双燃料电力推进(DFDE)系统集成研究

2014-06-27,

船海工程 2014年5期

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300457)

双燃料发动机与电力推进技术的结合，为LNG运输船行业的发展提供了一个很好的发展方向。但是，LNG运输船双燃料电力推进系统，作为一个新兴的技术，在国内外实船使用实例不多，所以其系统的集成并非非常完善，存在一定的风险，有很大的优化空间。

双燃料电力推进(DFDE)系统集成研究，源自3万m3LNG运输船实际建造的需要。通过对正在建造的3万m3LNG运输船双燃料电力推进(DFDE)系统集成的分析研究，对整个设计方案的梳理及细化分析，优化完善各个设备之间的物理接口、软件接口及控制逻辑等，使整个系统更具合理性、安全可靠性、良好的可操作性及较高的经济性，从而减少在建船舶的系统集成缺陷，降低设计建造风险，提高经济性[1-2]。

1 双燃料电力推进技术的现状

双燃料电力推进技术作为一个新兴的船舶推进技术，其发展大致经过了3个阶段：常规柴油机与可调桨电力推进及常规柴油机全回转电力推进、双燃料电力推进。对于LNG运输船来说，双燃料电力推进所拥有的特殊性及突出优势，使得其本身倍受青睐[3]。

随着LNG运输船产业的发展，双燃料电力推进设备的技术革新推动其产业的发展。瓦锡兰、罗罗、MAN等厂家的双燃料发动机性能更加优越，其排放、维护保养、经济性等都较常规柴油机有很大优势；西门子、ABB、GE等电气专业厂家在双燃料主机控制、电站管理、供配电、自动控制、变频电力推进等技术方面更加完善，其控制更加集成、简单，电力系统的裕度更大，设备运行可靠性更高；加之罗罗、ABB、瓦锡兰等厂家在推进器方面的新技术，使电力推进更加简单化，推进装置趋于模块化设计，占用空间小，布置灵活，安装、管理及维护都更加简便。所以，LNG运输船产业推动设备进一步发展，同样设备的革新推动了双燃料电力推进技术的更加完善。

然而，双燃料电力推进船舶的初始建造成本较常规推进方式高，前期投资较大。LNG运输船本身是公认的高技术、高附加值船舶，所以投资成本是其发展的一个瓶颈。同时，双燃料电力推进作为一项新技术，其市场占有份额不大，应用实践较少，其控制逻辑、接口的完整性、可靠性等都存在一定风险，这也是一直以来困扰市场的一大顾虑。但是，随着LNG运输船产业的快速发展，这一技术将会有很大的发展空间。

2 双燃料电力推进系统研究

2.1 双燃料电力推进系统配置

目前，双燃料电力推进技术各个设备都有很多选择性，可以集成出很多搭配。本文依据3万m3LNG运输船现有配置，就该系统做集成研究。该船双燃料电力推进系统主要配置见表1，整个电力推进系统单线图见图1。

表1 双燃料电力推进系统设备配置

图1 双燃料电力推进DFDE系统单线图

系统中各个设备厂家都是行业内的知名厂家，其设备成熟的功能、良好的性能得到很好的市场反馈。但是，将好的设备如何搭建出一个好的系统，是面临的一个技术难点。所以，研究双燃料电力推进系统集成，论证研究设备之间的软硬件接口，梳理控制逻辑及响应等，是该系统集成优劣的关键点。

2.2 基于双燃料机组特性的电力推进系统控制

双燃料电力推进DFDE系统集成，主要内容有系统接口与功能实现、控制逻辑与响应。双燃料主发电机组较常规柴油机组有很大不同，它是将减压后的压缩天然气CNG与空气混合后引入气缸内，形成混合气。少量喷入气缸内的引燃柴油起点火作用。这种系统对原发动机的结构不做变动，在没有足够气体燃料来源时，双燃料发动机易于恢复原机的工作方式。

在燃油和燃气模式下，由于燃油和燃气两种燃料的热值、压缩比等不同，双燃料发电机组在对应模式下的负荷加载曲线也不同，见图2。

图2 不同模式下的负荷加载变化

根据特性曲线，在电站管理系统PMS以及推进控制系统DCS中，必须要根据主发电机组的加载特性来设计负荷的加载过程。燃油模式下的负荷加载较快，燃气模式下较为缓慢。如系统集成设计中，只按燃油模式曲线设计，则会导致在燃气模式下，负荷响应跟不上，使得系统转为油模式，更有可能造成电站关停；另外，如只按燃气模式曲线设计，则在燃油工况下，达不到快速响应的能力，大大抑制了船舶的操控性能。[4]所以，在系统集成中，针对双燃料机组特性，设计负荷加载曲线，见图3。

图3 不同模式下的负荷加载匹配情况

双燃料机组运用于电力推进系统时，主要面临的就是大负荷的加载，对于LNG运输船来说，涉及的大负载设备主要来自推进系统，上述主推进控制系统DCS与PMS的匹配与响应很好地解决了推进系统的集成问题。

对于单个的大负荷，其控制系统独立与主推进控制系统DCS，如1 500 kW侧推系统。在系统集成设计中，充分考虑加载对电站的影响。在系统集成设计中采用负荷保留设计。主要原理是要启动侧推时，采用握手信号，先询问PMS电站功率是否许可，PMS得到启动信号后，使得电站保持1 500 kW裕度负荷，信号反馈给侧推系统，使得信号握手，以满足侧推系统的负荷随时进网。

常规柴油机对于负荷的突加能力都有一定的限制，瓦锡兰34DF机组在燃油模式下，理解为常规柴油机，其突加能力为5 s内33%。其在燃气模式下，其对应负荷下的突加能力见图4。在系统集成设计中，电站管理系统PMS必须依据对应的模式，对于电网负荷的突加做出限制，必须使电站负荷突加值曲线在机组能力曲线下方，才能保证在运行中，负荷的突加不至于使电站关停。