“浦海211”輪LNG雙燃料動力的電氣改造設計

劉 峰，李榮宗，徐本舉

（1. 上海船舶運輸科學研究所運輸事業部，上海 200135；2. 長江重慶航道工程局，重慶 401147）

“浦海211”輪LNG雙燃料動力的電氣改造設計

劉 峰1，李榮宗1，徐本舉2

（1. 上海船舶運輸科學研究所運輸事業部，上海 200135；2. 長江重慶航道工程局，重慶 401147）

隨著排放問題的日益突出，航運業正在逐步向節能低碳方向發展。LNG作為高效清潔的能源成為了未來船用燃料的首選，伴隨著國家政策的支持，國內需要改造成為LNG雙燃料動力的船舶將會越來越多。本文以“浦海211”輪為例，介紹LNG雙燃料動力船舶的電氣改造設計，希望為以后類似的船舶改造項目提供相應的參考。

電力系統；LNG雙燃料控制系統；安保監控；危險區域

0 引言

近年來，隨著全球航運業的蓬勃發展，燃油消耗的不斷增加，排放問題的日益突出。為緩解石油資源的枯竭和氣候的變化，航運業正積極向節能低碳的方向發展。而液化天然氣（LNG）作為一種高效清潔的能源日益受到各國的青睞，與傳統的燃油相比，這種燃料具有安全、環保、經濟性等方面的優勢，成為了未來船用燃料的首選。

2011年，交通運輸部頒布《“十二五”水運節能減排總體推進實施方案》，將試點應用LNG燃料動力船舶技術，隨后又陸續出臺支持并大力推進LNG燃料動力船舶的各種相關文件。集團為貫徹落實國家關于“節能減排”的要求，實現綠色交通的目標，將內河200TEU集裝箱船“浦海211”輪作為試點船舶進行LNG燃料動力改造。根據當時《天然氣燃料動力船舶規范》草稿的要求，機艙型式一般分為本質安全機艙、ESD防護型機艙和增強安全型機器處所。國外LNG燃料動力船舶普遍采用本質安全型機艙，而內河船常采用增強安全型機艙。本質安全型機艙相比增強安全型機艙更合理，更安全，投資成本也更低，最終經過重重研討選定了“浦海 211”輪為本質安全型機艙的實施方案。“浦海211”輪的LNG雙燃料動力系統改造項目在實施本質安全型機艙過程中，由于為國內首制，克服了規范、建造和檢驗等重重困難下，在2014年初改造完成，經過一年多的營運，各項指標均達到預期效果。本文將“浦海211”輪的LNG雙燃料動力的電氣改造設計做一些簡單介紹。

1 電力系統的改造設計

本項目船的改造是將原主推進柴油機改成LNG和燃油的雙燃料混合動力船舶。改造的主要內容是在船舶艉部區域設置LNG儲氣罐、氣閥連接處所和熱交換單元等，在機艙區域增加氣體閥箱、原主推進柴油機的LNG雙燃料混合進氣裝置和LNG雙燃料控制系統等。因此本船電力系統的改造主要思路是在保持原有系統不變的情況下，對新增加的設備進行安全有效的供電，對其他專業的改造實行有效安全的配合工作。電力系統主要的修改如下：1）核算新增加設備對電站容量的影響；2）氣罐處所實現安裝有效的主應急照明系統；3）在重要區域實現安裝氣體探測系統和火災探測系統；4）新增加的兩臺導管風機實現一用一備，故障報警及自動切換；5）新增加的兩臺熱交換給水泵實現一用一備，故障報警及自動切換；6）雙燃料控制系統實現有效的供電及安裝；7）在危險區域內的設備實現安全處理。

2 LNG雙燃料控制系統

LNG雙燃料動力系統主要是對柴油機燃油和燃氣供給量進行控制，使兩者在不同的工況下達到合適的匹配，以滿足發動機安全性、動力性、經濟性和低排放的要求。本項目船中該系統同時還用于監測船用LNG雙燃料動力模塊的運行狀態及重要參數；對燃氣泄漏、火災報警、動力模塊進行實時檢測；當動力模塊、LNG熱交換單元、LNG儲罐發生故障、火災報警、燃氣泄露等情況發生時采取相應控制策略,保障船用LNG雙燃料動力系統的持續、有效的安全運行。LNG雙燃料控制系統見圖1。

圖1 LNG雙燃料控制系統簡圖

2.1 安全性原則

雙燃料控制系統是以船舶推進動力系統的持續、有效和安全運行為基礎。在本船施行改造前，項目組去實船調研研究可行性方案，和同行專家研討審核并確定最終改造方案。在設備方面，選擇符合質量要求和安全性高的產品；在布置方面，布置罐體及閥件管路盡量遠離生活區及其他危險源；在施工方面，嚴格要求按審批圖紙施工，同時配合審核部門完成每一道工序，確保施工規范化；在驗收方面，認真按照各設備要求逐一試驗，確定能完全滿足規范和使用要求；在運行方面，嚴格實行規范操作模式，同時安裝實時監測系統。

2.2 監控系統

本項目船是在原有發動機上新增加了雙燃料動力控制系統，發動機的調速還是依靠原有發動機的調速裝置。根據雙燃料控制系統內部預先設定的“全程轉速范圍內的最低燃油位置曲線”生成當前轉速下期望的燃油供應量，雙燃料控制器會實時監測如排氣溫度、燃氣溫度、增壓器壓力、燃氣壓力、冷卻水溫度等信號并通過預先設定好的曲線或曲面，同時根據當前的轉速及燃油供油位置計算出燃氣在當前工況下的最高限制值，通過逐漸提高燃氣的供應量使其燃油替代率最佳。

LNG雙燃料控制系統系是對氣罐主閥、主氣體燃料閥、聯鎖氣體閥、管路透氣閥等執行機構進行遙控及監測，正常工況下保證對發動機燃料供應，并對包括導管通風、火災、氣體泄漏、氣罐異常、發動機故障等情況進行實時監測，在異常狀態下進行相應報警、關閥、透氣等安保動作。氣體燃料控制系統還具有與其他監測系統通訊的功能。具體的安保監控功能如表1所示。

表1 氣體燃料充裝系統的監控

表2 氣體燃料供應系統的監控

續表2：

本項目船在進入穩定航行后，先開啟導管抽風系統和LNG交換單元的加熱系統，當LNG供氣系統無故障報時，當主機轉速達到設定值780r/min時，可自動或手動轉入雙燃料運行模式，此時主機可以按正常習慣操作加減速；當主機突然卸載時，在LNG雙燃料控制系統的控制下，發動機進氣量會迅速減少，保證發動機的正常運行；在雙燃料模式行駛過程中，發動機在低于780r/min以及高于1200r/min（主機額定轉速）時，雙燃料控制系統自動轉為純柴油模式；當需要停止雙燃料模式時，應提前15分鐘將LNG儲罐出液閥關閉,使熱交換單元和液相管路中的 LNG充分用盡,待熱交換單元出氣壓力低報警后再將運行模式轉換至純柴油模式；當在雙燃料運行過程中遇到系統故障時，可按表一和表二的“安保監控功能表”中預設功能實現相關安保動作。

2.3 故障記錄及處理

雙燃料控制系統實時監測各設備運行狀態及參數，判斷故障發生及故障類型，輸出聲光報警，根據故障類型決定是否切除雙燃料。監測信號通過 RS485通訊協議采集發動機重要參數及運行狀態，通過開關量信號采集雙燃料工作狀態和火災等開關信號，通過模擬量采集甲烷濃度、氣體壓力值和溫度等數值。所有的重要參數及報警都可以在控制屏程上實時顯示運行狀態。工作人員可以查詢以往故障報警，分析總結故障原因，實現提前維護保養，減少故障發生率。

3 危險區域的控制

LNG燃料動力船舶危險區域的控制至關重要，危險區域控制的好壞直接影響到船舶安全。對LNG燃料動力船舶的危險處所進行危險識別和風險評估，在此基礎上結合現有 LNG燃料動力試點船的實際營運經驗，針對后果較嚴重和發生概率較高的危險點提出切實有效的風險控制措施。

本項目中將LNG儲供氣設備和管系的主要部分均集中布置在船舶艉部，這樣可以遠離生活區及其他危險源，同樣可以控制危險區域的擴散，方便船員管理和維護。LNG供氣系統引起的危險區域主要包括LNG透氣系統、LNG通風系統、LNG充裝系統和LNG管系法蘭接口處。針對以上四個主要引起危險區域的系統，結合船舶的布置，經過仔細優化，滿足了船級社的要求。危險區域控制的主要措施如下：1）在危險區域內的設備，均采用合格的防爆安全型產品；2）在危險區域內裝設火災監測系統和氣體探測系統；3）在艉部危險區域內集裝箱箱角可能產生的火花問題上，采用在危險區域內各箱角附近裝設水霧系統；4）在進入危險區域的附近設有危險區域指示圖和注意事項。

4 結束語

我所改造的“浦海211”輪是國內LNG燃料改造的首艘滿足中國船級社本質型安全機艙的集裝箱船，且當時規范還沒生效，本船在電氣改造設計中更多的從安全型、實用型和功能型角度考慮。根據船舶營運一年多的反饋信息來看，各項指標均也達到預期效果，充分肯定了其重要的現實意義和社會效益。“浦海211”輪的改造成功彰顯了我所在LNG雙燃料動力改造領域的競爭能力。

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Electrical Renovation Design of LNG Dual Fuel Power System of Pu Hai 211

LIU Feng1, LI Rong Zong1, XU Ben-ju2
(1. Transportation System Division, Shanghai Ship＆Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China; 2. Changjiang Chongqing Waterway Engineering Bureau, Chongqing 401147, China)

With the emissions problem becoming prominent increasingly, the shipping industry is gradually developed in the direction of energy saving. LNG, as the efficient clean energy in future marine fuel, has become the first choice. With the support of national policy, there will be more and more projects about renovation design of LNG dual fuel power. Taking "PuHai 211" as an example, this article introduces electrical renovation design of LNG dual fuel power. It is hoped to provide the corresponding reference for future similar ship's renovation projects.

power system; LNG double fuel power control system; security monitoring; hazardous area

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.012

劉峰（1983-），男，工程師，主要從事船舶電氣方面的工作。