LNG燃料動力船監控與安全系統分析

劉東進

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632）

天然氣作為一種世界公認的清潔能源，其在一個國家的國民經濟及能源結構的地位日益突出。過去20年，世界天然氣消費年平均增長2.4%，為同期石油增速（1.1%）的2倍多。世界天然氣產業已經進入快速發展的黃金時期。在航運界，促進對液化天然氣（LNG）的燃料日益重視主要是由于《防止船舶造成空氣污染規則》的實施、經濟性和能源結構的調整等幾個方面的原因，基于這些主要因素，LNG作為船舶動力用燃料得到了越來越多的應用。

LNG燃料動力船燃料利用整個環節上的安全性主要是依據LNG的相關物理特性，從根源上對其可能產生的危險進行限制，但由于工業水平的限制以及制造成本與安全水準高低的矛盾，并不能將所有的危險從本質上予以消除，為了使這些可能發生的危險（例如氣體泄漏等）處于受控狀態，甚至是發生危險后（例如爆炸起火）如何將危害性減至最低，這些都需要有一套針對LNG燃料利用過程的各個環節的監測、控制和安全系統來實現安全利用LNG燃料的目標。

1 監測對象

常見的LNG燃料動力船整個燃料系統如圖1。

圖1 LNG燃料動力船燃料系統

可以看出，整個LNG燃料利用鏈條上的主要設備為：燃料艙、熱交換器、壓縮機（一般存在于高壓燃氣系統或安裝有再液化裝置的系統）、氣體燃料發動機。因此對于整個燃料利用鏈條上的設備運行情況的監測主要是上述的四大部件。

2 監測參數

2.1 燃料艙

燃料艙是LNG燃料動力船舶的燃料儲存裝置，是LNG燃料動力船舶以LNG作為燃料的基礎，燃料艙的安全不僅關系LNG燃料船舶的動力性安全。LNG 從液態到氣態，其體積要擴大約600倍，因此燃料艙的安全也關系到整個船舶的安全，甚至于也涉及船舶通航環境的安全。對于燃料艙的監測主要是涉及充裝時的監控和營運時的監控，主要對其進行液位監測和溢流保護。并要求就地顯示壓力表、液位表，以及在駕駛室或機艙有人值班的位置顯示壓力表、液位表，溫度表。壓力表上應清晰標明燃料艙允許的最高壓力和最低壓力。此外，高壓報警、低壓報警（如適用）、高液位報警、低液位報警應安裝在駕駛室或機艙有人值班。高壓報警在達到壓力釋放閥調定壓力之前警報應鳴響。

2.2 氣體燃料壓縮機

氣體燃料壓縮機在現在常用的LNG燃料動力船燃料供應系統并不常見，其主要是應用在高壓發動機或者安裝有BOG氣體回收再液化裝置的燃料供應系統中，它的主要功用是建立初級的具有一定壓力的氣體，特別是對于高壓氣體發動機，其供氣壓力可達30 MPa，為達到這么高的壓力，除了發動機本身的增壓系統外，其對燃料供應系統的供氣壓力也是具有較高要求的，此時就需要在燃料供應系統上安裝有氣體燃料壓縮機系統，以提供合適的供氣壓力。壓縮機的目的主要是對氣體加壓，因此對其主要是進行進氣低壓、排氣低壓、排氣高壓和運行故障的聽覺和視覺報警。

2.3 熱交換器

作為燃料利用中將天然氣從液相轉換為氣相的關鍵設備，熱交換器的關鍵性不言而喻。熱交換器不但要為發動機提供足夠的燃料供應，同時也要保證為發動機所提供燃料“質量”（溫度等）的好壞。依據對其的功能要求，主要針對熱交換器氣體燃料出口溫度進行監控。同時考慮到LNG 超低溫的特性，當熱交換器的換熱介質的凝固點高于液化氣體沸點時，對換熱介質的出口溫度也需要進行監控，并且為防止換熱介質停止循環后造成管路超壓，也需要對其介質的流動性進行監控，一般情況下是通過監控熱交換器的循環泵的轉速來實現。

2.4 氣體燃料發動機

作為天然氣燃料利用中能量形式轉換的關鍵設備——氣體燃料發動機，其工作狀態的監控牽涉到整個船舶的動力安全性。氣體燃料發動機與普通的柴油機相比，在工作狀態上主要是具備了工作狀態不同、工作模式的多樣性，因此對于氣體燃料發動機的監控要求除滿足規范對普通柴油機監控要求外，還應對氣體燃料發動機的工作狀態和工作模式進行監控。

3 燃料充裝、供應系統的安全控制

3.1 燃料充裝系統的安全控制

燃料充裝時常見的管路及閥件的布置方式如圖2所示。

充裝系統包含氣相管路、液相管路、惰性氣體吹掃管路、連接軟管、緊急切斷閥等，對于接收船來講，其主要的風險點在于：充裝站內閥件的氣體泄漏，充裝管路雙壁管通風失效（當充裝管路穿過圍蔽處所時，需要采用雙壁管的形式），雙壁管內氣體泄漏，充裝達到了氣罐的充裝極限，燃料艙壓力高，充裝管路上的ESD 閥失去動力等。對于氣體泄漏采取報警和ESD 閥關閉充裝管路的策略；對于通風失效，由于通風失效并不一定意味著氣體管路出現問題，因此僅僅是報警，以此提示人員通風出現問題；對于燃料艙壓力異常、到達充裝極限采取報警和ESD 閥關閉的安全策略[1]。

圖2 LNG燃料加注原理及加注實例

3.2 燃料供應系統的安全控制

燃料供應系統的安全控制所涉及的對象從燃料艙一直到氣體進入發動機氣缸內，整個鏈路上的處所、設備、管路閥件均屬于燃料供應系統所涉及的對象。處所主要是：燃料艙處所、燃料艙接頭處所、壓縮機室、氣體閥件單元處所（GVU）、機器處所、其他燃料管系穿過的圍蔽處所；設備主要是：燃料艙、熱交換器、壓縮機、發動機；管路閥件主要是：從燃料艙至發動機氣缸蓋前的燃氣管路和雙壁管及其閥件。

如圖3所示，整個燃料供應系統的控制策略是建立在氣體探測、通風系統、探火系統以及其他監測系統之上的，以此為基礎根據不同的對象來建立不同的安全控制策略。

圖3 天然氣燃料動力船舶控制系統圖

1）對于處所的安全控制策略主要針對下述3個方面的來制定安全控制策略。

氣體泄漏：依據探測濃度值的不同，采用先報警后切斷的策略。在切斷時需要依據發動機的類型（單一氣體，雙燃料），發生泄漏的區域（主氣體燃料閥前，后），燃料供應的布置形式（兩個氣罐分別供應不同的發動機等），切斷后船舶的動力性等因素綜合考慮來進行切斷操作。

通風失效：通風失效往往不代表一定會有危險發生，也不代表氣體一定泄漏，因此對于通風失效后的控制策略的制定也需要進行多種因素的綜合考慮。主要考慮的因素有：處所或區域的危險性是否主要依賴于通風，切斷燃料供應后是否會影響船舶的動力性等。

火災：對于探測到火災后的策略，由于已經發生了危險，因此對于這類因素安全控制策略主要目的就是防止損失的進一步擴大，所以其往往是直接采取滅火和切斷燃氣供應的策略。

2）對于設備的控制策略。主要是對燃料艙、熱交換器、壓縮機、發動機等設備的進出口壓力、溫度等參數進行監控，考慮安全性和船舶動力性后采取設備關閉，燃氣切斷等措施。

3）對于管路的控制策略。管路主要是針對氣體泄漏和通風導管（如采用雙壁管）內通風失效（或是管內充正壓惰性氣體），來制定安全策略。其同樣需要考慮燃料供應安全性和船舶動力性。

燃料充裝和燃料供應時各個風險點及對應控制措施及手段見表1和表2。

表1 燃料充裝風險控制表

表2 燃料供應風險控制表

4 結束語

本文通過對整個LNG燃料利用鏈條上的主要設備的梳理及功能分析，確定主要的監控設備是：燃料艙、熱交換器、壓縮機、氣體燃料發動機，并對LNG燃料充裝系統和供應系統進行了風險點及對應控制措施及手段分析，此舉對實現船舶安全利用LNG燃料有著很好的現實指導意義。