船舶雙燃料發(fā)動機LNG供氣系統(tǒng)模擬仿真技術應用研究

崔錦泉，周 偉，王智磊，王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101)

0 引 言

隨著海洋環(huán)境保護意識逐漸提高，對于船舶排放要求越發(fā)嚴格。國際海事組織頒布了一系列有關船舶排放的防污公約，對于氮氧化合物及硫氧化物等污染物制定了詳細的排放標準。根據(jù)國際海事組織頒布的《MARPOL 73/78》附則Ⅵ中的規(guī)定：2020年后，對于船用低速機，在排放非控制區(qū)，氮氧化物排放限值為14.4 g/kW·h，硫氧化物排放限值為0.5% m/m；在ECA區(qū)（排放限制區(qū)），氮氧化物排放限值為3.4 g/kW·h，硫氧化物排放限值為0.1% m/m?，F(xiàn)有的SCR（選擇性催化還原技術）系統(tǒng)、EGR（廢氣再循環(huán)）系統(tǒng)以及EGSC（船舶廢氣清洗系統(tǒng)）等尾氣后處理技術已經(jīng)很難滿足公約的要求，船舶動力市場逐漸趨向于清潔能源的開發(fā)與利用。液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）作為一種清潔型綠色能源，主要組分是甲烷，還有少量的乙烷和丙烷等碳氫化合物，燃燒后轉化為HO 和CO，被譽為地球上最干凈的化石能源，非常適合替代石油等化石燃料成為發(fā)動機的主要能源。面對船舶市場對于清潔能源動力供應的需求，針對船舶雙燃料發(fā)動機，需配置相應的LNG供氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)工藝流程復雜，且要具備高穩(wěn)定性和安全性。在雙燃料發(fā)動機供氣系統(tǒng)研發(fā)進程中，借助計算機模擬仿真技術，開發(fā)出與LNG供氣系統(tǒng)全面鏡像的模擬仿真系統(tǒng)。該模擬仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了LNG供氣系統(tǒng)全物理量、機電對象的過程模擬，同時完成從產(chǎn)品設計到工程組態(tài)的全數(shù)字化方案，形成基于數(shù)字化技術的供氣系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，對工藝設計參數(shù)及自動化控制策略的合理性進行提前驗證。

1 模擬仿真技術開發(fā)

船舶供氣系統(tǒng)主要由加注站、儲罐、BOG（boiled of gas）處理單元以及蒸發(fā)加熱單元構成，主要供氣工況為：低溫LNG經(jīng)加注站注入儲罐中，再由儲罐內潛液泵泵出，經(jīng)蒸發(fā)加熱單元處理后，變至一定壓力和溫度范圍內的NG氣體，供給主機、發(fā)電機和鍋爐燃燒使用。供氣系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 供氣系統(tǒng)工藝流程簡圖Fig. 1 Process flow diagram of gas supply system

根據(jù)供氣系統(tǒng)工藝流程圖設計方案，運用多物理量系統(tǒng)仿真軟件Amesim、自動化接口軟件Automation Connect、機電一體化仿真軟件NX MCD及自動化仿真軟件Portal等，創(chuàng)建出三維模型、多物理量模型等工藝模型和自動化系統(tǒng)電氣模型，通過仿真接口連接，搭建整個系統(tǒng)的數(shù)字化模擬仿真系統(tǒng)，用于驗證供氣系統(tǒng)工藝流程的邏輯性及穩(wěn)定性，整個系統(tǒng)的軟硬件構成如圖2所示。

圖2 模擬仿真系統(tǒng)軟硬件構成Fig. 2 Software and hardware composition of simulation system

1.1 創(chuàng)建供氣系統(tǒng)物理和運行學模型

根據(jù)供氣系統(tǒng)工藝流程圖設備需求，運用三維設計軟件NX繪制供氣系統(tǒng)中每一個設備元件，包括儲罐、潛液泵、壓縮機和閥門等。將單個設備進行組裝配合，建立各機構間的運行學關系，并設置設備與PLC之間的I/O變量接口，形成各個單元模塊撬裝圖，包括蒸發(fā)加熱撬塊、乙二醇撬塊、加注站撬塊等。按照供氣系統(tǒng)實船設備安裝方案進行布置，并將各撬塊間對應法蘭接口進行管道連接，創(chuàng)建出整個供氣系統(tǒng)的三維模型。供氣系統(tǒng)儲罐設備、撬塊及系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 供氣系統(tǒng)三維模型圖Fig. 3 Three dimensional model of gas supply system

1.2 創(chuàng)建供氣系統(tǒng)多物理量模型

運用多物理量建模仿真軟件創(chuàng)建供氣系統(tǒng)多學科領域的復雜系統(tǒng)模型，在此基礎上進行供氣系統(tǒng)多物理參數(shù)的仿真計算和數(shù)據(jù)分析，利用該平臺研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能。在此過程中將設備參數(shù)輸入其中，創(chuàng)建了多個物理量子模型，例如創(chuàng)建LNG供給泵的液態(tài)及壓力模型、創(chuàng)建換熱器的液氣兩相流轉換模型、創(chuàng)建壓縮機的熱氣動模型等系統(tǒng)部件的模型，并根據(jù)子部件間的真實工藝流程及數(shù)值計算關系，連接相應子部件模型，搭建起完整的供氣系統(tǒng)多物理量模型，并在其中輸入設備工藝參數(shù)，如LNG儲罐容積、泵特性曲線、換熱器參數(shù)、管路管徑長度、緩沖罐容積等。供氣系統(tǒng)多物理量模型如圖4所示。

圖4 供氣系統(tǒng)多物理量模型Fig. 4 Multi physical quantity model of gas supply system

多物理量系統(tǒng)模型用于模擬液態(tài)LNG在管道中的流動情況，并模擬液態(tài)-氣態(tài)轉換及主機/輔機氣體燃料消耗情況，同時模擬計算出各個子部件中介質的流量、溫度及壓力變化特性。

1.3 創(chuàng)建自動化電氣模型

創(chuàng)建供氣系統(tǒng)自動化電氣模型。首先，根據(jù)供氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)需求創(chuàng)建自動化系統(tǒng)硬件配置，完成控制系統(tǒng)硬件組態(tài)。其次，根據(jù)供氣系統(tǒng)工藝流程和報警點清單，運用Portal軟件編制PLC程序，完成WINCC人機操作界面的設計。最后，創(chuàng)建自動化系統(tǒng)虛擬PLC，并設置虛擬PLC與多物理量模型、三維可視化模型間的軟件通信接口。

2 模擬仿真數(shù)據(jù)應用分析

2.1 模擬仿真平臺應用數(shù)據(jù)分析

利用仿真系統(tǒng)驗證2種供氣模式下供氣壓力的穩(wěn)定性和跟隨性。一種工況為供氣系統(tǒng)恒壓供氣模式，即供氣壓力不隨主機負荷變化而變化，在此處主機供氣壓力需求范圍為12.5±0.1 Bar。設置主機負荷從25%→50%→75%→100%加載，觀察主機供氣管路出口氣體壓力變化。主機耗氣量曲線和主機供氣出口壓力曲線如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯S著主機耗氣量不斷增加，主機供氣出口壓力始終維持在12.5±0.05 Bar之間，符合主機供氣壓力±0.2 Bar設置范圍，驗證了供氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 主機耗氣量曲線Fig. 5 Gas consumption curve of main engine

圖6 主機供氣出口壓力曲線Fig. 6 Pressure curve of main engine air supply outlet

另一種工況為供氣系統(tǒng)變壓供氣模式，即供氣壓力隨主機負荷變化而變化。主機負荷與供氣壓力設定值對應關系如表1所示，各個負荷階段對應不同的供氣壓力，且隨著負荷的提升，供氣壓力不斷增加。主機所需供氣壓力與供氣出口壓力曲線圖，如圖7所示。①號曲線為主機負荷變化時所需供氣壓力曲線圖，主機工況從25%→50%→75%→100%加載，再從100%突降至25%，由此驗證供氣壓力是否滿足發(fā)動機運行需求；②號曲線為供氣系統(tǒng)主機供氣出口壓力變化曲線，從數(shù)據(jù)中可以得出，在主機負荷攀升過程中，供氣系統(tǒng)出口壓力在20 s內可調至主機所需供氣壓力，即使主機負荷由100%突降至25%的過程中，供氣出口壓力也在1 min內完成供氣壓力調節(jié)，滿足主機供氣需求，驗證了供氣壓力跟隨性良好。

圖7 主機負荷與系統(tǒng)供氣壓力曲線Fig. 7 Curve of main engine load and system air supply pressure

2.2 驗證工藝參數(shù)及邏輯合理性

在船舶供氣系統(tǒng)設計初期，借助模擬仿真技術完成系統(tǒng)工藝參數(shù)的全范圍驗證，比如管道是否設計過長造成壓降過大，潛液泵最大轉速是否滿足供氣需求，換熱器換熱量是否滿足供氣系統(tǒng)換熱需求等。在變壓供氣模式下，LNG潛液泵選型初期模擬供氣壓力曲線，如圖8所示，左側第一列縱坐標為潛液泵轉速，對應①號潛液泵轉速變化曲線；第二列為供氣壓力，對應②號主機負荷攀升主機所需壓力變化曲線和③號主機供氣出口壓力變化曲線。可以看出，當主機100%負荷且供氣壓力達到14 Bar時，潛液泵轉速已達6 000 r/min，超過了潛液泵選型最大轉速。通過模擬仿真技術驗證，及時更正了潛液泵選型，為后續(xù)供氣系統(tǒng)設計和制造奠定了基礎。

圖8 潛液泵轉速曲線Fig. 8 Speed curve of submerged pump

表1 主機負荷與供氣壓力對應表Tab. 1 Corresponding table of main engine load and air supply pressure

在模擬仿真系統(tǒng)調試過程中，主機供氣出口壓力變化如圖9所示。①號曲線為負荷攀升時，主機所需壓力變化曲線；②號曲線為主機供氣出口壓力變化曲線?？梢钥闯觯鳈C負荷變化后，供氣壓力表現(xiàn)出波動較大和滯后性，經(jīng)過對PID參數(shù)修正，優(yōu)化控制邏輯，使得供氣壓力變化滿足主機供氣需求。在此過程中，同時排除了眾多邏輯控制錯誤，如I/O點位錯誤、報警邏輯及動作錯誤、上位機顯示錯誤、控制策略錯誤等，驗證各類操作模式的合理性。

圖9 供氣壓力變化曲線Fig. 9 Variation curve of air supply pressure

3 模擬仿真技術優(yōu)勢

3.1 縮短設備調試周期

通過運用一系列模擬仿真軟件創(chuàng)建模擬仿真系統(tǒng)，模擬供氣系統(tǒng)復雜的運行過程。在供氣系統(tǒng)設計階段初期，完成工藝參數(shù)及控制邏輯的全范圍驗證，提前排除邏輯錯誤，減少實船調試時間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。同時虛擬調試整個過程均在無風險環(huán)境下進行，避免工程調試時的錯誤風險，降低了試錯成本。

3.2 提升工程設計質量

在實船試航之前，驗證控制策略及操作模式的合理性，預判供氣系統(tǒng)潛在問題，降低實船調試的復雜性，修正虛擬環(huán)境中自動化程序和機器功能，增加系統(tǒng)的確定性和穩(wěn)定性，使控制系統(tǒng)在實際調試時更能夠滿足客戶的預期效果，確保產(chǎn)品設備正常交付。

3.3 開展虛擬培訓

通過虛擬仿真技術建立全方位、全尺寸的FGSS供氣系統(tǒng)，可對雙燃料機船舶船員進行虛擬培訓?？赏ㄟ^三維可視化模型，使船員全面了解FGSS供氣系統(tǒng)的構造組成，加深對各類設備空間位置、功能作用的了解，也可通過電氣控制系統(tǒng)人機操作界面，使船員熟悉整個供氣系統(tǒng)的工藝流程及操作步驟等，增強培訓效果，縮短培訓周期。

4 結 語

隨著智能制造時代的帶來，如何加快制造業(yè)與數(shù)字化結合成為了關注的焦點。通過FGSS模擬仿真技術的開發(fā)，將供氣系統(tǒng)物理實體全面拷貝到計算機仿真軟件中，實現(xiàn)了從初期工藝流程圖設計，到中期設備選型、自動化程序編制，再到后期系統(tǒng)模擬仿真調試的全流程數(shù)字化，在加快開發(fā)速度、縮短調試周期、優(yōu)化機械性能、減少調試風險等方面取得了突破性的進展。通過模擬仿真平臺應用，加快了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)速度，為后期產(chǎn)品高質量交付奠定了堅實的基礎。