小型LNG船主要电气系统设计

王有利，豆庆民，纪立帅，赵永玲

（1.大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113；2.中车大连机车车辆有限责任公司，辽宁大连 116022）

小型LNG船主要电气系统设计

王有利1，豆庆民1，纪立帅1，赵永玲2

（1.大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113；2.中车大连机车车辆有限责任公司，辽宁大连 116022）

文章对大连中远船务工程有限公司建造的28 000 m3LNG船主要电气系统进行了简要介绍，根据LNG船特点，对危险区、液货控制以及双燃料发动机控制等主要电气系统设计进行分析总结，对以后建造类似船舶提供参考。

液化天然气；危险区；液货控制；双燃料发动机

0 引言

小型LNG船在运输货物的多选择性方面具有明显优势，由于LNG需要在-163℃的低温储存和其他非常苛刻的运输要求，小型LNG船还可以运输乙烯、丙烯、丁二烯等石化货物。随着中国对LNG能源需求与日俱增，LNG卫星站的建设和码头基础设施产业链相关环节不断成熟和完善，凭借机动灵活，支线调度周转快，受航道水位和桥梁净高等条件制约小等特点，小型LNG船拥有非常广阔的发展前景。

大连中远船务建造的28 000 m3LNG船为一艘单机单桨、双燃料主机驱动可调桨推进的运输液化LNG的气体运输船，带PTO功能，2G型船，属国际航线，主要航行于中国沿海港口，全船共设三个货舱，货舱区为单舷侧结构，并设有顶边舱和底边舱及双层底。每个货舱内设置一个独立式LNG液货舱。液货舱为三个独立的IMO认可的C型货罐（双耳型），设计货物密度0.50 t/m³，最小设计温度-163℃，液货舱设计压力大约为0.35 MPa（IMO）。入级CCS，满足液货部分船级符号要求：CSA LNG Carrier, Type 2G, Type C Independent Tank; Max.Vapour Pressure 0.35MPa; Min.Cargo Temperature -164℃。下面对本船主要电气系统设计进行分析和总结。

1 危险区划分[1]

危险区划分的原则是在某区域出现爆炸性气体环境和点火源如不可避免，则必须采取措施减少或避免上述两种情况同时发生的可能，以将爆炸的可能性降到可以接受范围。划分危险区的主要目的是为了正确选择和安装该区域的电气设备。在设计初期就应该进行危险区域划分，以便合理选择电气设备。

危险区的定义与可能形成爆炸性气体环境的物质、释放源、气密边界和通风等因素密切相关。中国船级社根据IEC 60079-10-1出版物《爆炸性气体环境中的电气设备》第10-1部分“危险区域划分”的原则，将船上危险区域划分为0区、1区和2区。

如图1所示，本船危险区0区主要包括：液货舱；污油水舱；以及这些舱的真空管系或其他透气系统。1区主要包括：包含独立液货舱的货仓处所；毗邻液货舱的空仓和压载舱；液货舱正上方的围蔽或半围蔽处所（压缩机室）；距离液货舱舱口、气体出口、货物分配阀、法兰等3 m内的区域；距离提供货物装卸、压载等透气管向上半径6 m无限高垂直圆柱，和透气管向下半径6 m内的露天甲板区域；装有货物软管或管路的舱室或围蔽或半围蔽处所。2区主要包括：距离1区周围1.5 m内区域；距离提供货物装卸.压载等透气管向上半径6 m无限高垂直圆柱和透气管向下半径6 m内的露天甲板区域外4 m区域；连续甲板外延3 m，且离甲板高度2.4 m内开敞甲板区域等。

2 液货控制系统

2.1 系统描述[2]

液货控制系统主要控制对象包括：液货舱、液货泵（深井泵）、甲板罐、燃气泵、BOG（boil-off gas）压缩机、乙二醇泵、燃气缓冲罐、蒸发器、气液分离罐、氮气装置等。液货舱相关的处理工作主要有：1）卸货后：除液（扫舱）、暖舱、惰化、透气。2）装货前：干燥、惰化、驱气、冷却、装载。另外还有关于双燃料主机采用液货舱蒸发气，如果蒸发气不足，要将液货利用强制蒸发器进行强制蒸发，供主机燃烧。

惰化是指向液货舱充入惰性气体保证货舱的不燃性。惰化和干燥可以同时进行。本船配有一套膜式分子筛选式氮气发生器，可以产生纯度高达98%的氮气，货舱干燥后再进行惰化，舱内气体在惰化中通过透气桅柱排出船外。

驱气是在液货舱冷却前，需要将舱内的氮气和蒸发器混合气体排出液货舱。

冷却是指为防止装载LNG时，超低温的液体突加的危险，先将液货舱和管路用少量LNG进行冷却至-130℃。

装载时使用岸上的液货泵，将岸上的LNG输送到液货舱，期间液货舱将产生大量的蒸发气，利用液相管从岸上向船上输送蒸发气，利用气相管从船上向岸上输送蒸发气，这样来维持液货舱内压力平衡。

卸载时利用液货舱货油泵将LNG输送到岸上，蒸发气返回液货舱或强制蒸发LNG，维持液货罐内压力平衡。

2.2 电气控制系统

液货控制电气部分主要包括：货物控制报警板、电脑监控系统、货物配电板、液货测量系统、燃气监控站。如图2所示。

1）货物控制报警板CAB（cargo control and alarmboard）

货物控制报警板由两套独立的UPS供电，两套CPU提供双冗余控制。压力、温度、液位、流量等信号通过I/O模块采集输入到CPU。跟安全相关的应急停止、火警探测、溢流液位信号通过硬线连接到CPU。应急切断采用常闭点并带有回路监测功能，如果货物配电板放在危险区，那么应急切断不仅要切断主电源，而且要切断配电板的控制回路。

2）电脑监控系统

电脑监控系统通过以太网与货物控制板相连，包括货控室操作电脑、驾驶室监控电脑、集控室燃气监测电脑、货控室液位监测电脑。电脑配有不间断电源，并通过独立的以太网线与PLC相连，一台电脑故障不影响另一台电脑的正常工作。同时可以通过打印机将电脑屏幕显示内容打印出来，也可以通过USB将所需信息拷贝出来。

3）货物配电板

货物配电板由主配电板供电，主要给货油深井泵、乙二醇泵、BOG压缩机、燃气泵等货物操作相关负载供电，分两个部分双冗余控制，以确保其中一个故障而另一个可以继续为货物操作负载供电。每个配电板内部控制模块（由货物控制报警板控制）通过Profibus Line与货物控制报警板CAB相连。应急切断时，切掉负载供电电源，同时关断货物控制板的控制电源。

4）液货测量系统

由雷达式探头组成的液货测量系统，辅助压力，温度探测，全面监控液货罐货物状态，探测信息由货控室的电脑集中显示，并可以打印输出。

5）燃气监控站

在集控室放置带触摸屏控制板，并与货物控制报警板通过以太网连接，用来监控燃气生产状况，包括燃气流量、温度等，并提供报警功能。

3 双燃料发动机控制系统[3]

3.1 系统概述

本船主机采用Wärtsilä 9L50DF双燃料发动机，主机通过高弹联轴器和齿轮箱驱动可调螺距螺旋桨，通过调节螺旋桨螺距改变推力推动船舶前进。

该主机有三种操作模式（见图3）：燃气操作模式、燃油操作模式和备用操作模式。正常运转时，达到一定负荷后，主机可在燃气、燃油两种操作模式下随意切换。当燃气模式出现故障时，主机将自动切换到燃油模式。

1）燃气操作模式

使用低压燃气作为主要燃料，由于燃气不易压燃，需要喷射少量的燃油（轻柴油）点火。燃气和点火油喷射的量通过共轨系统上的电磁阀控制。由于燃气在低负荷下燃烧不稳定，通常主机在燃油模式下起动，待达到10%额定功率后再切换到燃气模式。

2）燃油操作模式

仅以燃油作为燃料，使用传统的高压油泵将燃料喷入气缸内。在此模式下，为保证点火油嘴的清洁，点火油同时工作。

3）备用操作模式

在某些紧急情况下，控制系统会自动将主机切换到此模式，与燃油模式相同，此模式仅以燃油作为燃料，使用传统的高压油泵将燃料喷入气缸内。但不同的是，在此模式下，点火油不工作。通常此模式连续操作的最大时间不得超过30 min。

3.2 燃气模式控制系统

燃气模式是该主机的主要特征，正常情况下，本船由该模式下航行。

主机的燃气有两种方式：一种是液货罐蒸发气经气液分离后，进入BOG压缩机后，再经过燃气加热器加热至主机要求的温度，进入缓冲罐稳压，供给主机燃烧。另一种方式是当蒸发气小于主机消耗值，则通过甲板罐的燃气泵从甲板罐抽吸LNG至燃气蒸发器进行强制蒸发，进入缓冲罐后输送至主机燃烧。

主机燃气阀单元GVU由手动截止阀、燃气滤器、联锁气体阀、燃气压力调节阀、透气阀组成整体布置在气密罩壳内，放置在主机进气口10 cm以内。

3.3 电气控制系统

该主机电气控制系统包括控制、监测和自动安全功能。配备一套分散式内置电子控制点火管理系统，来控制燃气或燃油点火注射以及主机起停、速度控制和安全保护。系统靠各物理模块通过CAN协议总线连接。系统总框图如图4所示。

MCM主控制模块处理所有逻辑控制功能，如主机起停、速度和负荷控制。IOM为输入和输出模块；ESM为主机安全模块；LCP为本地控制模块；LDU为本地显示单元；PDM为动力分配模块；CCM为气缸控制模块。

4 结论

IMO海上环境保护委员会第70届会议已经决定到2020年船舶燃油含硫量必须低于0.5%，其中进入波罗的海、北海和北美沿海水域、加勒比海设立的排放控制区（简称：ECA）的船舶，2015年其燃油含硫量必须低于0.1%，NOX排放到2016年进入ECA的船舶全部实施NOXTier III标准，以及船舶能效设计指数（EEDI）相关要求。

天然气燃烧后的废气中几乎不含SOX和杂质，废气不用处理就能直接满足IMO关于SOX和颗粒的排放标准，能减少15%～20%的CO2排放，从而进一步降低EEDI指数，提高能源效率。

因此，作为清洁能源的天然气应用会越来越广泛，包括天然气运输以及以天然气为动力的船舶前景会非常广阔。

[1]中国船级社.液货船危险区域划分和电气配备指南[M].北京： 人民交通出版社, 2010.

[2]李兴军, 高振宇.小型LNG船的液货处理流程简析[J].船海工程, 2014,43： 103-106.

[3]瓦锡兰中国有限公司.Installation Planning Instructions for 9L50DF[S].2014.

Main Electric System Design for Small LNG Ship

WANG Youli1, DOU Qingmin1, JI Lishuai1, ZHAO Yongling2
(1.COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China; 2.CRRC Dalian Co., Ltd., Liaoning Dalian 116022,China )

The article gives a brief introduction for the main electric system on the 28 000 m3 LNG ship,which is built by COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd.According to the features of LNG ship, the summary analysis is given for main electric system design in the dangerous area, liquefied cargo control and dual-fuel engine control.It can provide reference for the construction of similar ship in the future.

liquefied natural gas; dangerous area; liquefied cargo control; dual- fuel engine

U674.38+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.003

王有利（1977—），男，工程师，研究方向：船舶电气。