǒng)接收到危險報警信號，通過預先設定的邏輯判斷程序自動或手動地對船上相應的設備或系統(tǒng)進行關斷，以保證人員和設備的安全。

引起供氣系統(tǒng)緊急關斷的原因主要有手動應急切斷按鈕、火警報警、氣體探測濃度高、通風失效、加氣站泄漏、液罐艙泄漏、液罐艙液位高、壓力高、燃氣準備間泄漏、乙二醇水系統(tǒng)故障以及用氣設備故障等。

緊急關斷系統(tǒng)設計的基本原則：某一級別的關斷不能引起較高級別的關斷，只能啟動本級或所有較低級別的關斷。本項目緊急關斷系統(tǒng)由高到低分為0、1、2三個等級。

0級關斷為最高級別，能通過集控室、駕駛室和消防控制站的應急切斷按鈕和火警信號觸發(fā)。能同時關斷布置在左右舷加注站、1號2號燃料艙、燃氣準備間的閥、供氣系統(tǒng)所有的泵、BOG壓縮機以及用氣設備的主閥。

1級關斷是關斷1號2號燃料艙、燃氣準備間的閥和泵、BOG壓縮機和用氣設備的主閥。除了能通過0級切斷觸發(fā)，還可由下列條件觸發(fā)：

1)布置燃氣準備間門口的應急切斷按鈕。

2)燃氣探測系統(tǒng)探測到燃氣準備間、機艙進風口、乙二醇水箱透氣管和機艙氣體濃度高。

3)燃氣準備間通風失效。

4)燃氣準備間泄漏。

5)燃料艙壓力低低。

2級關斷級別最低，根據(jù)區(qū)域和功能分為左右舷加氣站的閥門、左右燃料艙閥和LNG泵、主機供氣主閥和PVU泵、發(fā)電機供氣主閥，以及鍋爐供氣主閥。2級關斷可由0級1級關斷觸發(fā)，也可由具體的報警觸發(fā)。

3.5 船岸應急切斷

IGF規(guī)范對加注系統(tǒng)的要求設置1套船岸連接系統(tǒng)，以實現(xiàn)與加注方的自動和手動ESD通信。

船岸連接有光纖、電氣和氣動三種連接方式，根據(jù)ISO28640(2010石油和天然氣工業(yè)-液化天然氣用設備和設施-自船至岸上的分界面和港口作業(yè)標準)的建議，為LNG傳輸提供兩種安全連接方式。本項目選擇電氣連接作為主要連接，氣動連接作為備用。船岸應急切斷系統(tǒng)主控柜布置在集控室便于操控，左右舷接線箱布置在加氣站，并配有報警燈鈴，見圖5。

圖5 船岸應急切斷系統(tǒng)原理示意