LNG燃料动力船监控与安全系统分析

刘东进

（张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 215632）

天然气作为一种世界公认的清洁能源，其在一个国家的国民经济及能源结构的地位日益突出。过去20年，世界天然气消费年平均增长2.4%，为同期石油增速（1.1%）的2倍多。世界天然气产业已经进入快速发展的黄金时期。在航运界，促进对液化天然气（LNG）的燃料日益重视主要是由于《防止船舶造成空气污染规则》的实施、经济性和能源结构的调整等几个方面的原因，基于这些主要因素，LNG作为船舶动力用燃料得到了越来越多的应用。

LNG燃料动力船燃料利用整个环节上的安全性主要是依据LNG的相关物理特性，从根源上对其可能产生的危险进行限制，但由于工业水平的限制以及制造成本与安全水准高低的矛盾，并不能将所有的危险从本质上予以消除，为了使这些可能发生的危险（例如气体泄漏等）处于受控状态，甚至是发生危险后（例如爆炸起火）如何将危害性减至最低，这些都需要有一套针对LNG燃料利用过程的各个环节的监测、控制和安全系统来实现安全利用LNG燃料的目标。

1 监测对象

常见的LNG燃料动力船整个燃料系统如图1。

图1 LNG燃料动力船燃料系统

可以看出，整个LNG燃料利用链条上的主要设备为：燃料舱、热交换器、压缩机（一般存在于高压燃气系统或安装有再液化装置的系统）、气体燃料发动机。因此对于整个燃料利用链条上的设备运行情况的监测主要是上述的四大部件。

2 监测参数

2.1 燃料舱

燃料舱是LNG燃料动力船舶的燃料储存装置，是LNG燃料动力船舶以LNG作为燃料的基础，燃料舱的安全不仅关系LNG燃料船舶的动力性安全。LNG 从液态到气态，其体积要扩大约600倍，因此燃料舱的安全也关系到整个船舶的安全，甚至于也涉及船舶通航环境的安全。对于燃料舱的监测主要是涉及充装时的监控和营运时的监控，主要对其进行液位监测和溢流保护。并要求就地显示压力表、液位表，以及在驾驶室或机舱有人值班的位置显示压力表、液位表，温度表。压力表上应清晰标明燃料舱允许的最高压力和最低压力。此外，高压报警、低压报警（如适用）、高液位报警、低液位报警应安装在驾驶室或机舱有人值班。高压报警在达到压力释放阀调定压力之前警报应鸣响。

2.2 气体燃料压缩机

气体燃料压缩机在现在常用的LNG燃料动力船燃料供应系统并不常见，其主要是应用在高压发动机或者安装有BOG气体回收再液化装置的燃料供应系统中，它的主要功用是建立初级的具有一定压力的气体，特别是对于高压气体发动机，其供气压力可达30 MPa，为达到这么高的压力，除了发动机本身的增压系统外，其对燃料供应系统的供气压力也是具有较高要求的，此时就需要在燃料供应系统上安装有气体燃料压缩机系统，以提供合适的供气压力。压缩机的目的主要是对气体加压，因此对其主要是进行进气低压、排气低压、排气高压和运行故障的听觉和视觉报警。

2.3 热交换器

作为燃料利用中将天然气从液相转换为气相的关键设备，热交换器的关键性不言而喻。热交换器不但要为发动机提供足够的燃料供应，同时也要保证为发动机所提供燃料“质量”（温度等）的好坏。依据对其的功能要求，主要针对热交换器气体燃料出口温度进行监控。同时考虑到LNG 超低温的特性，当热交换器的换热介质的凝固点高于液化气体沸点时，对换热介质的出口温度也需要进行监控，并且为防止换热介质停止循环后造成管路超压，也需要对其介质的流动性进行监控，一般情况下是通过监控热交换器的循环泵的转速来实现。

2.4 气体燃料发动机

作为天然气燃料利用中能量形式转换的关键设备——气体燃料发动机，其工作状态的监控牵涉到整个船舶的动力安全性。气体燃料发动机与普通的柴油机相比，在工作状态上主要是具备了工作状态不同、工作模式的多样性，因此对于气体燃料发动机的监控要求除满足规范对普通柴油机监控要求外，还应对气体燃料发动机的工作状态和工作模式进行监控。

3 燃料充装、供应系统的安全控制

3.1 燃料充装系统的安全控制

燃料充装时常见的管路及阀件的布置方式如图2所示。

充装系统包含气相管路、液相管路、惰性气体吹扫管路、连接软管、紧急切断阀等，对于接收船来讲，其主要的风险点在于：充装站内阀件的气体泄漏，充装管路双壁管通风失效（当充装管路穿过围蔽处所时，需要采用双壁管的形式），双壁管内气体泄漏，充装达到了气罐的充装极限，燃料舱压力高，充装管路上的ESD 阀失去动力等。对于气体泄漏采取报警和ESD 阀关闭充装管路的策略；对于通风失效，由于通风失效并不一定意味着气体管路出现问题，因此仅仅是报警，以此提示人员通风出现问题；对于燃料舱压力异常、到达充装极限采取报警和ESD 阀关闭的安全策略[1]。

图2 LNG燃料加注原理及加注实例

3.2 燃料供应系统的安全控制

燃料供应系统的安全控制所涉及的对象从燃料舱一直到气体进入发动机气缸内，整个链路上的处所、设备、管路阀件均属于燃料供应系统所涉及的对象。处所主要是：燃料舱处所、燃料舱接头处所、压缩机室、气体阀件单元处所（GVU）、机器处所、其他燃料管系穿过的围蔽处所；设备主要是：燃料舱、热交换器、压缩机、发动机；管路阀件主要是：从燃料舱至发动机气缸盖前的燃气管路和双壁管及其阀件。

如图3所示，整个燃料供应系统的控制策略是建立在气体探测、通风系统、探火系统以及其他监测系统之上的，以此为基础根据不同的对象来建立不同的安全控制策略。

图3 天然气燃料动力船舶控制系统图

1）对于处所的安全控制策略主要针对下述3个方面的来制定安全控制策略。

气体泄漏：依据探测浓度值的不同，采用先报警后切断的策略。在切断时需要依据发动机的类型（单一气体，双燃料），发生泄漏的区域（主气体燃料阀前，后），燃料供应的布置形式（两个气罐分别供应不同的发动机等），切断后船舶的动力性等因素综合考虑来进行切断操作。

通风失效：通风失效往往不代表一定会有危险发生，也不代表气体一定泄漏，因此对于通风失效后的控制策略的制定也需要进行多种因素的综合考虑。主要考虑的因素有：处所或区域的危险性是否主要依赖于通风，切断燃料供应后是否会影响船舶的动力性等。

火灾：对于探测到火灾后的策略，由于已经发生了危险，因此对于这类因素安全控制策略主要目的就是防止损失的进一步扩大，所以其往往是直接采取灭火和切断燃气供应的策略。

2）对于设备的控制策略。主要是对燃料舱、热交换器、压缩机、发动机等设备的进出口压力、温度等参数进行监控，考虑安全性和船舶动力性后采取设备关闭，燃气切断等措施。

3）对于管路的控制策略。管路主要是针对气体泄漏和通风导管（如采用双壁管）内通风失效（或是管内充正压惰性气体），来制定安全策略。其同样需要考虑燃料供应安全性和船舶动力性。

燃料充装和燃料供应时各个风险点及对应控制措施及手段见表1和表2。

表1 燃料充装风险控制表

表2 燃料供应风险控制表

4 结束语

本文通过对整个LNG燃料利用链条上的主要设备的梳理及功能分析，确定主要的监控设备是：燃料舱、热交换器、压缩机、气体燃料发动机，并对LNG燃料充装系统和供应系统进行了风险点及对应控制措施及手段分析，此举对实现船舶安全利用LNG燃料有着很好的现实指导意义。