小型LNG船主要電氣系統(tǒng)設(shè)計

王有利，豆慶民，紀(jì)立帥，趙永玲

（1.大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113；2.中車大連機(jī)車車輛有限責(zé)任公司，遼寧大連 116022）

小型LNG船主要電氣系統(tǒng)設(shè)計

王有利1，豆慶民1，紀(jì)立帥1，趙永玲2

（1.大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113；2.中車大連機(jī)車車輛有限責(zé)任公司，遼寧大連 116022）

文章對大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司建造的28 000 m3LNG船主要電氣系統(tǒng)進(jìn)行了簡要介紹，根據(jù)LNG船特點(diǎn)，對危險區(qū)、液貨控制以及雙燃料發(fā)動機(jī)控制等主要電氣系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析總結(jié)，對以后建造類似船舶提供參考。

液化天然氣；危險區(qū)；液貨控制；雙燃料發(fā)動機(jī)

0 引言

小型LNG船在運(yùn)輸貨物的多選擇性方面具有明顯優(yōu)勢，由于LNG需要在-163℃的低溫儲存和其他非?？量痰倪\(yùn)輸要求，小型LNG船還可以運(yùn)輸乙烯、丙烯、丁二烯等石化貨物。隨著中國對LNG能源需求與日俱增，LNG衛(wèi)星站的建設(shè)和碼頭基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)環(huán)節(jié)不斷成熟和完善，憑借機(jī)動靈活，支線調(diào)度周轉(zhuǎn)快，受航道水位和橋梁凈高等條件制約小等特點(diǎn)，小型LNG船擁有非常廣闊的發(fā)展前景。

大連中遠(yuǎn)船務(wù)建造的28 000 m3LNG船為一艘單機(jī)單槳、雙燃料主機(jī)驅(qū)動可調(diào)槳推進(jìn)的運(yùn)輸液化LNG的氣體運(yùn)輸船，帶PTO功能，2G型船，屬國際航線，主要航行于中國沿海港口，全船共設(shè)三個貨艙，貨艙區(qū)為單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，并設(shè)有頂邊艙和底邊艙及雙層底。每個貨艙內(nèi)設(shè)置一個獨(dú)立式LNG液貨艙。液貨艙為三個獨(dú)立的IMO認(rèn)可的C型貨罐（雙耳型），設(shè)計貨物密度0.50 t/m3，最小設(shè)計溫度-163℃，液貨艙設(shè)計壓力大約為0.35 MPa（IMO）。入級CCS，滿足液貨部分船級符號要求：CSA LNG Carrier, Type 2G, Type C Independent Tank; Max.Vapour Pressure 0.35MPa; Min.Cargo Temperature -164℃。下面對本船主要電氣系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 危險區(qū)劃分[1]

危險區(qū)劃分的原則是在某區(qū)域出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境和點(diǎn)火源如不可避免，則必須采取措施減少或避免上述兩種情況同時發(fā)生的可能，以將爆炸的可能性降到可以接受范圍。劃分危險區(qū)的主要目的是為了正確選擇和安裝該區(qū)域的電氣設(shè)備。在設(shè)計初期就應(yīng)該進(jìn)行危險區(qū)域劃分，以便合理選擇電氣設(shè)備。

危險區(qū)的定義與可能形成爆炸性氣體環(huán)境的物質(zhì)、釋放源、氣密邊界和通風(fēng)等因素密切相關(guān)。中國船級社根據(jù)IEC 60079-10-1出版物《爆炸性氣體環(huán)境中的電氣設(shè)備》第10-1部分“危險區(qū)域劃分”的原則，將船上危險區(qū)域劃分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。

如圖1所示，本船危險區(qū)0區(qū)主要包括：液貨艙；污油水艙；以及這些艙的真空管系或其他透氣系統(tǒng)。1區(qū)主要包括：包含獨(dú)立液貨艙的貨倉處所；毗鄰液貨艙的空倉和壓載艙；液貨艙正上方的圍蔽或半圍蔽處所（壓縮機(jī)室）；距離液貨艙艙口、氣體出口、貨物分配閥、法蘭等3 m內(nèi)的區(qū)域；距離提供貨物裝卸、壓載等透氣管向上半徑6 m無限高垂直圓柱，和透氣管向下半徑6 m內(nèi)的露天甲板區(qū)域；裝有貨物軟管或管路的艙室或圍蔽或半圍蔽處所。2區(qū)主要包括：距離1區(qū)周圍1.5 m內(nèi)區(qū)域；距離提供貨物裝卸.壓載等透氣管向上半徑6 m無限高垂直圓柱和透氣管向下半徑6 m內(nèi)的露天甲板區(qū)域外4 m區(qū)域；連續(xù)甲板外延3 m，且離甲板高度2.4 m內(nèi)開敞甲板區(qū)域等。

2 液貨控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)描述[2]

液貨控制系統(tǒng)主要控制對象包括：液貨艙、液貨泵（深井泵）、甲板罐、燃?xì)獗谩OG（boil-off gas）壓縮機(jī)、乙二醇泵、燃?xì)饩彌_罐、蒸發(fā)器、氣液分離罐、氮?dú)庋b置等。液貨艙相關(guān)的處理工作主要有：1）卸貨后：除液（掃艙）、暖艙、惰化、透氣。2）裝貨前：干燥、惰化、驅(qū)氣、冷卻、裝載。另外還有關(guān)于雙燃料主機(jī)采用液貨艙蒸發(fā)氣，如果蒸發(fā)氣不足，要將液貨利用強(qiáng)制蒸發(fā)器進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)，供主機(jī)燃燒。

惰化是指向液貨艙充入惰性氣體保證貨艙的不燃性。惰化和干燥可以同時進(jìn)行。本船配有一套膜式分子篩選式氮?dú)獍l(fā)生器，可以產(chǎn)生純度高達(dá)98%的氮?dú)?，貨艙干燥后再進(jìn)行惰化，艙內(nèi)氣體在惰化中通過透氣桅柱排出船外。

驅(qū)氣是在液貨艙冷卻前，需要將艙內(nèi)的氮?dú)夂驼舭l(fā)器混合氣體排出液貨艙。

冷卻是指為防止裝載LNG時，超低溫的液體突加的危險，先將液貨艙和管路用少量LNG進(jìn)行冷卻至-130℃。

裝載時使用岸上的液貨泵，將岸上的LNG輸送到液貨艙，期間液貨艙將產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣，利用液相管從岸上向船上輸送蒸發(fā)氣，利用氣相管從船上向岸上輸送蒸發(fā)氣，這樣來維持液貨艙內(nèi)壓力平衡。

卸載時利用液貨艙貨油泵將LNG輸送到岸上，蒸發(fā)氣返回液貨艙或強(qiáng)制蒸發(fā)LNG，維持液貨罐內(nèi)壓力平衡。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

液貨控制電氣部分主要包括：貨物控制報警板、電腦監(jiān)控系統(tǒng)、貨物配電板、液貨測量系統(tǒng)、燃?xì)獗O(jiān)控站。如圖2所示。

1）貨物控制報警板CAB（cargo control and alarmboard）

貨物控制報警板由兩套獨(dú)立的UPS供電，兩套CPU提供雙冗余控制。壓力、溫度、液位、流量等信號通過I/O模塊采集輸入到CPU。跟安全相關(guān)的應(yīng)急停止、火警探測、溢流液位信號通過硬線連接到CPU。應(yīng)急切斷采用常閉點(diǎn)并帶有回路監(jiān)測功能，如果貨物配電板放在危險區(qū)，那么應(yīng)急切斷不僅要切斷主電源，而且要切斷配電板的控制回路。

2）電腦監(jiān)控系統(tǒng)

電腦監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與貨物控制板相連，包括貨控室操作電腦、駕駛室監(jiān)控電腦、集控室燃?xì)獗O(jiān)測電腦、貨控室液位監(jiān)測電腦。電腦配有不間斷電源，并通過獨(dú)立的以太網(wǎng)線與PLC相連，一臺電腦故障不影響另一臺電腦的正常工作。同時可以通過打印機(jī)將電腦屏幕顯示內(nèi)容打印出來，也可以通過USB將所需信息拷貝出來。

3）貨物配電板

貨物配電板由主配電板供電，主要給貨油深井泵、乙二醇泵、BOG壓縮機(jī)、燃?xì)獗玫蓉浳锊僮飨嚓P(guān)負(fù)載供電，分兩個部分雙冗余控制，以確保其中一個故障而另一個可以繼續(xù)為貨物操作負(fù)載供電。每個配電板內(nèi)部控制模塊（由貨物控制報警板控制）通過Profibus Line與貨物控制報警板CAB相連。應(yīng)急切斷時，切掉負(fù)載供電電源，同時關(guān)斷貨物控制板的控制電源。

4）液貨測量系統(tǒng)

由雷達(dá)式探頭組成的液貨測量系統(tǒng)，輔助壓力，溫度探測，全面監(jiān)控液貨罐貨物狀態(tài)，探測信息由貨控室的電腦集中顯示，并可以打印輸出。

5）燃?xì)獗O(jiān)控站

在集控室放置帶觸摸屏控制板，并與貨物控制報警板通過以太網(wǎng)連接，用來監(jiān)控燃?xì)馍a(chǎn)狀況，包括燃?xì)饬髁?、溫度等，并提供報警功能?/p>

3 雙燃料發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)[3]

3.1 系統(tǒng)概述

本船主機(jī)采用W?rtsil? 9L50DF雙燃料發(fā)動機(jī)，主機(jī)通過高彈聯(lián)軸器和齒輪箱驅(qū)動可調(diào)螺距螺旋槳，通過調(diào)節(jié)螺旋槳螺距改變推力推動船舶前進(jìn)。

該主機(jī)有三種操作模式（見圖3）：燃?xì)獠僮髂Ｊ健⑷加筒僮髂Ｊ胶蛡溆貌僮髂Ｊ?。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，達(dá)到一定負(fù)荷后，主機(jī)可在燃?xì)?、燃油兩種操作模式下隨意切換。當(dāng)燃?xì)饽Ｊ匠霈F(xiàn)故障時，主機(jī)將自動切換到燃油模式。

1）燃?xì)獠僮髂Ｊ?/p>

使用低壓燃?xì)庾鳛橹饕剂?，由于燃?xì)獠灰讐喝迹枰獓娚渖倭康娜加停ㄝp柴油）點(diǎn)火。燃?xì)夂忘c(diǎn)火油噴射的量通過共軌系統(tǒng)上的電磁閥控制。由于燃?xì)庠诘拓?fù)荷下燃燒不穩(wěn)定，通常主機(jī)在燃油模式下起動，待達(dá)到10%額定功率后再切換到燃?xì)饽Ｊ健?/p>

2）燃油操作模式

僅以燃油作為燃料，使用傳統(tǒng)的高壓油泵將燃料噴入氣缸內(nèi)。在此模式下，為保證點(diǎn)火油嘴的清潔，點(diǎn)火油同時工作。

3）備用操作模式

在某些緊急情況下，控制系統(tǒng)會自動將主機(jī)切換到此模式，與燃油模式相同，此模式僅以燃油作為燃料，使用傳統(tǒng)的高壓油泵將燃料噴入氣缸內(nèi)。但不同的是，在此模式下，點(diǎn)火油不工作。通常此模式連續(xù)操作的最大時間不得超過30 min。

3.2 燃?xì)饽Ｊ娇刂葡到y(tǒng)

燃?xì)饽Ｊ绞窃撝鳈C(jī)的主要特征，正常情況下，本船由該模式下航行。

主機(jī)的燃?xì)庥袃煞N方式：一種是液貨罐蒸發(fā)氣經(jīng)氣液分離后，進(jìn)入BOG壓縮機(jī)后，再經(jīng)過燃?xì)饧訜崞骷訜嶂林鳈C(jī)要求的溫度，進(jìn)入緩沖罐穩(wěn)壓，供給主機(jī)燃燒。另一種方式是當(dāng)蒸發(fā)氣小于主機(jī)消耗值，則通過甲板罐的燃?xì)獗脧募装骞蕹槲麹NG至燃?xì)庹舭l(fā)器進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)，進(jìn)入緩沖罐后輸送至主機(jī)燃燒。

主機(jī)燃?xì)忾y單元GVU由手動截止閥、燃?xì)鉃V器、聯(lián)鎖氣體閥、燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)閥、透氣閥組成整體布置在氣密罩殼內(nèi)，放置在主機(jī)進(jìn)氣口10 cm以內(nèi)。

3.3 電氣控制系統(tǒng)

該主機(jī)電氣控制系統(tǒng)包括控制、監(jiān)測和自動安全功能。配備一套分散式內(nèi)置電子控制點(diǎn)火管理系統(tǒng)，來控制燃?xì)饣蛉加忘c(diǎn)火注射以及主機(jī)起停、速度控制和安全保護(hù)。系統(tǒng)靠各物理模塊通過CAN協(xié)議總線連接。系統(tǒng)總框圖如圖4所示。

MCM主控制模塊處理所有邏輯控制功能，如主機(jī)起停、速度和負(fù)荷控制。IOM為輸入和輸出模塊；ESM為主機(jī)安全模塊；LCP為本地控制模塊；LDU為本地顯示單元；PDM為動力分配模塊；CCM為氣缸控制模塊。

4 結(jié)論

IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會第70屆會議已經(jīng)決定到2020年船舶燃油含硫量必須低于0.5%，其中進(jìn)入波羅的海、北海和北美沿海水域、加勒比海設(shè)立的排放控制區(qū)（簡稱：ECA）的船舶，2015年其燃油含硫量必須低于0.1%，NOX排放到2016年進(jìn)入ECA的船舶全部實(shí)施NOXTier III標(biāo)準(zhǔn)，以及船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）相關(guān)要求。

天然氣燃燒后的廢氣中幾乎不含SOX和雜質(zhì)，廢氣不用處理就能直接滿足IMO關(guān)于SOX和顆粒的排放標(biāo)準(zhǔn)，能減少15%～20%的CO2排放，從而進(jìn)一步降低EEDI指數(shù)，提高能源效率。

因此，作為清潔能源的天然氣應(yīng)用會越來越廣泛，包括天然氣運(yùn)輸以及以天然氣為動力的船舶前景會非常廣闊。

[1]中國船級社.液貨船危險區(qū)域劃分和電氣配備指南[M].北京： 人民交通出版社, 2010.

[2]李興軍, 高振宇.小型LNG船的液貨處理流程簡析[J].船海工程, 2014,43： 103-106.

[3]瓦錫蘭中國有限公司.Installation Planning Instructions for 9L50DF[S].2014.

Main Electric System Design for Small LNG Ship

WANG Youli1, DOU Qingmin1, JI Lishuai1, ZHAO Yongling2
(1.COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China; 2.CRRC Dalian Co., Ltd., Liaoning Dalian 116022,China )

The article gives a brief introduction for the main electric system on the 28 000 m3 LNG ship,which is built by COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd.According to the features of LNG ship, the summary analysis is given for main electric system design in the dangerous area, liquefied cargo control and dual-fuel engine control.It can provide reference for the construction of similar ship in the future.

liquefied natural gas; dangerous area; liquefied cargo control; dual- fuel engine

U674.38+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.003

王有利（1977—），男，工程師，研究方向：船舶電氣。