船舶LNG 雙燃料改裝電氣設計

詹 波

0 引言

根據不完全統計，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 雙燃料動力系統改裝主要圍繞兩大部分展開，一部分針對是船舶主機，發電機，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 燃料供氣系統進行，此系統按構成劃分主要有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 供氣系統構成示意圖

2 LNG 雙燃料船舶規范

相比一般商業船舶，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則》（IGF 規則），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則》（IGC 規則）。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 規則、IGC 規則基礎上制定了各船級社的標準及規范，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 規則，各船級社規范及指南的要求。

3 LNG 雙燃料改裝電氣系統設計

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，電氣系統的設計及改裝工程也基本以配合這些設備及新增系統的加裝而展開，如再液化、蒸發氣裝置、供氣泵、軟管吊等帶來的配電系統、自動化系統的改造[2]，在此基礎上也會涉及到一些輔助系統及設備的改裝設計，例如船內通信報警，監控及安全系統，照明系統等內容。

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，見圖3。為了加裝的供氣系統等設備，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

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，添加新增供氣系統各設備的功率等參數更新改裝后電力負荷數據。以了解改裝后各工況下的電網負荷情況。

因改裝會造成原船電網出現較大變化，根據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

進行電力系統改裝設計時，各新增設備供電電源可以優先從用原船配電板或電力分電箱內的備用開關取電。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；S為變壓器容量。

3.2 LNG 燃料供氣系統

LNG 燃料供氣系統屬于船舶雙燃料改裝中的核心系統，該系統的各控制及監測功能主要通過一套帶有顯示器的主控制柜來實現。為在操作方便的同時節省主機柜至各相關系統的電纜，設計中可以將該主機柜布置于集控室內，通過機柜集中對燃料供氣系統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狀態。作為改裝中的核心系統，供氣系統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、氣體探測系統、制氮裝置等，并且與原船部分系統也有不少接口，在設計時需要特別注意。燃料供氣系統與其他相關系統的接口見圖5。

圖5 燃料供氣系統與其他相關系統的接口示意圖

3.3 緊急切斷（Emergency Shutdown，ESD）系統

為滿足規范的要求，需要在改裝船上增加ESD系統，此系統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 燃料處理系統處于安全狀態，可以通過手動和自動的方式操作。ESD系統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 系統觸發時能迅速引起船員的注意[4]。ESD 系統通過船船連接系統，與加注船或岸基加注站通過電氣連接，實現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

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，確保氣體燃料系統的安全和可靠運行[5]。

此系統設計時，需要注意在加注區域配置氣體探測及手動啟動按鈕，以在發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。出于安全以及規范要求，還需要在改裝的各供氣系統及設備處所增加氣體探測系統，并在在駕駛室或集控室設置聲光報警器。根據規范要求，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。

所配置的探頭數量需要能覆蓋該區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，應觸發安全系統，即ESD 系統。因此，設計時還需要注意氣體探測系統與ESD 系統間的信號接口匹配等問題。

3.5 內部通信和報警系統

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。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域。因此，針對內部通信及報警系統，部分系統的改裝設計如下：

1）針對聲力電話系統，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。因燃料加注站區域劃分為危險區域，需要配置壁掛式防爆電話。

2）針對自動電話系統，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，在新增燃料準備間，供氣系統配電間和必要室外位置安裝廣播揚聲器，防爆區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

改裝中有新增的艙室，必然會涉及到照明系統的改裝，以滿足日常工作照明需要。新增照明系統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的各照明回路中做設計修改。在對照明系統進行改造時，需要注意設計的各照明回路燈點總數不超規范要求的24 盞。同時，艙室布置變化后，各逃生通道可能發生變化，需要根據改裝后的通道來布置正常及應急照明以滿足規范對相應區域的照度要求。

4 LNG 雙燃料改裝危險區域劃分

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

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

圖7 改裝后的危險區域劃分示意圖

在各電氣系統的設計中，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，改裝后各危險區域可優先選用隔爆型防爆設備，燃料儲罐內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域中，見表2。

表2 常用防爆型式及適用區域

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能環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，船廠需要根據改裝船舶的船型，船舶主機等設備配置情況以及相關規范要求，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范要求前提下，盡量降低改裝成本，縮短改裝周期。