中小型LNG动力船安保系统的设计

刘波涛，李岳洋

(江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003)



中小型LNG动力船安保系统的设计

刘波涛，李岳洋

(江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003)

基于无线接入技术，开展了中小型LNG新能源动力船安保监测及控制系统的研究与设计。该系统主要应用于柴油-LNG双燃料动力船，可以实现对所涉及到的监测点数据的采集，并通过可编程逻辑控制器PLC、GPRS无线通讯模块进行集中处理，输出并控制各个气体燃料阀组，确保各个双燃料发动机的安全运行，同时还可以通过无线网络实现远程监控、远程系统维修，较好地发挥出船舶运行的安全性和经济性。

液化天然气船；安保系统；远程监控；自动控制

0　引言

为保证使用LNG作为动力燃料的船舶安全可靠地航行，需要安装机舱安保检测及控制系统。安保检测及控制系统实时监控为船上所有双燃料发动机运行做保障的外围机电参数，当被检测点数据超过设限值时，在船上指定部位发出声光报警。其中，当部分传感器数据进一步偏离预定参数时启动二级保护，发出声光报警的同时输出动作指令，直接切断相应的供气阀组，防止危险的进一步升级。同时双燃料发动机可自动转换为柴油模式继续航行。

当系统中出现故障且船员无法解决时，以往都需要通过设备厂商来现场解决，使得船舶必须以柴油模式航行至相应码头等待维修。而如果能在机舱安保监测及控制系统中融入无线接入技术，可以远程访问控制系统，则在一定程度上节省了系统的维护时间，提高了船舶的营运效率。

1　总体设计

设置机舱安保检测及控制装置，是用来减少船舶航行过程中因整个LNG系统外围环境的问题影响船舶正常航行的情况，从而提高双燃料发动机运行的连续性，提高该类船舶自动化程度。同时当船舶航行过程中安保系统发生故障时，可通过无线控制模块对系统进行远程维护，无线上传或者下载程序，避免因现场维修所带来的时间及费用问题。

安保监测及控制系统包括供电模块、输入部分、输出部分。供电模块采用主电源及应急电源双路供电，提高了可靠性。输入部分为来自气罐上的温度、压力、液位等监测点，来自汽化器上的温度及压力监测点，来自风机及热水循环泵的开关量信号监测点，来自可热气体探测器及感温/感烟探头的电流信号监测点，其模拟量输入点均设计为标准的4～20 mA电流信号，可方便PLC信号的统一处理。输出部分主要为阀组控制箱、声光报警器、显示屏、急停按钮、GPRS无线通讯模块。该系统是基于故障安全性设计，具有自动控制、故障信息诊断、显示及自保功能。

2　功能设计

2.1系统组成

LNG动力船一般基于本质安全型机舱设计，气罐布置在主甲板艉部。该船系统设备布置图如图1所示。

(1)气罐冷箱上设置2台冷箱防爆风机，冷箱内设置2只可燃气体探测器。

(2)机舱主机上方及发电机组上方各设置1只可燃气体探测器。主机GVU阀箱内及发电机组GVU阀箱内各设置1只可燃气体探测器。

(3)在机舱供气通风导管总管内设置1只可燃气体探测器，且在通风导管出口处设置2台防爆抽风机，以便排除可燃气体。

(4)同时在机舱增设1只可燃气体探测器，与其余2只配合作业，覆盖整个机舱，且机舱设置火灾报警探测器2只，分别为感温探测器及感烟探测器。

(5)安保监测控制柜设置在为安全区域的机舱前壁，气罐加注区设置加注急停按钮、防爆型声光报警器，以便于船舶LNG加注作业。

图1　LNG系统设备布置图

2.2安保监测及控制系统的组成

安保监测及控制系统包括主控制箱(内部有PLC控制器及电源模块包括主控屏)、驾驶室分显控制屏、火灾感温/感烟探头、LNG气罐及冷箱监测区域、通风导管可燃气体检测、机舱热水循环泵及控制空气监测、双燃料主机及双燃料辅机区域监测、气动电磁阀控制箱、智能GPRS无线控制模块(控制器需插入手机SIM卡)。监测系统如图2所示。

图2　监测系统示意图

2.3安保系统功能的实现

当船舶处于双燃料为动力正常航行时，此时双燃料主机及辅机均运行在双燃料状态，且通风导管风机、冷箱风机、可燃气体探测器、火灾探测器、空压机、热水循环泵、气罐、汽化器等均为正常运行且无报警状态。若可燃气体探测器探测到冷箱内可燃气体浓度高于30%LEL(设定值)时，触发主控箱、驾驶室分显控制屏、气罐处声光报警器，此时如无值班人员复位，则该系统将在延时2 min之后，延伸至全船通用报警系统，便于提醒全船人员。当冷箱内浓度继续上升至40%LEL(设定值)时，触发声光报警装置的同时，触发二级安保系统，输出DC24 V电源给予气动控制电磁阀箱，根据预先编制好的程序及相应的逻辑关系，切断相应的气罐阀组，同时双燃料主机及辅机自动从双燃料模式转换为柴油模式。此时船舶以柴油模式作为常规动力继续航行，当故障排除且自检无误后，方可重新运行双燃料模式。同时，通过控制箱内的GPRS无线控制模块(通讯协议与PLC相匹配)，可以实现在任意位置的手机或者电脑(需安装组态软件)可访问本系统，直接监控PLC变量状态，实现通过互联网控制PLC。当控制系统自身有故障时，船舶无需停靠码头等待设备厂商技术人员维修，直接可以通过电脑连接互联网，就可以随时随地访问航行中船舶的PLC修改程序，监控程序维护设备，轻松实现云监控。

当船舶处于充装作业且当传感器监测到气罐内液位高于设定值或气罐内压力高于设定值时，此时将触发声光报警，同时可以自动切断充装总管上的自动截止阀，防止潜在危险的发生。另外，在充装区域设置了紧急停止按钮以防止阀门控制箱自动控制失效，通过手动急停按钮，可切断气体燃料充装系统及气体燃料供应系统中的所有气动电磁阀组，同时自动打开透气阀。

安保检测及控制系统包含了中小型船舶上所有LNG外围系统，一站式解决LNG运行环境的监测及控制，省去以往单独可燃气体探测器探测控制箱、火灾报警控制箱，提高了双燃料动力船的运行安全性和稳定性。机舱安保控制系统原理图见图3。

图3　机舱安保控制系统原理图

3　系统优势

3.1维护便利性强

当安保监测及控制系统程序有故障时，船舶无需停靠码头等待设备厂商技术人员上船维修。维护人员直接可以通过手机、IPAD或者电脑访问Web网页，随时随地访问航行中船舶的PLC，通过互联网可以控制PLC。

3.2营运成本低

众所周知，双燃料船只有在燃烧LNG时方可实现其较低的运营成本，而机舱安保控制系统是LNG动力船控制的核心部件。使用安保控制系统则可以进一步减少因相关设备故障而靠泊码头环节以及厂家上船维修的环节，大大提高了船舶以LNG燃料航行时的工况时间，节省了船舶运营成本。

3.3运行可靠性高

系统方案采用GPRS、短信2种通讯相结合的方式，解决了传统模块不稳定的问题，并通过非透明传输的方式运行，实现多包并发采集，智能数据压缩等先进算法，极大提高了系统的相应速度，降低50%以上的流量费用。另外，用户无需搭建中心服务器，无需固定IP地址，通过远程下载及修改程序就能监控程序维护设备，轻松实现云监控。

4　结语

近年来在船舶动力系统的改进方面，考虑到船舶排放等污染问题，LNG动力将逐步取代燃油动力船舶。现如今，大型LNG动力船海上与岸上的通讯一般需通过INMARSAT海事卫星实现，安保控制系统如使用无线技术，费用昂贵且难以大规模推广。而中小型LNG动力船大多航行于内河及沿海航区，船舶所航行的路线也基本被路基移动网络所覆盖。船上与岸上也基本可以实现手机通讯，资费低廉，便于此类安保系统装置的推广及应用。

LNG动力船机舱安保监测及控制系统对提高船舶的航行效率及设备的运行效率起到了促进作用，同时也希望对船舶上其他系统有所帮助，共同促进国内船用设备技术的进步。

[1]李岳洋,管义锋．柴油-LNG双燃料动力船舶气体燃料系统设计[J]．江苏船舶，2013，30(5):17-19.

[2]刘林．LNG船的基本技术[J]．中国船检，2002(3):55-56.

[3]王峰，濮继林．LNG 动力船舶发展现状与趋势[J]．江苏船舶，2011，28(5):16-17.

[4]中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.船舶电气设备一般规定：GB/T 6994-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

2016-02-22

刘波涛(1986—)，男，工程师，从事船舶电气设计；李岳洋(1986—)，男，工程师，从事新能源船型开发设计及船舶动力装置。

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