傅明初

(上海清海航运有限公司，上海 200135)

浦海211轮LNG双燃料动力改造

傅明初

(上海清海航运有限公司，上海 200135)

摘要:为响应国家节能减排、绿色环保的号召，加强对双燃料动力改造船的管理，以浦江211轮LNG双燃料动力船的改造为试点，对双燃料船的LNG(Liquefied Natural Gas,液化天燃气)低温储罐、燃烧前处理模块、燃烧系统、监控及安保系统等部分的各个环节进行细致描述，并通过对双燃料动力系统的工作原理、实际操作使用及维护保养进行详细介绍，为双燃料动力船日后的应用提供说明。

关键词:船舶节能减排；双燃料动力船舶；双燃料柴油机；使用操作；系统保养

0引言

根据国家海事局《关于明确LNG燃料动力船舶改造试点工作有关事宜的通知》(海船检[2012]48号)的要求，“浦海211”轮作为试点船舶进行了双燃料改造。

“浦海211”于2013年年底开始进厂改造，2014年4月上旬出厂试航，其整个机器处所的总体改造设计由上海船舶科学研究所负责，主机双燃料系统的改造由中石油济柴武汉发动机厂负责，整个船舶改造工程由中国船级社上海分社国内处全程监督、检验并在中海集团工业公司上海立新船厂完成。

1船舶主要参数

“浦海211”轮于2006年在芜湖大江船厂建造，其主要参数如下。

(1) 船舶参数：船长88.23 m，船宽15.60 m，型深5.60 m，空载吃水2.15 m，满载吃水4.20 m；

(2) 主机：型号为8170ZC-11，额定功率530 kW，额定转速1 200 r/min；

(3) 试航航速：设计吃水为3.8 m时，处于深水区、风力不超过3级情况下，试航航速约为19 km/h；

(4) 续航力：设计吃水为3.8 m，服务航速为18.3 km/h(主机功率90%MCR)时，船舶续航力为4 500 km。

2双燃料系统重要设备介绍

2.1双燃料控制系统

“浦海211”轮整个机器处所的改造采用“本质安全机器处所”机舱，发动机的双燃料改造采用单点式控制方式，控制部分采用德国海茵茨曼(HEINZMANN)公司生产的双燃料控制器。该系统对发动机转速的控制仍由柴油机自身的控制系统完成，燃气控制系统根据发动机实时的工作状况控制燃气的替代量，不参与调速，因此发动机的动态特性仍然为柴油机的特性，可很好地满足负载变化频繁的工况要求。双燃料模式运行时，由柴油调速器根据负载发生的变化(加载或减载)迅速改变供油量(加油或减油)来维持转速，然后由燃气控制器根据预先设定的替代率调整燃气供应量。同时，双燃料控制系统会监测排气温度、冷却水温度、增压器压力、燃气压力和燃气温度等参数，对燃气供应量进行最高值限制，在防止发生排温超限和爆震等故障的情况下实现高的燃气替代率。

2.2LNG低温储罐

20 m3液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)低温储罐为卧式双层圆筒结构，储罐内外筒选用S30408(06Cr19Ni10)不锈钢，内外筒之间采用真空缠绕技术(见图1)。

注：V1为气相阀；V2为顶部进液阀；V3为测满阀；V4为节约阀；V5为排液阀；V6为底部进液阀；V7为放空阀；V8为低温紧急切断阀；P1为压力表；V9为充装管排放阀；V10为低温紧急切断阀；V11为低温紧急切断阀；V12为增压器开启阀；V13为液位计气相阀；V13为低压信号远传阀；V14为平衡阀；V15为液位计液相阀；FB为外罐防爆装置；V15为高压信号远传阀；V16为真空隔离阀；V17为排污阀；V18为气相供气阀；V19为低温紧急切断阀；Vc-1为单向阀；YA-1A为内容器安全阀；YA-1B为内容器安全阀；V20为紧急放散阀；RK-1为管路安全阀；RK-2为管路安全阀；RK-3为管路安全阀；RK-4为管路安全阀；RK-5为管路安全阀；B-1为增压器；C-1为低温升压调节阀；C-2为低温降压调节阀；PT为压力变送器；WT为温度变送器；TVA为安全性放选择阀；VP为抽真空装置；VR为真空规管；FA-1为管理阻火器；LG为差压液位计；LT为差压变送器

图120 m3LNG低温储罐结构

2.3LNG气化装置

LNG气化装置(见图2)采用200 Nm3/h撬装结构，设计气化量可满足发动机需求；利用发动机排气余热回收装置对LNG进行水浴加热，并使之气化，保证输出后的气体温度在5 ℃以上；同时，系统具有天然气减压、调压故障自动切换、天然气泄漏报警等功能。

2.4安保系统

安保系统分为发动机安保系统、LNG储罐安保系统和机舱安保部分。

1) 发动机安保系统：监测发动机各缸的排气温度、燃气的进气压力、机旁控制柜的报警参数，可在紧急状态下控制发动机转入纯柴油模式或直接停机。

2) LNG储罐安保系统：在气瓶可能泄漏的区域安装2个相互独立的甲烷浓度探测仪并与已报警装置连接；报警装置安装在机舱和驾驶室，机舱人员可随时监测，同时与安保控制柜连接；安保控制柜可按照设定好的程序作出相应的安保动作。

3) 机舱安保部分：为防止机舱有天然气泄漏，时刻监测到机舱内的天然气浓度，在机舱内可能泄漏天然气的区域安装3个相对独立的甲烷浓度探测仪并与安保控制柜连接，当机舱内天然气浓度达到设定值时，安保控制柜自动报警并作出相应的动作。

1.温度变送器　2.热水循环气化器　3.温度表　4.压力表　5.法兰球阀　6.调压器

3双燃料柴油机的运行与管理

3.1名词解释

1) 双燃料柴油机：是指该柴油机使用两种燃料，在没有天然气供应时可采用纯柴油模式运行，有天然气供应且满足双燃料运行条件时可采用天然气-柴油双燃料工作模式。

2) LNG：为-162 ℃储存在LNG储罐中的低温液体，气化后变为天然气，当天然气泄漏后，在空气中的浓度达到5%～15%范围且遇明火时，即可发生燃爆。

3.2双燃料系统原理

该船用柴油机动力系统经改造后可使用柴油天然气混合燃料，柴油只用于引燃和作部件润滑剂使用，天然气主要提供所需动力,系统原理见图3。

LNG经气化、减压后，通过管路输送到机舱内的燃气前处理模块(气阀箱单元)，经过燃气快速切断阀(为常闭气动阀)、燃气过滤器、燃气等压减压阀和零压阀。运行双燃料工况时，扳动双燃料控制箱上的燃料模式转换钮，控制箱内的ECU(Electronic Control Unit,电子控制单元)对采集到的柴油机运行参数进行判断，当运行参数满足双燃料工况时，燃气经功率调节蝶阀进入混合器并在混合器中与空气混合，随后经增压器、中冷器、进气总管进入燃烧室，在燃烧室内被引燃的柴油燃烧作功并发出指令，使主机调速器控制高压油泵，减少燃油供应量，达到油气替代的效果。

在进气总管上的中冷器与增压器之间设置安全防爆阀，极端情况下，若进气总管发生回火现象，则可通过防爆阀泄放压力，泄放后可自动关闭。防爆阀出口设有火星熄灭装置。

柴油机安保控制柜内的紧急停车信号被引入到了双燃料机旁控制箱。当柴油机运行时，若出现滑油压力低、转速过大以及淡水温度高等故障，安保控制柜会报警并自动控制切断燃气供应，使柴油机转入纯柴油模式，确保安全。此外，安保控制柜还引入了机舱可燃气体浓度报警信号。当机舱可燃气体浓度达到低报警点(20%LEL)时，发出声光报警；当机舱可燃气体浓度达到高报警点(40%LEL)时，发出声光报警并自动停止双燃料运行模式，转为纯燃油工作状态，切断燃气供应阀，打开放空阀，将管中残余气体放空至舷外。

LNG双套管抽风系统的通风量满足规范要求，每小时换气量大于30次，设置风机运行与双燃料运行的联锁，确保系统安全运行。驾驶室设置监视面板，可远程监视双燃料系统的运行状态。

图3　双燃料系统原理图

3.3使用双燃料柴油机的注意事项

(1) 开机前必须依据柴油机操作手册检查柴油机是否达到开机条件，达到开机条件后方可启动柴油机；

(2) 柴油机必须在机旁启动，启动前检查机旁双燃料控制柜上的远程开关是否在机旁位置，检查机旁双燃料控制柜控制器电源开关、燃气电磁阀电源开关和燃油电磁阀电源开关是否在开启位置，检查安保柜和机旁双燃料控制柜的模式转换开关是否在纯柴油位置；

(3) 使用停机开关或紧急停机按钮后，必须将其复位，否则可能影响下次柴油机启动；

(4) 安保柜具有参数显示、故障指示和部分操作功能，但安保的主要作用是实时监测和报警提示，操作功能一般不建议使用(除储气罐进、出液控制外)，尤其是紧急停机和动力模块急停按钮在非紧急情况时不得使用；

(5) 若使用过安保柜上的紧急停机按钮，事后必须将其复位，否则可能影响系统的正常使用。

4双燃料柴油机使用操作

4.1柴油机起动前的准备工作

(1) 按原柴油机使用说明书进行启动前的常规检查，特别是检查柴油机油底壳油位、组合式高压油泵油位、燃油日用柜及LNG储罐液位，不足时予以补充；

(2) 检查柴油机监控仪电源、柴油机机旁控制箱电源和安保柜控制电源，将控制柜面板上的控制器电源开关、燃气电磁阀开关以及柴油电磁阀开关扳到开位置，确认柴油/双燃料切换开关在纯柴油模式，且机旁远程切换旋钮置于远程位置；

(3) 检查控制柜显示屏上各数值显示是否正常，有无异常报警(检查参数包括LNG故障、柴油机故障、储气罐液位、储气罐压力、燃气泄漏、火灾以及压缩空气压力)；

(4) 根据气化撬具体操作说明检查气化撬设备是否正常，确保达到正常使用条件；

(5) 检查柴油机燃油、冷却水各管路阀门是否开启，开启气化撬加热水循环泵(即废气热水器循环泵)。

4.2启动柴油机

(1) 开启LNG双套管抽风机10 min后，用可燃气体检测仪检测机舱可燃气体有无泄漏，检查一切正常后，开启发动机。

(2) 启动柴油机运行至合排转速值后，检查各部件运转和监控参数是否正常，柴油机按纯柴油模式正常运转，并将机旁控制柜远程权限开至远程。

4.3使用双燃料操作顺序(纯柴油→双燃料运行)

当船舶开始正常航行且需要使用双燃料时：

(1) 检查通风系统和气化撬热水循环泵；

(2) 热水温度达到需要值(40 °C)时，开启LNG储罐手动出液阀(V5)(当储气罐压力>0.6 MPa时，可将储气罐的气相阀V1和气相供气阀V18打开，保持排液阀V5关闭，使用储气罐内气体；当储气罐压力<0.5 MPa时，切换为液相供气，此时先打开V5，然后依次关闭V18和V1))、气动出液阀(V19)以及气化撬出气阀，检查发动机控制系统有无异常报警(检查参数包括回水温度、出气温度、储罐液位、储罐压力、出气压力、燃气泄漏、火灾、抽风机状态和压缩空气)，发动机是否具备使用双燃料模式的条件(主机转速达到设定值800 r/min)；

(3) 转换发动机运行模式开至双燃料运行模式，此时柴油机便进入双燃料燃烧运行状态；

(4) 随着主机转速不断提高，其LNG气体替代率也逐步上升，当主机转速达到1 050 r/min(设定值)时，其替代率可达到约60%。

4.4停机操作顺序(从双燃料→纯柴油运行)

(1) 在船舶抵达目的港之前的10~20 min将气相阀V1和气相供气阀V18打开，然后关闭LNG储气罐手动出液阀(V5)，切换至气相供气状态(此做法的目的是避免储气罐至气化撬之间管路内的LNG液体在停用后因吸热挥发而造成空排浪费)，在靠港前将安保柜上柴油机运行模式转为纯柴油模式运行；

(2) 关闭LNG储气罐手动出液阀(V5)、气动出液阀(V19)和气化撬热水泵；

(3) 柴油机停机，关闭机旁控制柜电源。

5双燃料系统运行报警参数及控制监控系统简要说明

双燃料运行报警参数见表1，控制监控系统包括柴油机监控仪、机旁控制柜和安保控制柜。

1) 柴油机监控仪：主要用来监控柴油机的排气温度、冷却水温度、机油温度、机油压力、转速等参数。这些参数一旦超过报警设定值，将发出声光报警；一旦超过停机设定值，将控制发动机自动停机。

2) 机旁控制柜：控制柴油机双燃料模式的运行，采集柴油机的转速、各缸排气温度信号、油门位置信号、燃气压力信号，一旦这些信号超过设定值，将控制柴油机进入纯柴油运行状态。

3) 安保控制柜：采集储气罐的压力、液位信号，一旦超过设定值，将发出声光报警并显示报警参数(如储罐液位低报警，此时需及时加液)；采集气化撬的各项数据，包括进出水温度、出气温度、压力、环境温度，发生报警时可及时切断供气，在采集到其他报警信号并发出指令时也会切断供气，且显示屏幕上设有储气罐出液自动阀和气化撬出气自动阀的控制开关；采集设在机舱内和储罐区域的燃气探头和火灾报警器信号，采集到报警信号后可及时将柴油机运行模式转换为纯柴油模式，并切断气化撬供气，气化撬报警关闭后，只有在处理完故障并复位后才能再次启动。

表1　双燃料系统运行报警参数

6系统保养

除船舶柴油机(动力系统)的日常维护保养以外，还应进行以下工作。

1) 检漏：每周定期检查气路是否有漏气现象。具体检查方法为:使用矿泉水瓶类容器加少许洗衣粉或洗洁精，然后注水摇匀并涂在气路接头连接处，检查是否有气泡产生(注意一定是使用泡沫检查)。若有气泡产生，说明管路存在漏气现象，应缓慢拧紧接头，直到气泡不再产生;若拧紧动作不能使气泡消除或气泡没有减缓趋势，则需关闭气路手动截止阀门、使用纯柴油运行，并及时对气路进行彻底维护，严禁存在气路漏气现象时运行。注意所有经过泡沫检查的接头部位，必须在检查后用布将所有泡沫擦拭干净，以免残留的液体腐蚀零部件(也可采购手持吸入式可燃气体探测仪进行检漏)。

2) 清洁：需要清洁船用柴油机时，不可用高压水枪直接冲洗控制箱、传感器和喷射系统等有电器线路的产品。

3) 检查：除了抛锚停机后对系统及气路各安装部位连接件紧固状态进行确认并处理以外，还应定期对连接件进行仔细排查，消除一切隐患。

7结语

根据中国海运(集团)总公司与中国石油天然气集团公司签署的《战略合作协议》，两公司就LNG代油动力系统在近海航运应用开展合作。根据试点船202 TEU长江航行集装箱船“浦海211”，对双燃料动力船的LNG低温储罐、燃烧前处理模块、燃烧系统、监控及安保系统等进行了描述，并对其工作原理、实际操作使用及维修保养进行了介绍，可为双燃料船的应用提供借鉴。

参考文献：

[1]庚汉郧. LNG/柴油双燃料发动机及燃料管系安全监控系统研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2013.

中图分类号：U674.92

文献标志码：A

Conversion of Vessel PUHAI 211 for Dual Fuel Operation

FuMingchu

(Shanghai Puhai Shipping Co., Ltd, Shanghai 200135, China)

Abstract:The Vessel PUHAI 211 Conversion for dual fuel is performed as the pilot project of developing LNG ship power system for energy saving and emission reduction. This paper details major modules of the dual fuel power system: the LNG cryogenic storage tank, the combustion front processing module, the combustion system, and the monitoring and security system. The working principle, the actual operation and the maintenance of the dual fuel power system are also explained in detail. The experience gained in the pilot project is valuable for developing of LNG powered ships.

Key words:marine energy saving and emission reduction, dual-fuel powered ship, dual-fuel diesel engine, operation instructions, system maintenance