船用雙燃料發動機燃氣供給控制邏輯研究

摘 要：本文簡要介紹了船用雙燃料發動機燃氣供給控制系統的組成及各子系統所起的作用，并分析了常見的兩種燃氣供應控制方式：主機遙控控制、供氣系統控制。對燃氣主閥的開閉邏輯進行了細化。通過該研究為雙燃料船舶設計及燃氣供給功能調試提供參考依據。

關鍵詞：燃料供給控制：控制方式：燃氣主閥開閉邏輯

中圖分類號：U664.121

文獻標識碼：A

1 前言

船舶應用雙燃料發動機可有效減少船舶廢氣排放，將成為未來發展的趨勢。但是，對于雙燃料發動機燃氣供氣系統與輔助安保系統之間的接口設計與應用，尚處于起步發展階段，甚至出現遙控生產廠家未參與過主機外部輔助系統安保邏輯控制的情況。由于天然氣（LNG）存在易燃、易爆、易泄露等危險特性，以及根據規范要求，雙燃料發動機在實船中的應用還涉及到與船舶輔助設備之間的接口以及控制邏輯關系。其中，船舶輔助安保系統包括：燃氣探測系統、燃氣雙壁管通風系統、船舶火災報警系統、燃氣應急切斷系統、惰性氣體吹掃系統等。本文根據船級社規范要求，結合某雙燃料運輸船的實際設計經驗，對雙燃料發動機供氣系統的控制與安保系統之間的邏輯關系進行分析，為類似項目提供參考。

2 燃氣供氣系統及輔助安保系統簡介

2.1 燃氣供氣系統

燃氣供氣系統是以低溫液態LNG為燃料，存儲在低溫儲存罐內，通過自然氣化或者熱交換強制氣化達到要求的壓力;同時，通過熱交換達到設備的使用溫度后，根據主機負荷要求，通過溫度控制閥和壓力調節閥調節至相應的溫度和壓力范圍，再通過供氣主閥從雙壁管管路輸送至燃氣閥組調節單元或氣體壓力調節系統，經精確調整后才能提供給主機使用;要使供氣主閥打開讓燃氣順利地供應給主機，不但要滿足上述條件，還需要配置相應的輔助系統以確保供氣安全。因此，燃氣探測系統、燃氣雙壁管通風系統、船舶火警系統、燃氣應急切斷系統、燃氣排氣系統等輔助系統也尤為重要。

2.2 燃氣應急切斷系統

燃氣應急切斷系統作為一個獨立的系統，可以作為只涵蓋燃氣系統的單獨系統（僅限于雙燃料的非LNG船舶），也可以作為LNG船舶的一個涵蓋LNG系統及燃氣系統的應急切斷系統。在燃氣發生泄漏或貨艙區發生火災等威脅船舶安全時，以及加注LNG前的測試中，該系統會被激活切斷燃氣供應的閥門并停掉相關的泵組。

2.3燃氣探測系統

燃氣探測系統是用來連續監測氣體泄漏，通常在雙燃料發動機艙室內至少要配置2套獨立的探測器，互為備用，其通常是采用固定式氣體探測系統，當發生氣體泄漏時會導致雙燃料發動機緊急停車。

探測系統的布置，需要滿足船舶設計要求，燃氣排放口、燃氣入口、燃氣閥組調節單元及雙燃料發動機頂部、發動機本體上的環形管區域的探測，由發動機白行采集計算。

一般氣體探測系統為獨立的系統，若是雙燃料運輸船舶，可以不單獨設置氣體探測系統，可直接集成至燃料輸送系統氣體探測系統，當探測到的信號異常時，可轉換為DO信號輸出至機艙監測系統統一采集。

2.4燃氣雙壁管通風系統

雙燃料發動機布置在機艙區域，燃氣輸送管一般選擇雙壁管，雙壁管泄露至外管內的氣體通過通風系統進行及時吹掃，不會泄露至機艙安全區域內;另外，燃氣調節單元若是采用燃氣閥組單元，則其雙壁管通風信號也需要采集;若燃氣調節單元采用綜合氣體壓力調節系統，則其燃氣雙壁管集成在發動機本體上，不需要再單獨采集。因此，雙壁管風機是否運行將直接決定燃氣主閥的開閉狀態，具體運行信號可通過機艙監測系統進行采集處理。

2.5燃氣管氮氣吹掃系統

氮氣吹掃系統是利用氮氣將燃氣管路中的燃氣清除。通常，雙燃料發動機根據不同的報警等級進行區分，根據不同的監測等級，判斷發動機本體雙壁管環路的燃氣是否需要吹掃，若需要則利用氮氣吹掃掉。首先對管路中燃氣進行透氣泄放，然后再用氮氣對管路中殘余燃氣進行吹掃。

2.6 機艙通風系統

雙燃料發動機布置在機艙區域，按照船級社規范要求，其所布置的艙室應至少安裝2個機械通風機。按艙室總容積計算，通風量至少可以使艙室換氣30次/h，且當其中任何1個通風機停止工作時，其余通風機的排量之和仍應不小于所需的總通風量。

2.7 船舶火災報警系統

火災報警系統是監測船舶火災安全的系統，其火災報警控制器分為感溫、感煙探頭。在雙燃料發動機艙室、燃氣管路、燃氣液貨設備間觸發火警信號時，需要直接關閉主燃氣閥，以確保船舶安全;對于監測區域火災探頭的選擇，需要按照船級社規范和具體使用條件進行綜合分析選擇，通常選用感溫或火焰探頭，該信號可直接采用原火警信號，不需要單獨配置.同時，可通過火警系統將所采集的區域綜合集成為一個公共觸點輸出。

2.8 船舶監測報警系統

船舶監測報警系統主要用于船舶安全監測、輔助判斷與報警信息采集和存儲。輔助安全系統的信號采集是由監測報警系統執行，在設計前期需考慮輔助安全設備的接口數量問題，通常是選用DI輸入、DO輸出。

2.9 主機遙控系統

主機遙控系統主要負責發動機安保監測及遠程控制，燃氣主閥、氮氣閥、惰性氣體排氣閥由遙控系統綜合控制。

3 燃氣供應與輔助安保系統控制邏輯

3.1 燃氣控制系統簡介

雙燃料發動機燃氣供應最重要的部分就是控制系統，通過合理的控制邏輯可以優化供氣流程，做到更精準安全。通常，供氣系統的控制形式有兩種（見圖1、圖2）：由主機安保系統控制;由燃氣供應系統控制。

由主機遙控系統控制燃氣供氣主閥，將所有的閥開閥關邏輯信號全部由遙控系統進行采集處理;由供氣系統控制，則是所有的閥開閥關邏輯信號由供氣系統采集處理。

決定燃氣供氣系統主閥開閉狀態的外部輔助信號是可變的，具體需要按照船級社規范和船舶性能決定;同時，燃氣供應系統與燃氣調節單元也有著密切的聯系。

3.2 燃氣主閥控制邏輯

3.2.1 燃氣主閥打開控制邏輯

氣體燃料主閥的開閉狀態，受供氣系統及外部輔助安全系統影響，需要對其相關聯的所有輔助安全系統進行安保監測，當所有狀態備妥后才能達到正常開閉條件;燃氣供氣主閥的開閉控制，可通過船舶監測報警系統及主機遙控系統共同來實現。下面介紹燃氣主閥的開閉控制邏輯（見圖3）。

燃氣供氣主閥打開條件如下：

（1）當雙燃料發動機備妥后，主機允許供氣;

（2）當供氣系統白行判斷備妥;

（3）氮氣吹掃閥關閉;

（4）透氣閥關閉;

（5）主機雙壁管通風運行。

當以上五個條件全部滿足后，由主機遙控或監測報警系統發送開閥命令至燃氣供氣系統，同時關閉燃氣管氮氣吹掃閥和氮氣主閥，再由供氣系統執行開閥命令。

3.2.2燃氣主閥關閉控制邏輯

供氣系統主閥關閉控制邏輯受較多因素的影響，當供氣系統或相關輔助系統任一條件出現故障時，將關閉供氣系統燃氣主閥。具體控制邏輯，見圖4。

燃氣供氣主閥關閉條件如下：

（1）發動機不允許供氣;

（2）發動機應急停止激活;

（3）燃氣調節單元燃氣切斷;

（4）供氣系統燃氣切斷;

（5）燃氣應急切斷;

（6）雙燃料發動機艙室、燃氣管路、燃氣液貨設備氣體探測系統高高位報警;

（7）雙壁管風機停止或故障;

（8）雙燃料發動機艙室、燃氣管路、燃氣液貨設備間火警;

（9）遙控系統燃氣切斷。

以上所有信號可通過監測報警系統集中采集，當上述任一條件出現時，由監測報警系統采集并發送觸點信號至主機遙控系統，再由主機遙控系統發送命令至燃氣供氣系統，執行關閉燃氣主閥命令。當燃氣主閥關閉后，雙壁管管路中的燃氣是否需要吹掃，視發動機狀態和具體的報警點類型決定。

3.2.3 燃氣主閥人機界面

燃氣供氣系統邏輯控制，可以通過監測報警來實現。根據其具體的邏輯框圖制作成mimic圖操作界面，既滿足了用氣系統的遠程操作，又提高了船舶的安全，實現人機交換，通過遠程執行命令。

4 燃氣閥組調節單元與壓力調節系統的控制優缺點

4.1 燃氣閥組調節單元

將氣體的采集、探測、清洗集為一體，全部在主機外部完成，是獨立于主機本體的供氣壓力、流量調節閥組單元。通過自身的調節控制系統，將調節后的氣體送至主機。

其特點是：氣體經過閥組調節輸送至主機本體后，還需進行二次調節才能供主機使用。

其布置要求：一般布置在機艙中，受機艙結構和機艙設備布置的影響，需要尋找合適的位置單獨布置。

4.2 壓力調節系統

將氣體的采集、探測、監測、清洗全部在主機本體上完成，完全不同于常規的雙燃料主機。

其特點是：氣體參數是通過壓力調節后直接供主機使用，即可直接精確調節燃氣壓力，滿足雙燃料發動機要求。

布置要求：由于其氣體探測傳感器、流量計、氣體調節閥、DBB閥、電控箱等集成為一個整體布置在主機本體上，與主機合為一體，因此不受機艙結構的影響，可直接解決機艙設備多、空間緊張的問題。

5 結論

結合雙燃料氣體運輸船實船設計經驗，通過分析雙燃料發動機燃氣供氣系統主閥開閉的使用條件，對供氣系統與輔助安全系統之間的邏輯關系進行細化，為雙燃料發動機在雙燃料動力船或雙燃料運輸船上提供參考。其中，包括燃氣切斷系統、燃氣管氮氣吹掃系統、燃氣雙壁管通風系統、機艙通風系統、船舶火災報警等系統、燃氣供氣系統、主機遙控和監測報警系統之間的邏輯關系，可為類似船型前期技術協議簽署提供參考依據，可提前匹配好相關聯設備的接口，避免后續增加接口導致增加費用;同時，可為后期船舶調試提供邏輯依據。

參考文獻

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