双燃料发动机电力推进LNG船可燃气体探测系统设计简介

李银涛

（七○八研究所 上海 200011）

双燃料发动机电力推进LNG船可燃气体探测系统设计简介

李银涛

（七○八研究所 上海 200011）

可燃气体探测；双燃料发动机电力推进（DFDE）；液化天然气运输船（LNGC）；自然蒸发气（NBOG）；强制蒸发气（FBOG）；爆炸下限（LEL）

详细介绍了双燃料发动机电力推进LNG船可燃气体探测系统设计的基本要求，包括可燃气体探头及取样管在不同区域的布置情况及数量要求。所述内容不仅涉及LNG船本身的要求，也覆盖了其他类型的液化气体运输船的相关要求。

0 引言

传统的LNG船几乎全部使用蒸汽轮机作为主推进装置，蒸汽轮机一枝独秀的局面在LNG船领域存在了近40年之久，蒸汽轮机最大优势是可以方便地使用LNG蒸发气，可靠性也较高。然而，近年来由于缺乏操作高压锅炉和蒸汽轮机的熟练船员，以及蒸汽轮机推进效率较低、操纵性较差等因素；同时，随着新材料、新科技、加工工艺及能力地不断进步与发展，相关产业为了能在行业界取得自已的一席之地，也不断地发展新的技术、推出新的设备，在提高动力系统整体安全性的同时，也增加了动力系统选型的多样性，使得越来越多的船东改变了使用蒸汽轮机作为LNG船主推进装置的观念，而更青睐于DFDE等新型动力系统。

而随着低碳经济，绿色能源，节能环保等概念在实际生产及生活中的广泛应用，传统的蒸汽轮机推进系统因其综合热效率低（一般不到30%），其在液化天然气运输船（LNGC）上的应用已逐渐追赶不上绿色能源前进的步伐，双燃料发动机电力推进系统（DFDE）能直接燃用气体燃料，且具有较高的热效率（约为49%），无疑DFDE的出现，为LNG船提供了完美的绿色能源解决方案。

图1 DFDE LNG船机舱预览图

常压全冷式的LNG船，液态货物在-163℃左右且具有很好绝热层的低温状态下仍会蒸发，通常蒸发率在0.1%~0.15%。在货舱条件下自然蒸发出的天然气称为NBOG（Natural Boil-OffGas），用人工减压或升温强制蒸发出的天然气称为FBOG(Forced Boil-OffGas)。双燃料发动机可将LNG船运输过程中所产生的蒸发气（NBOG&FBOG）作为燃料，使之转化为航行过程中推进及服务所需的电能。由此，一方面解决了液货舱因BOG大量积聚产生压力过高的危险，另一方面也充分地利用了能源，避免了BOG的浪费。另外，DFDE系统因其低油耗、低排放、机动性能强、安全性能高、动力装置占用空间小、布置灵活、载货空间增大等众多优点，正越来越受到业主的青睐。而常温常压下，天然气作为一种易燃易爆气体，在其作为发动机燃料使用时，必须对其供气管路进行严密地保护及探测。因为一旦泄漏，将会带来极大的危险与损失。

本文主要从规范的角度及船舶设备自身要求等方面阐述了DFDE薄膜型LNG船可燃气体探测系统的设计要点。

为方便叙述，本文假定目标船为一艘标准型且配有DFDE动力装置的LNG船，分设有4个薄膜型液货舱及2个双燃料发动机舱，其中每一双燃料发动机舱安装有2套双燃料发电机组（共4套）。为给双燃料发动机提供并控制其燃烧用的BOG，在机舱左右舷区域分别设有1个GVU（Gas Valve Unit）房间，每个GVU间布置有为相应双燃料发动机供气的2套GVU。另外为防止过量的BOG直接排放至大气而产生危险，目标船还设有一台气体燃烧塔（GCU，GasCombustion Unit），为GCU服务的供气阀组布置在GCU燃烧器室内。两个GVU间，两个双燃料发动机间及GCU燃烧器室均为相互独立的房间，均布置有相互独立的通风系统。

1 可燃气体探测系统简介

对于液化气运输船，由于所装载货品有着不同的物理特性，因此其可燃范围也各不相同。可燃范围是指可燃气体与空气构成的可燃混合物中可燃气体的最小和最大浓度（体积分数）之间的幅度，通常用爆炸下限（LEL：Lower Explosion Limit）和爆炸上限（UEL：Utmost Explosion Limit）来表示。对于LNG船，其货品主要成分为甲烷（CH4），甲烷的爆炸极限（空气中体积百分比）为5.0~15。甲烷作为一种比空气轻且易燃易爆的危险气体，为了保证LNG船的营运安全，必须对货品的泄漏情况进行实时检测。

在DFDE LNG船的燃气系统中，BOG经货物压缩机压缩，并用管道输送到GVU间。在经过GVU间相应的控制阀组后，BOG通过双壁管输送至相应的双燃料发动机燃烧。当NBOG不足以供DFDE运行时，可通过船上的强制蒸发器产生FBOG以满足DFDE运行所需的气量；而当BOG在满足DFDE运行所需气量并过量时，过量的BOG可通过管路及相应的控制阀组引至GCU燃烧掉，以消除BOG大量积聚产生压力过高的危险。为保证LNG船的持续稳定运行并考虑安全因素，当BOG量很少或是发生气体泄漏时，双燃料发动机可切换至燃烧重燃油。对于燃气系统中可能产生气体泄漏或是气体容易聚集的场所，均应设置可燃气体探测装置，以实时检测各相关场所的气体泄漏情况。

不同的货品有着不同的特性，可燃气体探测设备选用需考虑到货品的特性，一般采用吸收式红外线气体浓度检测仪或接触燃烧式气体浓度探测仪来对可燃气体进行检测。

2 规范对可燃气体探测系统的要求

可燃气体探测系统和运输船上的其他系统一样，在设计时必须遵循相应的规范、规则以及相关设备制造厂的要求和推荐。其中IMO IGC Code（International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，中文全称：《散装运输液化气体船舶构造与设备的国际规则》）中的要求应理解为是强制性的，且适用于所有的液化气运输船（包括LNG船）。同时，不同船级社规范对此系统的要求也略有不同。

针对DFDE LNG船，有的船级社还出版了专门的指导性文件，设备制造厂也有相应的要求和推荐，特别是可燃气体系统供应商和双燃料发动机供应商所述的应用要求也需认真考虑。本文主要按照IMO IGCCode，美国船级社（ABS）及中国船级社（CCS）的相关规范要求对双燃料发动机电力推进LNG船可燃气体探测系统设计进行探讨性研究。

2.1 IMO IGC Code相关要求

根据IMO IGCCode第13章第6节中要求，下列处所内应设有固定的可燃气体探测系统和声光报警装置：

（1）货泵舱；

（2）货物压缩机室；

（3）用于货物装卸机械的电动机舱；

（4）货物控制室（被指定为气体安全处所者除外）；

（5）货物区域内可能积聚蒸发气的其他围蔽处所（包括货舱处所和除C型独立液货舱之外的独立液货舱的屏壁间处所）；

（6）如将货物用作燃料时，相关机器处所的通风罩和气体燃料管道；

（7）空气闸。

除上述要求外，气体探测设备应能在不超过30min的时间间隔期内，依次从每个取样点取样和分析，但在上述（6）中所述的通风罩和气体管道进行气体探测时，应连续取样；对于薄膜型LNG船，货舱处所和屏壁间处所均应设有固定安装且能测量0~100%的气体浓度（按容积）的可燃气体探测系统。当泄漏蒸发气浓度达到在空气中的30%LEL或达到主管部门根据特殊货物围护装置认可的其他极限值时，具有声光输出的报警装置应被触发。各测量点的取样管路应相互独立、而不允许用公共取样管路直接连至气体分析箱。

气体探测设备可布置在货控室、驾驶室或其他适当的位置，当该装置布置在气体安全处所时，应保证气体取样管上设有截止阀或等效装置，以防止其与气体危险处所相互连通。同时，从探测器分析箱排放的气体应在安全位置排向大气。

另外，每船需配备两套经认可并适合所载货品的便携式可燃气体探测仪，以及一台经认可并可测量惰性气体中含氧量的氧气浓度仪。

对于将BOG作为燃料的LNG船，在燃用BOG的机器处所、为机器供气的阀组处所及上述处所的机械排风管中均应设置可连续检测可燃气体浓度的探头，用以检测BOG的泄漏情况，当可燃气体浓度达到30%LEL时，系统会发出声光报警，而当浓度达到60%LEL之前，系统应能自动关闭气体燃料总阀以切断气体燃料供应，此时双燃料发动机会自动切换至燃油模式，以保证LNG船的正常运行。

2.2 美国船级社（ABS）相关要求

如果目标船的入级船级社为ABS，除满足IMO IGCCode相关要求外，美国船级社（ABS）对DFDE LNG船可燃气体探测系统还有如下要求：

（1）如果双燃料发动机机舱机械通风进风口处没有安装可燃气体探测装置，则进风管上应安装止回装置，以防止机舱的可燃气体通过风管往外泄漏，而当该进风口安装有可燃气体探测装置时，该处可不设止回装置；

（2）与货物相关的压缩机、换热器、泄放柜、分离器、液货泵及电机等处所都应安装有可燃气体探测器，当探测器检测到可燃气体浓度超过30%LEL，会发出声光报警，而当检测浓度超过60%LEL时，货物压缩机会自动停止，以防止可燃气体继续泄漏而产生爆炸的危险；

（3）可燃气体探测系统应能自检，当系统自检发现自身故障时，该系统的输出应能自动断开并发出报警，以避免探测器故障导致错误的紧急停车；

（4）对GCU，应配备两套相互独立并能连续检测的固定式可燃气体探测系统，当其中一套系统故障后，另一套系统可以马上替代其进行检测工作；

（5）为GCU供气的阀组上方也应提供可燃气体探测，当探测器检测到可燃气体浓度达到30%LEL，会发出声光报警，而当检测浓度达到60%LEL时，为GCU供气的阀组会自动关闭，以切断对GCU的燃气供应；

（6）双燃料发动机的曲轴箱上应设有气体取样口，以便使用便携式可燃气体探测仪对曲轴箱内的可燃气体浓度进行检测。同时，曲轴箱应安装防爆型的油雾探测器和气体探测设备或等效设备，气体探测器可位于曲轴箱透气管内，其布置应防止油雾污染该可燃气体探测器。

2.3 中国船级社（CCS）相关要求

如果目标船的入级船级社为CCS，同样，在满足IMO IGCCode相关要求的同时，中国船级社（CCS）对DFDE LNG船可燃气体探测系统有如下要求：

（1）表1所规定的位置应安装固定式可燃气体探测器。各处所内可燃气体探测器的数量应根据该处所的尺寸、布置以及通风予以考虑，但不应小于表1规定的最低要求；如所使用的固定式可燃气体探测器具有自检功能，各单独处所内安装的独立可燃探测器最小数目可降为1台；

表1 CCS对DFDE LNG船固定式气体探测器的安装要求

（2）可燃气体探测装置应布置在气体可能积聚的地方或布置在通风出口处。气体管路的环围导管和机舱必须进行连续检测；

（3）每个双燃料发动机舱室应至少设有2套独立的固定式可燃气体探测系统，用来连续监测泄漏气体；当任一探测系统失效时，其余可燃气体探测系统仍应满足探测要求；

（4）可燃气体探测装置的声光报警应布置在驾驶室和机舱集控室；

（5）打开双燃料发动机曲轴箱之前，应能对曲轴箱进行惰化和除气；

（6）正常情况下，当管路内存在气体燃料，以及维修工作前进行扫气操作时，可燃气体探测系统应保持工作；

（7）可燃气体探测器的安装位置是影响可燃气体探测系统有效性的关键因素，安装时应考虑气流对可燃气体探测器敏感度的影响。

2.4 双燃料发动机自身要求

假定目标船采用了4台MAN公司型号为51/60DF的双燃料发动机，根据该机型ProjectGuide及Safety concept中对可燃气体探测系统的要求，在进行可燃气体探测系统设计时，还应满足如下要求：

（1）从甲板BOG机舱供气总管截止阀至GVU房间的双壁管外壁上应安装至少2个经认证的本质安全型可燃气体探测器（仅当该供气总管通过封闭的气体安全处所时设该双壁管）；

（2）在GVU房间，每只GVU上方需安装至少2个经认证的本质安全型可燃气体探测器；

（3）GVU房间至双燃料发动机的双壁管外壁上需安装至少2个经认证的本质安全型可燃气体探测器，当可燃气体浓度大于30%LEL时，系统会发出声光报警，并将双燃料发动机由燃气模式自动切换至燃油模式，此时，GVU上为双燃料发动机供气的电磁阀会自动关闭，同时惰气（N2）会将GVU的供气管路惰化，以完全消除爆炸的危险；

（4）GVU间及双燃料发动机间的排风管上需安装至少2个经认证的本质安全型可燃气体探测器；

（5）为防止燃气泄漏并在双燃料发动机上方聚集，每台双燃料发动机上方需安装至少2个经认证的本质安全型可燃气体探测器；

（6）当双燃料发动机燃烧所需的空气直接通过风管取自大气，而不是由机舱风机供应时，进风口需设置进风关闭装置并设置最少2个相互独立并经认证的本质安全型可燃气体探测器，当探测器检测到可燃气体超标并报警时，双燃料发动机进风口的关闭装置会自动关闭以切断双燃料发动机燃烧所需的空气，以避免爆炸的危险；

（7）当双燃料发动机以燃气模式运行或是供气设备及管系处于惰化状态时，必须要有两套相互独立并能连续检测的固定式可燃气体探测系统处于运行状态；

（8）为防止设备取样管路自身的泄漏，可燃气体探测装置应能自检；

（9）出于维修时的安全考虑，双燃料发动机的曲轴箱、滑油循环舱、高温冷却水膨胀水箱、低温冷却水膨胀水箱及喷油嘴冷却水箱上均设有便携式可燃气体探测器接口及惰化接口。

2.5 可燃气体探测系统原理简介

图2 顺序取样可燃气体探测系统原理图

对于液货舱绝缘处所顺序取样系统，其测量原理如图2所示，在不超过30min的时间间隔期内，采样泵通过端部滤器将各检测点的取样气体依次抽至带接点智能红外气体检测变送器进行分析，并显示出取样气体中可燃气体的浓度（按容积），当该浓度值达到30%LEL时，系统发出声光报警，同时变送器还可将检测的浓度值以4~20mA的信号输送至计算机系统，以在各终端实时显示出各取样点可燃气体的浓度。

对于需连续测量的可燃气体探测系统，其测量原理如图3所示，探测头布置在各需要检测的区域，该探头通过电缆与智能红外变送式可燃气体检测仪连接，将检测到的可燃气体浓度（按容积）显示在检测仪上，当检测浓度达到30%LEL时，系统发出声光报警，同时该变送器也可将检测的浓度值以4~20mA的信号输送至计算机系统，以在各终端实时显示出各取样点可燃气体的浓度。对于安装在气体危险区及所在处所有特殊要求的探测头，应为本质安全型。

图3 连续测量可燃气体探测系统原理图

3 目标船可燃气体探测系统设计

3.1 目标船配置及设备布置概况

目标船设有4个薄膜型液货舱，该液货舱的结构形式如图4所示，根据规范要求，每个液货舱的初级绝缘层及次级绝缘层均应安装固定式可燃气体探测系统，该探测系统能在不超过30min的时间间隔期内，依次从每个取样点取样和分析，并能测量从0~100%的气体浓度（按容积），当可燃气体浓度达到在空气中的30%LEL时，系统会发出声光报警。

图4 薄膜型液货舱典型截面图

另外，目标船货物区甲板上还布置有货物压缩机室及货物电机室；船首布置有水手长储藏室及首泵舱（燃油输送泵）；上层建筑里布置有货控室，根据上述规范要求，在这些处所也都应装设可燃气体探测装置；燃气系统方面，目标船配置了4台双燃料发动机及一台GCU；推进系统方面则采用了DFDE系统，具体的动力配置及功率传递流程图如图5所示。

图5 目标船动力配置及功率传递流程图

如上文所述，目标船的两个GVU间，两个双燃料发动机间及GCU燃烧器室均为相互独立的房间，均布置有相互独立的通风系统。按照规范要求，在该处所通风系统的排风管路上，均应安装可燃气体探测装置。

同时，目标船的甲板BOG管路（单壁管）通过开敞区域直接进入GVU间及GCU燃烧器室，而GVU至相应的双燃料发动机间的供气管均为双壁管，此处双壁管的外壁上也应装设可燃气体探测装置。

按照规范要求，具有通向危险区域开口的非危险封闭处所，应设置一个空气闸，并应保持高于外部危险区域的正压通风，在目标船的货物电机室即设有一个空气闸，该处也应设有可连续测量的可燃气体探测装置。另外，在双燃料发动机间的新风进口及舱室空调进风口处也应设有可连续测量的可燃气体探头。

3.2 目标船可燃气体探测点布置位置及数量

根据上述规范及设备自身对可燃气体探测系统的要求，结合目标船的实际布置情况，可按区域及功能将目标船的可燃气体探测系统分为四个子系统及一些手动测量点：

（1）液货舱绝缘处所顺序取样系统；

（2）机舱区域连续测量系统A；

（3）机舱区域连续测量系统B；

（4）其他区域连续测量系统。

四个子系统为固定安装式可燃气体探测系统，系统A与系统B为两个相互独立的子系统，但其探测点位置一样。当双燃料发动机以燃气模式运行或是供气设备及管路处于惰化状态时，系统A与系统B同时工作，其他工况下，只需其中一套系统处于工作状态即可。当可燃气体探测系统通过自检检测到其中一套系统（A或B）故障时，另外一套系统（B或A）能马上替代发生故障的系统，对各探测点进行实时连续检测。对于本身处于气体危险区及上文有明确要求的可燃气体探测器，应使用本质安全型。

综上所述，以目标船为典型的DFDE LNG船，其可燃气体探测系统固定安装的探头及取样管布置位置及型式如图6所示。

出于维修时的安全考虑，还应设置手动便携式可燃气体测量系统，根据MAN 51/60DF双燃料发动机的相关要求，应在双燃料发动机的曲轴箱、双燃料发动机滑油循环舱、双燃料发动机高温冷却水膨胀水箱、双燃料发动机低温冷却水膨胀水箱、双燃料发动机喷油嘴冷却水箱等处所设置便携式可燃气体探测器接口及惰化接口，当检测到该处所的可燃气体浓度超标时，需用氮气对该处所进行除气处理。

3.3 目标船可燃气体探测系统设计

结合目标船各处所可燃气体探测点的具体探测原理及探测形式，根据图6所示的目标船可燃气体探测系统框图，可绘制出目标船相关处所的可燃气体探测系统原理图。图7为液货舱绝缘处所顺序取样可燃气体探测系统原理图，图8为双燃料发电机室及GVU间可燃气体探测系统原理图。

图8所示的处所同一探测点需设置两个相互独立的连续探测可燃气体探测器，两个探测器分属于A探测系统和B探测系统。A探测系统与B探测系统为两个相互独立的系统，当双燃料发动机以燃气模式运行或是供气设备及管路处于惰化状态时，两系统需同时工作，其他工况下，只需其中一套系统处于工作状态即可。当可燃气体探测系统通过自检检测到其中一套系统（A或B）故障时，另外一套系统（B或A）能马上替代发生故障的系统，对各探测点进行实时连续检测，从而保证可燃气体探测系统的冗余设计，保证系统在部分故障情况下仍能保证对各探测点的正常监测。

图6 目标船可燃气体探测系统框图

图7 液货舱绝缘处所顺序取样可燃气体探测系统原理图

图8 双燃料发电机室及GVU间可燃气体探测系统原理图

3.4 探测系统报警点及其功能设置

一般情况下，当被检测的气体中可燃气体浓度达到30%LEL时，可燃气体探测系统会发出声光报警，而当可燃气体浓度继续升高时，可燃气体探测系统会发出相应的信号以产生保护动作，从而提前遏制危险的产生。在进行以目标船为典型的DFDE LNG船的可燃气体探测系统设计时，在保证LNG船能正常航行的同时，结合实际的安全需求，各可燃气体探测器报警点的设置及动作情况如表2所示。

4 结语

DFDE薄膜型LNG船作为一种节能环保的高附加值船舶，在对其可燃气体探测系统设计时，我们应严格按照规范及设备自身的要求，并充分考虑船舶危险区域划分及实际的使用情况，合理地布置及安装可燃气体探测装置，保证LNG船营运过程中的用气安全。

表2 报警点的设置及动作情况表

［1］IMO，International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk（IGC code）［EB/OL］.

［2］中国船级社.双燃料发动机系统设计与安装指南［S］.2007.

［3］中国船级社.气体燃料动力船检验指南［S］.人民交通出版社，2008.

［4］中国船级社，散装运输液化气体船舶构造与设备规范［S］.人民交通出版社，2006.

［5］国家质量监督检验检疫总局.可燃气体检测报警器（JJG 693-2004）［R］.2004.

［6］美国船级社，ABSRULESFORBUILDINGANDCLASSING STEELVESSELS［S］.2010.

［7］美国船级社，ABSGUIDE FOR PROPULSION SYSTEMS FOR LNGCARRIERS［S］.2005.

［8］MAN，Project Guide for Marine Plants Dual-fuel Engine51/60DF in Compliance with IMOTier II［S］.2009.

［9］MAN，Dual-fuel Engine Safety Concept［S］.2008.

［10］McGuire and White，Liquefied Gas Handling Principles On Ships and in Terminals［S］.2005.

Flammable gas detecting system design for DFDE LNG carrier

Li Yin-tao

Flammable gas detecting；DFDE（Dual Fuel Diesel Electric）；LNGC（Liquefied Natural Gas Carrier）；NBOG（Natural Boil-Off Gas）；FBOG（Forced Boil-Off Gas）；LEL（Lower Explosion Limit）

This paper introduces the design essentials of flammable gas detecting system for DFDE LNGC，including installation position and quantity for detecting sensors and sample pipes in various spaces.The contents involve the requirement of LNGC and other liquid gas carriers.

U664.88

A

1001-9855（2011）02-0042-07

2010-07-30

李银涛（1982-），男，汉族，工程师，主要从事船舶轮机系统研究设计工作。