船用LNG 供气系统控制、监测和安全系统基础设计

曾小林，丁尚志，李家乐，郭正华，张 晖

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着人类对资源需求的日益增加，天然气以其发热量高、洁净环保成为当今社会的重要能源资源。2009年以来，国家开始推动内河船舶应用LNG 工作，从LNG 港口与码头、LNG 水上加注、LNG 船舶、LNG 水运等方面出台了系列标准和规范，而燃料供气控制系统是LNG 供气的核心组成。针对LNG 船具有不同于常规燃料船舶的风险，燃料供气控制系统集流程控制执行、工作流程监控和安全保护于一体，是实现燃气供应稳定、设备安全运行的核心，其优劣直接影响到全船的整体性安全。

1 LN G 供气系统的概述

LNG 供气系统用于给双燃料发动机供应燃料，主要由加注站、C型燃料舱、汽化器、缓冲罐等组成，其原理如图1所示。

图1 LNG 供气系统原理图

LNG 供气系统主要有加注和供气2个工况，各工况的工作原理如下。

1）加注工况。加注站与加注方连接，加注方先用氮气对加注管路吹扫20 s，然后用闪蒸天然气（Boil Off Gas，BOG）进行预冷；当温度降到−120℃以下，预冷结束，开始进行LNG 加注。当燃料舱气相压力高于0.8 MPa 且温度高于−130℃时，采用上喷淋进液；当气相压力≤0.8 MPa或温度低于−130℃时,采用下进液。加注结束后，加注方进行残液吹扫，然后对加注管路进行惰化。

2）供气工况。水浴汽化器设置在燃料舱连接处所内，将LNG 汽化成压力、温度、流量满足双燃料发动机要求的CNG（Compressed Natural Gas压缩天然气），CNG 经缓冲罐向双燃料发动机GVU（Gas Valve Unit 气体阀件单元处所）供气。自增压自动维持燃料舱内压力，保证LNG持续不断流出燃料舱，维持供气质量。

2 控制、监测和安全系统硬件设计

2.1 设计原则

控制、监测和安全系统主要目的是保证供气系统持续、高效、稳定和安全运行，设计时要充分考虑系统独立性、稳定性、可靠性、功能完善性、控制逻辑合理性和设备、船舶安全性的原则。但控制系统和安全系统功能的侧重点不同，控制系统主要侧重于工艺流程的控制，而安全系统主要侧重设备和船舶的安全防护，减少LNG 泄露等带来的危害。

2.2 总体结构

控制、监测和安全系统采用基于PLC的分布式控制结构，由于LNG 具有超低温、易燃、易爆等特点，为了避免受共因故障的影响，控制、监测系统和安全系统完全独立，控制、监测系统和安全系统所用的PLC控制器、电源、交换机、传感器和电磁阀等完全独立，但实现燃料供应的气动阀不需要重复设置，一个系统的故障不会影响另一个系统的运行；控制、监测和安全系统由主电源和备用电源2路电源供电，任何一路电源故障自动切换到另一路电源供电，且电源切换过程不会影响系统的正常运行；控制、监测系统和安全系统网络相互独立且都采用星型拓扑结构，任一系统的网络故障都不会影响另一系统；控制箱、驾控台控制面板上都安装有触摸屏（HMI），任意一个触摸屏硬件故障或通讯故障，其功能都能完全由另一个触摸屏代替，且不影响系统的正常运行。其网络结构如图2所示。

图2 控制、监测和安全系统网络架构

控制系统和安全系统都是基于罗克韦尔Compact 5370 PLC以太网分布式架构，系统使用灵活、扩展性强，当供气系统的工艺流程改变或功能需求改变时，只需增加PLC或者远程I/O 模块的数量和修改控制程序，而无需改变原系统架构，即可满足新系统的要求。

触摸屏（HMI）选用北尔电子X2 pro人机界面，具有2个独立IP地址的以太网口，触摸屏和控制系统、安全系统的通讯链路完全独立，任一链路故障，都不会影响另一个系统，增强了系统的可靠性和独立性。

系统内部的通讯协议采用EtherNet/IP，但与可燃气报警系统间的通讯协议采用Modbus RTU，通讯接口为RS485，与GVU 控制箱、IAS等外部系统的通讯协议采用Modbus TCP，通讯接口为以太网。

2.3 系统组成

控制、监测和安全系统包括控制、监测和安全系统控制箱（以下简称控制箱）、驾控台控制面板，通风风机控制箱、可燃气体探测系统（可燃气体控制器和可燃气体探测器）、火灾报警系统（火灾报警控制器和感温、感烟探头）、加注站监测箱、传感器等，如图3所示。

图3 控制、监测和安全系统组成

控制箱是控制、监测和安全系统的核心，控制系统和安全系统的PLC、电源、交换机和安全栅等都布置在控制箱内。加注监测箱布置在加注站旁，加注作业时方便操作人员查看LNG 燃料舱的温度、液位和压力等参数及报警信息。安全系统配置独立的可燃气体探测系统和火灾报警系统，可燃气体报警系统和火灾报警系统把异常报警信号传输给安全系统PLC，触发安全系统动作。现场电气设备依据危险区域的不同，选择防爆类型合适的电气设备，防爆类别和温度组别应不低于IIA，T2，本安型设备要通过安全栅连接到控制箱内的PLC模块。

3 控制、监测和安全系统软件设计

3.1 软件功能

深入了解供气系统的工艺流程原理是程序设计的基础，软件功能即要满足工艺控制需求，也要满足船级社规范要求，应具有以下功能：

1）数据采集功能。现场压力、温度、液位和可燃气体浓度等传感器信号的采集。

2）显示功能。实时显示各工艺流程的状态、过程数据和报警信息。

3）控制功能。自动/手动控制供气系统的加注阀组、主供液阀、主供气阀、透气阀和互锁气体阀等阀门的动作，燃料舱连接处所和GVU 通风风机的启停。

4）报警联锁保护功能。有报警发生时触发声光报警，依据不同的报警级别能自动采取相应的安全保护措施。

5）数据记录和查询功能。

6）自检功能。现场传感器、PLC、通讯链路、ESD 链路等能进行自检，当有故障发生时，能显示故障信息。

7）参数设置功能。操作人员在权限范围内修改相应的报警参数，调节工艺控制参数等。

8）加注方ESD 信息处理。

9）操作人员权限管理。

3.2 触摸屏软件设计

触摸屏采用北尔iX Developer 软件进行组态编程，具有良好的人机交互界面，实时显示供气系统的工作状态、过程数据、数据趋势、报警信息和历史报警信息。在手动工况下，操作人员可以手动远程控制供气系统上的燃料舱主阀、主气体燃料阀、互锁气体阀和管路透气阀，风机的启停，水/乙二醇循环系统的循环泵和加热器的启停等，操作人员还可以设置报警值等参数。此外，一些重要的过程数据和报警信息以“.xls”的文件格式存储到存储卡，并且数据记录可导到外部存储器内，方便操作人员查看和分析数据。以供气流程为例，供气流程界面如图4所示。

图4 供气流程界面

3.3 PLC控制程序设计

控制系统PLC控制程序侧重于工艺流程的控制，安全系统PLC程序侧重于设备和船舶的安全保护，系统逻辑框图如图5所示。

控制系统和安全系统PLC程序都采用罗克韦尔Studio 5000软件进行编程，根据系统逻辑框图编写PLC程序。PLC采集现场传感器信号，并循环执行程序，按逻辑框图设定条件自动判断和执行动作，满足LNG 供气系统的控制需求。为了保证供气的连续性和稳定性，设置合理的报警级别，当有故障报警（危害较小的报警）发生时，触发声光报警，并且PLC系统进行自调节；当有关断报警（危害较大的报警）发生时，触发声光报警并且PLC系统立即关闭阀门，使供气系统处于一个安全状态。

图5 控制、监测和安全系统逻辑框图

4 结论

本文在详细分析LNG 供气系统加注工况和供气工况的工艺流程原理的基础上，采用基于PLC的分布式网络架构设计控制、监测和安全系统，控制系统和安全系统相互独立，控制方案设计合理，即满足了供气系统工艺流程的控制需求，又提高了供气系统和船舶的安全性。实际使用证明，该系统符合规范要求，功能完善，具有较高的稳定性和可靠性。