LNG-柴油雙燃料發(fā)動機安全監(jiān)控系統(tǒng)研制

李煜輝+杜茂+張謙益+潘志翔

摘要：根據(jù)CCS（中國船級社）頒布的有關(guān)對混合燃料發(fā)動機的要求和規(guī)范，本安全監(jiān)控主要功能包括有：對混合燃料發(fā)動機供氣系統(tǒng)、發(fā)動機艙室的實時狀態(tài)以及混合燃料發(fā)動機的工作狀態(tài)進行實時連續(xù)的監(jiān)測，并且能夠根據(jù)本系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)相應(yīng)判斷混合燃料發(fā)動機整個系統(tǒng)的安全故障問題，從而根據(jù)監(jiān)測到的故障問題采用相應(yīng)措施處理。

關(guān)鍵詞：LNG雙燃料發(fā)動機安全監(jiān)控系統(tǒng)

相比CNG（Compressed NaturalGas，壓縮天然氣），LNG不再是將天然氣壓縮在200個大氣壓的儲氣瓶里，有著破裂時爆炸的危險，其安全性相對較高。但是經(jīng)過對LNG理化性質(zhì)與發(fā)動機運行環(huán)境安全性的分析后發(fā)現(xiàn)，LNG作為發(fā)動機燃料的應(yīng)用過程中依然存在著低溫、泄漏與燃燒爆炸等方面的安全隱患。因此，使用科學的方法對雙燃料船舶的機艙以及燃料艙進行安全性研究，對預(yù)防和降低危險具有十分重要的現(xiàn)實意義。

本文以LNG理化性質(zhì)和CCS所頒布的關(guān)于雙燃料船舶規(guī)范為依據(jù)，著重從LNG實際應(yīng)用中存在的低溫、泄漏以及燃燒爆炸等安全隱患入手，基于實際雙燃料發(fā)動機臺架，對雙燃料船舶中LNG從儲藏到供給再到主機消耗等方面可能出現(xiàn)的危險環(huán)節(jié)進行科學分析，并以此為依據(jù)從供氣、艙室環(huán)境以及主機運行等方面設(shè)計了一套較為完善的安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對LNG-柴油雙燃料發(fā)動機實際工作時的監(jiān)測與故障報警。

LNG燃料安全性分析

1、LNG理化性質(zhì)

LNG采用超低溫儲藏，在一個大氣壓下溫度達到-162℃，真正作為發(fā)動機燃料時，氣化后的LNG對于發(fā)動機燃燒室的燃燒效果有著重要影響，所以在實際應(yīng)用中，對于氣化后LNG溫度的監(jiān)測是重要的一個環(huán)節(jié)。天然氣的自燃溫度為645℃，其可燃濃度下限是5%（與空氣的濃度比），著火點與可燃濃度點較低，當LNG瓶碰撞、傾倒等事故時，溫度會急劇升高，在通風較差的場所遇明火可能自燃起火甚至爆炸。天然氣在標準狀況下為氣態(tài)，而且甲燒的分子量為16，遠小于空氣，當LNG儲氣瓶發(fā)生意外造成泄漏時，天然氣會迅速向上擴散，不易聚集在地面。這一特性也決定了對于LNG泄漏的監(jiān)控設(shè)備一般安裝于艙室中LNG設(shè)備的上方。

作為船舶發(fā)動機燃料時，發(fā)動機艙室與LNG儲藏室一般處于封閉空間，有可能出現(xiàn)低溫、泄露甚至爆炸等安全問題。

2、CCS相關(guān)規(guī)范要求

CCS（中國船級社）所頒布的《雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計和安裝指南》、《氣體燃料動力船檢驗指南》、《散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》對混合燃料發(fā)動機的設(shè)計、安裝以及運行有著如下要求：①能夠?qū)夤蕖峤粨Q器、氣體燃料發(fā)動機進行實時監(jiān)測，發(fā)生任何故障可以在駕駛室或者機艙控制室產(chǎn)生視覺和聽覺報警。②能夠?qū)夤尢幩l(fā)動機處所等可能產(chǎn)生可燃氣體泄露和聚集的其他處所進行連續(xù)的氣體探測。③能夠?qū)怏w燃料供應(yīng)系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，并且對監(jiān)測到的故障采取相應(yīng)措施處理。④能夠?qū)旌先剂习l(fā)動機進行實時監(jiān)控，并且對監(jiān)測到的故障采取相應(yīng)措施處理。⑤符合國家、行業(yè)及船級社的標準、規(guī)范要求。

3、雙燃料發(fā)動機臺架

發(fā)動機臺架依據(jù)真實船舶發(fā)動機布局設(shè)置，分為燃料室、機艙室以及駕駛室。LNG-柴油混合燃料發(fā)動機臺架系統(tǒng)構(gòu)成如下圖1所示。

依據(jù)LNG理化性質(zhì)、CCS規(guī)范要求以及現(xiàn)場發(fā)動機臺架系統(tǒng)布置，確定安全監(jiān)控系統(tǒng)所要監(jiān)控的內(nèi)容分為三個部分：LNG儲氣與供氣：儲氣罐供氣異常、儲氣室（氣棚）環(huán)境溫度過高、儲氣室（氣棚）天然氣泄漏、儲氣室（氣棚）失火、天然氣供應(yīng)管內(nèi)低壓、氣化器出口管路氣體低溫、氣化器介質(zhì)低溫；該監(jiān)測報警主要是針對LNG儲氣與供氣的安全性；機艙環(huán)境：機械通風機故障、機艙室火災(zāi)、機艙室天然氣泄漏。該監(jiān)測報警主要是針對發(fā)動機運行環(huán)境的安全性；主機運行：轉(zhuǎn)速波動率太高、曲軸箱天然氣泄漏、單缸排氣溫度高以及單缸排氣溫度和平均排氣溫度偏差大。該監(jiān)測報警主要是針對發(fā)動機運行的安全性。

監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)上述安全監(jiān)控系統(tǒng)確定內(nèi)容與思路，本安全監(jiān)控系統(tǒng)分別對LNG儲氣與供氣、發(fā)動機艙室環(huán)境以及發(fā)動機運行狀態(tài)三個方面進行了如下設(shè)計：

1、LNG儲氣與供氣

針對LNG供應(yīng)系統(tǒng)上存在的安全隱患，分別從儲氣罐及汽化器、儲氣室環(huán)境以及供氣管路三個部分對LNG儲氣與供氣系統(tǒng)進行設(shè)計。

1.1儲氣罐及汽化器監(jiān)測設(shè)計

LNG儲氣罐設(shè)有液位及壓力監(jiān)測與顯示儀，實時監(jiān)測顯示儲氣罐中的LNG液位與壓力。

在汽化器安全監(jiān)測方面設(shè)計有溫度傳感器，分別對汽化器介質(zhì)以及汽化后燃氣的溫度進行實時監(jiān)測，以防可能出現(xiàn)的溫度異常影響LNG汽化而無法滿足工作要求。傳感器安裝如下圖2所示。

1.2儲氣室環(huán)境

儲氣室環(huán)境的安全直接影響著供氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及人員安全。在儲氣室（氣棚）內(nèi)安裝有可燃氣體探測器、火焰探測器以及環(huán)境溫度傳感器，實時監(jiān)測LNG儲藏罐的環(huán)境的安全。傳感器安裝如下圖3所示。

1.3供氣管路安全設(shè)計

供氣管路在整個系統(tǒng)中起著重要作用：一方面是系統(tǒng)重要的監(jiān)測對象，另一方面又是系統(tǒng)主要的執(zhí)行操作對象。對于供氣管路的監(jiān)控設(shè)計如下：①采用壓力傳感器對管路中燃氣壓力進行實時監(jiān)測。②在天然氣供應(yīng)管系上安裝互鎖切斷閥，作為系統(tǒng)緊急情況的執(zhí)行輸出。互鎖閥由四個閥件組成，其中三個串聯(lián)安裝在天然氣供應(yīng)主管系上的閥在出現(xiàn)故障時自動閉合切斷燃氣供應(yīng)，另外一個通氣閥在出現(xiàn)故障時自動打開以便于燃氣的擴散。

2、機艙環(huán)境安全監(jiān)測設(shè)計

機艙環(huán)境直接影響著發(fā)動機的運行以及操作人員的安全性，本系統(tǒng)在機艙頂部安裝有可燃氣體探測器以及煙霧探測器，針對可能出現(xiàn)的意外燃氣泄漏甚至火災(zāi)。同時系統(tǒng)對艙室的風機運轉(zhuǎn)情況進行實時監(jiān)測，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的風機故障。

3、主機運行安全監(jiān)測設(shè)計

排溫和轉(zhuǎn)速是判斷發(fā)動機是否正常運行的重要參數(shù)，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)能夠便于對發(fā)動機工作狀態(tài)有清楚的判斷。本文設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)對發(fā)動機單缸及總管排氣溫度以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)控，同時在曲軸箱透氣管內(nèi)安裝燃氣探測器，實時監(jiān)測曲軸箱的燃氣濃度。本文改裝的發(fā)動機如下圖4所示。

4、系統(tǒng)總體設(shè)計布置圖

安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計布置圖如下圖5所示。

系統(tǒng)功能流程

依據(jù)設(shè)計規(guī)范與系統(tǒng)方案，安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能流程如下圖6所示。

如上圖所示，安全監(jiān)控系統(tǒng)工作流程為：

上電自檢：系統(tǒng)進行自檢，如有故障立即報警，否則進行第二步，信息采集。

信息采集：通過傳感器信號以及通訊[7]等方式將信息采集到處理器部分，進行第三步，信息處理。

信息處理：將采集到的信息進行處理并進行判斷，若判斷安全，則繼續(xù)采集信息，否則，執(zhí)行報警及相關(guān)動作。

報警及動作：系統(tǒng)判斷為故障或危險狀態(tài)，進行報警并采取措施。

安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

本文設(shè)計的安全監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)完成實際系統(tǒng)的搭建與調(diào)試，各項功能完全滿足設(shè)計要求，通過了驗收并且工作正常。

柴油-LNG混合燃料船舶作為一種新型船舶，LNG特殊的理化性質(zhì)使其比其他船舶更具有特殊性。船舶運營的安全與效率主要是由船舶的心臟（機艙）的運行狀況以及LNG燃料儲藏的安全性所決定。本文立足于LNG理化性質(zhì)和CCS所頒布的關(guān)于雙燃料船舶規(guī)范，以LNG作為發(fā)動機燃料的實際應(yīng)用中存在的低溫、泄漏以及燃燒爆炸等安全隱患為監(jiān)控要點，基于實際雙燃料發(fā)動機臺架設(shè)計了一套較為完善的安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對LNG-柴油雙燃料發(fā)動機從供氣到主機運行等方面的監(jiān)測與故障報警，并最終通過了試驗與測試，為LNG-柴油雙燃料發(fā)動機安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供一種可行的思路與方案。

參考文獻：

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