船舶LNG 雙燃料改裝電氣設計

詹 波

0 引言

根據(jù)不完全統(tǒng)計，船舶的尾氣排放已成為空氣污染的一大來源。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對船舶節(jié)能減排要求在不斷提高，近年開始實行的限硫令即為減少船舶排放硫氧化物的措施之一，后續(xù)的限碳令也在準備之中。面對越來越嚴格的排放標準，各船舶急需選擇一個有效措施來應對。

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為一種綠色能源，具有清潔且經(jīng)濟的特點，船舶以其為燃料可以使廢氣排放大大降低，滿足近期船舶排放要求，因此，越來越多的航運公司在新建船舶中選用LNG 雙燃料動力。而對于一些已運營船舶，則可以通過對船舶進行LNG 雙燃料動力改裝來滿足排放要求。

1 LNG 雙燃料系統(tǒng)簡介

LNG 雙燃料動力船舶可以在普通燃油模式下運行，也可以在LNG 燃料模式下運行。普通燃油模型與常規(guī)船舶類似，在LNG 燃料模式時，因LNG的燃點相對燃油更高，因此，雙燃料發(fā)動機需要在噴入燃氣前噴入少量燃油作為引燃油，在燃油壓縮自燃后再點燃噴入的燃氣[1]。

LNG 雙燃料動力系統(tǒng)改裝主要圍繞兩大部分展開，一部分針對是船舶主機，發(fā)電機，鍋爐等原船設備改裝，通過對設備增加供氣相關模塊，使得原船設備實現(xiàn)以LNG 為燃料的功能，此部分改裝通常由設備廠家負責進行設計及施工改造。船舶主機加裝供氣模塊見圖1，廠家在船舶主機各缸增加供氣模塊等組件后實現(xiàn)船舶主機雙燃料功能。另一部分設計和改裝工作主要圍繞增加的LNG 燃料供氣系統(tǒng)進行，此系統(tǒng)按構成劃分主要有LNG 燃料艙/儲存罐、燃料艙接頭處所、燃料準備間、主氣體燃料閥、氣體閥件單元等，見圖2。

圖1 船舶主機加裝供氣模塊示意圖

圖2 典型LNG 供氣系統(tǒng)構成示意圖

2 LNG 雙燃料船舶規(guī)范

相比一般商業(yè)船舶，LNG 船舶標準更高，要求也更嚴，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）為此也專門制定了針對LNG相關船舶的規(guī)范，例如針對以LNG 為燃料的船舶而制定的《使用氣體或其它低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》（IGF 規(guī)則），以及針對以載運LNG 為主的運輸船舶而制定的《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規(guī)則》（IGC 規(guī)則）。同時，在LNG 船舶技術標準方面，各大船級社組織也相應的在IGF 規(guī)則、IGC 規(guī)則基礎上制定了各船級社的標準及規(guī)范，見表1。

表1 各船級社制定的氣體燃料動力船舶標準及規(guī)范

對于國際航行的船舶在進行LNG 雙燃料動力改裝時，相應的需要滿足IGF 規(guī)則，各船級社規(guī)范及指南的要求。

3 LNG 雙燃料改裝電氣系統(tǒng)設計

船舶LNG 雙燃料動力改裝涉及船舶主機，供氣單元，氣體處理裝置等眾多設備及系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)的設計及改裝工程也基本以配合這些設備及新增系統(tǒng)的加裝而展開，如再液化、蒸發(fā)氣裝置、供氣泵、軟管吊等帶來的配電系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)的改造[2]，在此基礎上也會涉及到一些輔助系統(tǒng)及設備的改裝設計，例如船內(nèi)通信報警，監(jiān)控及安全系統(tǒng)，照明系統(tǒng)等內(nèi)容。

本文中的電氣改裝設計主要以某在營的18 萬噸散貨船為研究對象，本船全長292 m，型寬45 m。經(jīng)總體綜合評估，LNG 燃料存儲采用2 只C 型燃料儲罐，布置于船艉甲板兩側(cè)，見圖3。為了加裝的供氣系統(tǒng)等設備，在船舶機艙棚A 甲板右舷新增一處艙室作為燃料準備間，同時在燃料準備間上增加一層艙室用于布置制氮裝置，電氣配電箱及控制箱等設備。針對這兩處新增設備的布置，需要結合其他專業(yè)進行綜合的考慮。

圖3 C 型燃料儲存罐布置圖

3.1 電力系統(tǒng)

船舶LNG 雙燃料動力改裝設計初期，需要基于原船電力負荷表來掌握全船負荷情況。在原船電力負荷表的基礎上，添加新增供氣系統(tǒng)各設備的功率等參數(shù)更新改裝后電力負荷數(shù)據(jù)。以了解改裝后各工況下的電網(wǎng)負荷情況。

因改裝會造成原船電網(wǎng)出現(xiàn)較大變化，根據(jù)船級社要求需要提供新的短路電流計算書，以核查改裝后船舶電網(wǎng)的各檢測點的短路電流，同時檢查各斷路器的分斷能力及合閘能力是否仍能滿足要求[3]。

斷路器的電流參數(shù)與計算的各短路電流值關系為

式（1）和式（2）中：Ics為斷路器的短路分斷能力；Iac為計算出的對稱短路電流；Icm為斷路器的短路接通能力；Ip為計算出的最大短路電流峰值

進行電力系統(tǒng)改裝設計時，各新增設備供電電源可以優(yōu)先從用原船配電板或電力分電箱內(nèi)的備用開關取電。本項目中，因原船備用開關不足，為便于電源管理，考慮單獨增加440 V 及220 V 供電分電箱，LNG 雙燃料改裝變更后的電力單線圖見圖4。圖4 中：MCCB 為塑料外殼式斷路器；ACB 為框架式斷路器；CB 為母排聯(lián)絡開關。針對新增的220 V分電箱，如原船440 V/220 V 變壓器容量不足時，則需要考慮增加新的變壓器。新增的變壓器容量在選擇時，需要適當考慮信息量，負荷占比不超85%。變壓器容量計算為

圖4 LNG 雙燃料改裝變更后的電力單線圖

式（3）～式（7）中：P1,P2, …,Pn為新增各設備功率；S1,S2, …,Sn為設備視在功率；PF為各設備功率因素；LF為設備同時使用系數(shù)；S為變壓器容量。

3.2 LNG 燃料供氣系統(tǒng)

LNG 燃料供氣系統(tǒng)屬于船舶雙燃料改裝中的核心系統(tǒng)，該系統(tǒng)的各控制及監(jiān)測功能主要通過一套帶有顯示器的主控制柜來實現(xiàn)。為在操作方便的同時節(jié)省主機柜至各相關系統(tǒng)的電纜，設計中可以將該主機柜布置于集控室內(nèi)，通過機柜集中對燃料供氣系統(tǒng)及相關配套設備進行遠程顯示及控制，同時在駕駛室設計有一塊用于遠程顯示和報警的復示面板，以便于船員及時掌握供氣系統(tǒng)狀態(tài)。作為改裝中的核心系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)與改裝中新增的各設備單元有眾多接口，例如燃氣的應急切斷系統(tǒng)、氣體探測系統(tǒng)、制氮裝置等，并且與原船部分系統(tǒng)也有不少接口，在設計時需要特別注意。燃料供氣系統(tǒng)與其他相關系統(tǒng)的接口見圖5。

圖5 燃料供氣系統(tǒng)與其他相關系統(tǒng)的接口示意圖

3.3 緊急切斷（Emergency Shutdown，ESD）系統(tǒng)

為滿足規(guī)范的要求，需要在改裝船上增加ESD系統(tǒng)，此系統(tǒng)功能為船舶在加注燃料期間，緊急情況時，切斷LNG 傳輸，確保LNG 燃料處理系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，可以通過手動和自動的方式操作。ESD系統(tǒng)動作時應能切斷本船補給管路上的應急截止閥并關停LNG 輸送泵。ESD 系統(tǒng)的手動操作按鈕按要求布置于如下處所：1）貨物控制室；2）燃料加注站；3）逃生通道路徑上，且其布置應能防止被誤觸動。

同時，在貨物控制室和加注站位置，需要布置聲光報警器，使得ESD 系統(tǒng)觸發(fā)時能迅速引起船員的注意[4]。ESD 系統(tǒng)通過船船連接系統(tǒng)，與加注船或岸基加注站通過電氣連接，實現(xiàn)緊急情況下的切斷功能，見圖6。

圖6 ESD 應急切斷連接示意圖

3.4 氣體探測系統(tǒng)

在本項目中機艙采用增強安全型機艙進行設計，即機器處所內(nèi)各供氣管路均為雙壁管，同時在必要的位置布置可燃氣體探測器，以便能隨時探測到管路氣體燃料泄漏的情況，確保氣體燃料系統(tǒng)的安全和可靠運行[5]。

此系統(tǒng)設計時，需要注意在加注區(qū)域配置氣體探測及手動啟動按鈕，以在發(fā)生氣體泄漏時能及時啟動地報警，并采取有效的措施來消除安全隱患。出于安全以及規(guī)范要求，還需要在改裝的各供氣系統(tǒng)及設備處所增加氣體探測系統(tǒng)，并在在駕駛室或集控室設置聲光報警器。根據(jù)規(guī)范要求，本項目在以下各位置增加氣體探測裝置：1）LNG 儲罐位置；2）燃料準備間；3）燃料艙接頭處所；4）氣體閥件單元（Gas Valve Unit，GVU）單元；5）機艙內(nèi)雙燃料主機進氣及排氣總管、透氣管等位置。

所配置的探頭數(shù)量需要能覆蓋該區(qū)域并進行不間斷的檢測，當檢測到可燃氣體濃度達到20%爆炸下限（Lower Explosive Limited，LEL）時，在駕駛室和集控室應觸發(fā)聲光報警。當2 個探測器探測到的可燃氣體濃度達到40%LEL時，應觸發(fā)安全系統(tǒng)，即ESD 系統(tǒng)。因此，設計時還需要注意氣體探測系統(tǒng)與ESD 系統(tǒng)間的信號接口匹配等問題。

3.5 內(nèi)部通信和報警系統(tǒng)

對于在改裝中新增或改造的艙室，還需要考慮設有能和原船兼容的船內(nèi)通信報警設備，包括電話、廣播、通用報警、火災報警等。各新增通信報警設備，原則上接入原船各自系統(tǒng)。針對本次改裝項目設計，新增艙室為艉部甲板的燃料準備間及燃料加注站等區(qū)域。因此，針對內(nèi)部通信及報警系統(tǒng)，部分系統(tǒng)的改裝設計如下：

1）針對聲力電話系統(tǒng)，在加注站及船舶貨控室單獨增加一套獨立于航行安全的聲力電話。因燃料加注站區(qū)域劃分為危險區(qū)域，需要配置壁掛式防爆電話。

2）針對自動電話系統(tǒng)，在燃料準備間增設一部自動電話，因該處所為噪聲較大機械處所，因此，配置的電話應為帶抗噪頭盔，同時處所為危險區(qū)域，配置的自動電話相應的需要按防爆型電話設計。

3）針對廣播系統(tǒng)，在新增燃料準備間，供氣系統(tǒng)配電間和必要室外位置安裝廣播揚聲器，防爆區(qū)域揚聲器防爆等級需要滿足船級社要求，本項目中燃料準備間內(nèi)增加的為壁裝式5 W防爆水密型廣播，室外新增廣播為壁掛式10 W 水密型廣播，對于各新增廣播需要按A-B 回路設計。

3.6 照明系統(tǒng)

改裝中有新增的艙室，必然會涉及到照明系統(tǒng)的改裝，以滿足日常工作照明需要。新增照明系統(tǒng)盡可能使用原來照明分電箱中的備用開關，或者從原船照明系統(tǒng)的各照明回路中做設計修改。在對照明系統(tǒng)進行改造時，需要注意設計的各照明回路燈點總數(shù)不超規(guī)范要求的24 盞。同時，艙室布置變化后，各逃生通道可能發(fā)生變化，需要根據(jù)改裝后的通道來布置正常及應急照明以滿足規(guī)范對相應區(qū)域的照度要求。

4 LNG 雙燃料改裝危險區(qū)域劃分

LNG 雙燃料改裝設計中，除需要對各電氣系統(tǒng)進行改裝設計，還需要注意改裝后各危險區(qū)域劃分變化以及相應防爆等級的設備選用。

本項目中，原船危險區(qū)域主要為油漆間，蓄電池間等處所。在增加供氣系統(tǒng)及相關配套管路后，原船將新增多處危險區(qū)域。根據(jù)規(guī)范要求，改裝后，將本船的燃料儲藏罐內(nèi)部劃分為0 類危險區(qū)域（ZONE 0）；將燃料艙接頭處所，燃料準備間所劃分為1 類危險區(qū)域（Zone 1）；將距離1 類危險區(qū)域的開敞或半圍蔽處所1.5m 的區(qū)域則劃分為2 類危險區(qū)域（Zone 2）。為便于理解，改裝后的危險區(qū)域劃分示意見圖7。

圖7 改裝后的危險區(qū)域劃分示意圖

在各電氣系統(tǒng)的設計中，當涉及到設備選用時，需要注意參照改裝后的危險區(qū)域劃分來選用合適的防爆設備。除燃料儲罐外，改裝后各危險區(qū)域可優(yōu)先選用隔爆型防爆設備，燃料儲罐內(nèi)的電氣設備可選用本安型防爆設備。因本安型防爆設備所連接的電路屬于本安電路，按規(guī)范要求需要為本安電路提供單獨的電纜路徑。除常用的隔爆型及本安型防爆設備外，還有其他一些防爆型式可供安裝于各類危險區(qū)域中，見表2。

表2 常用防爆型式及適用區(qū)域

5 結論

LNG 作為當下應用最為廣泛的替代燃料之一，相應的LNG 動力改裝也將成為船舶節(jié)能環(huán)保改裝中的熱門方案之一。在進行具體的船舶LNG 雙燃料改裝設計時，船廠需要根據(jù)改裝船舶的船型，船舶主機等設備配置情況以及相關規(guī)范要求，進行針對性的改裝方案制定及圖紙詳細設計，并依據(jù)實船情況對加裝的設備進行合理布局，使改裝船舶在滿足規(guī)范要求前提下，盡量降低改裝成本，縮短改裝周期。