“浦海211”轮LNG双燃料动力的电气改造设计

刘 峰，李荣宗，徐本举

（1. 上海船舶运输科学研究所运输事业部，上海 200135；2. 长江重庆航道工程局，重庆 401147）

“浦海211”轮LNG双燃料动力的电气改造设计

刘 峰1，李荣宗1，徐本举2

（1. 上海船舶运输科学研究所运输事业部，上海 200135；2. 长江重庆航道工程局，重庆 401147）

随着排放问题的日益突出，航运业正在逐步向节能低碳方向发展。LNG作为高效清洁的能源成为了未来船用燃料的首选，伴随着国家政策的支持，国内需要改造成为LNG双燃料动力的船舶将会越来越多。本文以“浦海211”轮为例，介绍LNG双燃料动力船舶的电气改造设计，希望为以后类似的船舶改造项目提供相应的参考。

电力系统；LNG双燃料控制系统；安保监控；危险区域

0 引言

近年来，随着全球航运业的蓬勃发展，燃油消耗的不断增加，排放问题的日益突出。为缓解石油资源的枯竭和气候的变化，航运业正积极向节能低碳的方向发展。而液化天然气（LNG）作为一种高效清洁的能源日益受到各国的青睐，与传统的燃油相比，这种燃料具有安全、环保、经济性等方面的优势，成为了未来船用燃料的首选。

2011年，交通运输部颁布《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》，将试点应用LNG燃料动力船舶技术，随后又陆续出台支持并大力推进LNG燃料动力船舶的各种相关文件。集团为贯彻落实国家关于“节能减排”的要求，实现绿色交通的目标，将内河200TEU集装箱船“浦海211”轮作为试点船舶进行LNG燃料动力改造。根据当时《天然气燃料动力船舶规范》草稿的要求，机舱型式一般分为本质安全机舱、ESD防护型机舱和增强安全型机器处所。国外LNG燃料动力船舶普遍采用本质安全型机舱，而内河船常采用增强安全型机舱。本质安全型机舱相比增强安全型机舱更合理，更安全，投资成本也更低，最终经过重重研讨选定了“浦海 211”轮为本质安全型机舱的实施方案。“浦海211”轮的LNG双燃料动力系统改造项目在实施本质安全型机舱过程中，由于为国内首制，克服了规范、建造和检验等重重困难下，在2014年初改造完成，经过一年多的营运，各项指标均达到预期效果。本文将“浦海211”轮的LNG双燃料动力的电气改造设计做一些简单介绍。

1 电力系统的改造设计

本项目船的改造是将原主推进柴油机改成LNG和燃油的双燃料混合动力船舶。改造的主要内容是在船舶艉部区域设置LNG储气罐、气阀连接处所和热交换单元等，在机舱区域增加气体阀箱、原主推进柴油机的LNG双燃料混合进气装置和LNG双燃料控制系统等。因此本船电力系统的改造主要思路是在保持原有系统不变的情况下，对新增加的设备进行安全有效的供电，对其他专业的改造实行有效安全的配合工作。电力系统主要的修改如下：1）核算新增加设备对电站容量的影响；2）气罐处所实现安装有效的主应急照明系统；3）在重要区域实现安装气体探测系统和火灾探测系统；4）新增加的两台导管风机实现一用一备，故障报警及自动切换；5）新增加的两台热交换给水泵实现一用一备，故障报警及自动切换；6）双燃料控制系统实现有效的供电及安装；7）在危险区域内的设备实现安全处理。

2 LNG双燃料控制系统

LNG双燃料动力系统主要是对柴油机燃油和燃气供给量进行控制，使两者在不同的工况下达到合适的匹配，以满足发动机安全性、动力性、经济性和低排放的要求。本项目船中该系统同时还用于监测船用LNG双燃料动力模块的运行状态及重要参数；对燃气泄漏、火灾报警、动力模块进行实时检测；当动力模块、LNG热交换单元、LNG储罐发生故障、火灾报警、燃气泄露等情况发生时采取相应控制策略,保障船用LNG双燃料动力系统的持续、有效的安全运行。LNG双燃料控制系统见图1。

图1 LNG双燃料控制系统简图

2.1 安全性原则

双燃料控制系统是以船舶推进动力系统的持续、有效和安全运行为基础。在本船施行改造前，项目组去实船调研研究可行性方案，和同行专家研讨审核并确定最终改造方案。在设备方面，选择符合质量要求和安全性高的产品；在布置方面，布置罐体及阀件管路尽量远离生活区及其他危险源；在施工方面，严格要求按审批图纸施工，同时配合审核部门完成每一道工序，确保施工规范化；在验收方面，认真按照各设备要求逐一试验，确定能完全满足规范和使用要求；在运行方面，严格实行规范操作模式，同时安装实时监测系统。

2.2 监控系统

本项目船是在原有发动机上新增加了双燃料动力控制系统，发动机的调速还是依靠原有发动机的调速装置。根据双燃料控制系统内部预先设定的“全程转速范围内的最低燃油位置曲线”生成当前转速下期望的燃油供应量，双燃料控制器会实时监测如排气温度、燃气温度、增压器压力、燃气压力、冷却水温度等信号并通过预先设定好的曲线或曲面，同时根据当前的转速及燃油供油位置计算出燃气在当前工况下的最高限制值，通过逐渐提高燃气的供应量使其燃油替代率最佳。

LNG双燃料控制系统系是对气罐主阀、主气体燃料阀、联锁气体阀、管路透气阀等执行机构进行遥控及监测，正常工况下保证对发动机燃料供应，并对包括导管通风、火灾、气体泄漏、气罐异常、发动机故障等情况进行实时监测，在异常状态下进行相应报警、关阀、透气等安保动作。气体燃料控制系统还具有与其他监测系统通讯的功能。具体的安保监控功能如表1所示。

表1 气体燃料充装系统的监控

表2 气体燃料供应系统的监控

续表2：

本项目船在进入稳定航行后，先开启导管抽风系统和LNG交换单元的加热系统，当LNG供气系统无故障报时，当主机转速达到设定值780r/min时，可自动或手动转入双燃料运行模式，此时主机可以按正常习惯操作加减速；当主机突然卸载时，在LNG双燃料控制系统的控制下，发动机进气量会迅速减少，保证发动机的正常运行；在双燃料模式行驶过程中，发动机在低于780r/min以及高于1200r/min（主机额定转速）时，双燃料控制系统自动转为纯柴油模式；当需要停止双燃料模式时，应提前15分钟将LNG储罐出液阀关闭,使热交换单元和液相管路中的 LNG充分用尽,待热交换单元出气压力低报警后再将运行模式转换至纯柴油模式；当在双燃料运行过程中遇到系统故障时，可按表一和表二的“安保监控功能表”中预设功能实现相关安保动作。

2.3 故障记录及处理

双燃料控制系统实时监测各设备运行状态及参数，判断故障发生及故障类型，输出声光报警，根据故障类型决定是否切除双燃料。监测信号通过 RS485通讯协议采集发动机重要参数及运行状态，通过开关量信号采集双燃料工作状态和火灾等开关信号，通过模拟量采集甲烷浓度、气体压力值和温度等数值。所有的重要参数及报警都可以在控制屏程上实时显示运行状态。工作人员可以查询以往故障报警，分析总结故障原因，实现提前维护保养，减少故障发生率。

3 危险区域的控制

LNG燃料动力船舶危险区域的控制至关重要，危险区域控制的好坏直接影响到船舶安全。对LNG燃料动力船舶的危险处所进行危险识别和风险评估，在此基础上结合现有 LNG燃料动力试点船的实际营运经验，针对后果较严重和发生概率较高的危险点提出切实有效的风险控制措施。

本项目中将LNG储供气设备和管系的主要部分均集中布置在船舶艉部，这样可以远离生活区及其他危险源，同样可以控制危险区域的扩散，方便船员管理和维护。LNG供气系统引起的危险区域主要包括LNG透气系统、LNG通风系统、LNG充装系统和LNG管系法兰接口处。针对以上四个主要引起危险区域的系统，结合船舶的布置，经过仔细优化，满足了船级社的要求。危险区域控制的主要措施如下：1）在危险区域内的设备，均采用合格的防爆安全型产品；2）在危险区域内装设火灾监测系统和气体探测系统；3）在艉部危险区域内集装箱箱角可能产生的火花问题上，采用在危险区域内各箱角附近装设水雾系统；4）在进入危险区域的附近设有危险区域指示图和注意事项。

4 结束语

我所改造的“浦海211”轮是国内LNG燃料改造的首艘满足中国船级社本质型安全机舱的集装箱船，且当时规范还没生效，本船在电气改造设计中更多的从安全型、实用型和功能型角度考虑。根据船舶营运一年多的反馈信息来看，各项指标均也达到预期效果，充分肯定了其重要的现实意义和社会效益。“浦海211”轮的改造成功彰显了我所在LNG双燃料动力改造领域的竞争能力。

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Electrical Renovation Design of LNG Dual Fuel Power System of Pu Hai 211

LIU Feng1, LI Rong Zong1, XU Ben-ju2
(1. Transportation System Division, Shanghai Ship＆Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China; 2. Changjiang Chongqing Waterway Engineering Bureau, Chongqing 401147, China)

With the emissions problem becoming prominent increasingly, the shipping industry is gradually developed in the direction of energy saving. LNG, as the efficient clean energy in future marine fuel, has become the first choice. With the support of national policy, there will be more and more projects about renovation design of LNG dual fuel power. Taking "PuHai 211" as an example, this article introduces electrical renovation design of LNG dual fuel power. It is hoped to provide the corresponding reference for future similar ship's renovation projects.

power system; LNG double fuel power control system; security monitoring; hazardous area

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.012

刘峰（1983-），男，工程师，主要从事船舶电气方面的工作。