双燃料超大型集装箱船电气设计要点

周祎隆,傅晓红,夏骏

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

一般传统燃油动力船舶主机采用重油或者柴油作为推进燃料，近年来，可以降低船舶运营成本、提高船舶排放指标的天然气清洁能源成为船东的选择[1]。燃油和天然气2类燃料具有不同特性，兼用2种类型燃料的船舶从规范要求和控制原理都比较复杂，给船舶设计带来了诸多技术难题。

2015年6月国际海事组织海上安全委员会通过了《使用气体或低闪点燃料船舶国际安全规则》(IGFCode)于2017年1月1日生效，规则适用于使用天然气燃料及总吨位大于500的新货船及客船[2]。23 000 TEU是目前全球首款采用双燃料推进的超大型集装箱船，该船的详细设计在规范生效不久后逐步展开。关于双燃料超大型集装箱船设计和建造，国内没有相关案例可供参考，电气设计难点在于，不仅需要考虑所涉及燃料特性和设备控制原理，还需要满足将船舶及其船员和环境的风险降到最低的原则。为此，在遵循IGFCode的前提下，提出符合船东要求的设计方案，并针对设计中最为关键的4个方面进行分析。

1 电站功率管理系统设计

双燃料发电机组可以在天然气燃料和燃油燃料2种工作模式下运行，在燃气和燃油模式下由于2类燃料的热值、空燃比等不同，所以在相应模式下对于负荷的加载能力是不一样的[3]。对于双燃料船舶的电站功率管理系统(power management system,PMS)必须依据燃气模式的工作原理设计出合理的控制逻辑，才能使得发电机机组不会经常性转换至燃油模式，并且保证输出功率不会造成较大波动。

1.1 燃气模式下的自动电站功能

电站配置为6台AC 6.6 kV、60 Hz、3 PH的Wartsila 34DF发电机组，其中2台发电机组额定输出功率为4 150 kW，另外4台发电机组额定输出功率为3 690 kW。发电机在燃油模式下启动，运行至合适条件后转为燃气模式。在燃气模式正常运行过程中只有当发生某些特殊情况，发电机综合控制系统接收到燃气脱扣信号后才会发出命令使发电机转换为燃油模式。

在对发电机组的使用指南研究后，对于燃气模式自动转换程序，本船在功率管理系统中进行了如下设置。

1)当发电机在燃气模式下运行时，发电机应保证在10%最大功率以上持续运行。

2)在燃料转换命令被1台发电机接受之前，必须确保在转换期间其他发电机提供的功率足够使用。这是因为这台发电机可能需要卸载以使得功率降到最高转换功率之下。瓦锡兰建议的转换范围是发电机额定功率的0%～80%之间。

3)在燃料转换过程中，重载设备发出启动请求信号给自动电站，此时电站不能发出允许启动信号。

1.2 燃气模式下的重载问询功能

本船配有2台3 000 kW的艏侧推在进出港口时使用，由于艏侧推电机功率较大，已接近单台发电机的额定功率。如果直接投入船舶电网运行，必然对船舶电力系统造成冲击，引起电网电压波动、频率下降，严重时甚至导致电网瘫痪。所以当船舶电网中有较大负载投入使用时，船级社对于电站功率储备都有明确要求。当该大负载投入使用时，对于电站应首先判断目前电站机组发出的总电功率是否能够供给当前船舶电网上所有的负载(包括即将投入的大负载)并满足一定的裕量要求。对于工作在燃气模式中的发电机初始加载能力和加载速度都低于燃油模式，每级最大负荷阶跃需要满足0→31%，31%→53%，53%→75%，75%→90%，90%→100%的加载要求。2种模式下最大瞬态负荷阶跃加载对比见图1。

图1 发电机燃气、燃油模式最大瞬态负荷阶跃加载对比

基于以上要求，燃气模式下的重载问询功能设计不仅需要考虑负荷增加的速度不超过燃气模式下最大瞬态负荷阶跃加载限制，而且艏侧推控制系统应该具有限制螺距变化率的功能。当艏侧推功率接近最大瞬态负荷阶跃加载曲线限制值时，PMS向艏侧推控制系统发出减少螺距的信号，防止艏侧推电机功率上升过快导致发电机过载停机的情况发生[4]。

通过试航验证，本船在进出港开艏侧推的工况下，发电机组仍然保持工作在燃气模式下，重载问询控制程序设计符合使用要求。

1.3 燃气模式下的顺序启动功能

为保证对重要设备的供电连续性，当发电机恢复供电时，船舶主推进系统的相关泵组会自动启动工作。但是发电机运转初期不允许立即同时突加全部负载，特别是带有增压器的柴油发电机组，如果突加负载会导致原动机过载停机。所以当备用发电机自动投入后，电源恢复接入的负载应该采用顺序启动的方式。

PMS根据顺序启动负载的重要程度，将关键的顺序启动设备按照时间分级原则预定次序重新起动。一般情况下，发电机组的负载突加不能超过允许的最大瞬态负荷阶跃加载值，在图1已经说明。针对燃气模式突加负荷比燃油模式响应时间更长的特点，不同时间下负载的增加率见图2，需要设计比燃油模式时间分级更为精准的顺序启动程序。

图2 发动机燃气、燃油模式额定转速运行下最大负载增加率

本船顺序启动程序设计为7级，每一级的加载的时间和负荷功率均保持在发电机最大瞬态负荷阶跃加载曲线限制范围内，并保证每一级加载发电机瞬时电压降小于额定电压15%。具体顺序启动电压降计算见表1。

表1 顺序起动电压降计算

2 火气安全系统设计

作为使用天然气燃料的货船，《IGF Code》对于指定区域的火警探测器配置要求进行了阐述。法国船级社在NR529规范中[5]，针对这些条款进行了更为详细的说明。

1)单一感烟火警探测器认为不足以快速探测到火源，易熔塞被视作可接受的快速探测火源的方式。

基于以上规范要求，本船在燃气处理间(fuel gas handling room,FGHR)、燃料舱连接间(tank connection space,TCS)，加注站(bunkeringstation)，都配置有本安型的感烟型探测器及易熔塞。

由于LNG船是以低温状态储存，一旦泄露极易引发火灾甚至爆炸[6]。为保证火警探测系统能够满足全船安全的需要，在设计时还要针对火警系统进行故障模式和影响分析(FMEA)，全面的风险分析和评估可以对所有的风险源加以识别，使得系统在各种极端工况下具有更高的可靠性和安全性。

法国船级社在危险和可操作性分析(Hazardand Operability Analysis,HAZOP)会议中提出，需要在LNG储存舱外的空舱中以及燃气处理间、燃料舱连接间的通风管道内部增加火警探测器。这些处所的火警探测器的配置虽然高于规范的要求，但是对于全船火灾发生场所实现了更为全面的探测和监控。所以本船根据船级社的要求及对实际安装空间进行评估后，在以上区域增补了本安型的感烟感温复合型探测器，见图3。

图3 火警探测器布置示意

除了火警系统外，根据危险燃料类别设置的可燃气体探测系统也是必不可少的。对于燃气系统中可能产生气体泄漏或是气体容易积聚的处所均应该配置可燃气体探测装置[7]。《IGF code》对于整体可燃气体探测系统配置有明确的要求，其规定如下。

1)当气体蒸气浓度达到最低可燃性极限的 20%时，听觉和视觉报警装置应被触发。当2个探测器处的气体蒸气浓度达到最低可燃性极限的 40%时，安全系统应被触发。

2)对于气体燃料发动机机器处所内气体管路周围的通风管道，最低可燃性报警限值可设为30%。当2个探测器处的气体蒸气浓度达到最低可燃性极限的 60%时，安全系统应被触发。

3)气体探测设备的听觉和视觉报警器应位于驾驶室或连续有人值班的集中控制站。

根据规范可知，全船可燃气体探测器需要分为两类报警限值设定。依据风险分析评估要求，本船选取以下区域的可燃气体探测器报警限值设为30%：6台发电机燃气阀单元，锅炉燃气阀单元，主机、发电机和锅炉的燃气双壁管出风口。其他区域的可燃气体探测器报警限值设为20%。实船部分区域可燃气体探测器布置位置见图4。

图4 不同区域气体探测器布置示意

3 通风系统设计

对于以天然气为燃料的船舶，《IGF code》对于通风系统的分区域设计更为细化，对通风能力的持续性要求也更为严格。通风系统相比燃油动力船而言，应该考虑天然气易燃易爆的特性，尽量防止天然气漏泄或将漏泄气体及时排除。

3.1 双壁管风机

本船天然气燃料舱是布置在上建下方，通过布置在管弄中的双壁管管路将燃气输送至主机、发电机和锅炉消耗。双壁管风机其作用是对双壁管内外壁间环形间隙层进行机械抽风产生负压，把泄露气体排放到安全区域。当双壁管内无法维持正常通风量时，应将主供气阀关闭停止燃气供应，发动机从燃气模式转为燃油模式[8]。

考虑到双壁管通风的重要性，在燃气模式下，双壁管的通风是不允许停止的。《IGF Code》中对于双壁管风机的供电系统要求由主配电板或应急配电板的共同线路进行供电，其中1组风机停止运转时，通风能力的降低不会超过总通风能力50%。本船配置18台双壁管风机，为保证燃气工况时双壁管内的通风连续性，风机分为两组分别由两个独立的组合起动屏供电，每个组合起动屏由主电源和应急电源双路供电，两路电源可以自动切换。双壁管风机设计主备切换功能，风机运行指示、故障报警和电源的自动切换信号需要送至监测报警系统。具体设计见图5所示。

图5 双壁管风机供电系统

3.2 燃气设备处所风机

本船燃气处理间、燃料舱连接间，加注站布置在燃料舱上方的上建二甲板区域，都设计为ESD防护式机器处所。为确保所有处所内的空气循环良好，《IGF Code》对这些处所的通风有效性明确了如下要求。

1)对于燃气处理间，燃气泵或压缩机与风机做成连锁模式，只有在通风系统运行方可起动。由主配电板或应急配电板供电的一台风机停止运转时，通风能力的降低不会超过50%。

2)对于加注站，当通风失效时，加注操作应该自动停止。

3)当通风能力发生任何损失时，应在驾驶室或连续有人值班的集中控制站或船舶安全中心发出听觉和视觉报警。

针对第三点要求，法国船级社NR529规范中做出了更为严格的要求，即规定在以上处所配置压差或流量监测装置。根据以上规范要求，本船将燃气处理间、燃料舱连接间，加注站同一区域的两台抽风机设计为由一个独立组合启动屏内不同的铜排供电，2段铜排的电源分别来自于主配电板不同的母排，在这些区域风管内配置防爆型的流量传感器。

4 应急切断系统设计

为保证燃气系统在正常及应急情况下能够安全稳定地运行，需要设计1套安全保护系统对燃气相关区域的液位、温度、压力、可燃气体、通风能力等参数进行监测和控制[9]。安全保护系统应具有监控、报警、紧急响应的功能[10]，通过对危险发生区域和危险源的分类，设置不同控制等级的应急切断措施。

根据《IGF Code》要求，对本船可能发生的危险情况进行预测后作为输入条件，设计了故障因果矩阵表进行逻辑分析。故障因果矩阵表不仅反映了燃气机器处所不同区域危险信号产生时，当自动或手动应急切断装置起动后，燃气系统设备和燃气阀组的动作状态，还体现了声光报警器触发的相关处所。本船将应急切断功能分为3个级别，分别是ESD1,ESD2和ESD2.1,切断范围和功能等级依次降低。

法国船级社、船东、燃气设备厂家在危险和可操作性分析会议中对应急切断故障因果矩阵表格审核后，认可了此系统设计。

5 结论

为了保证23 000 TEU双燃料集装箱船在燃气模式下电气系统可靠运行，针对电气设计需要重点考虑的4个关键方面，提出了区别于传统燃油船舶系统的解决方案。实船气体试航验证表明：在燃气模式下，电站功率管理系统加载大功率负载和顺序起动时发电机系统运行平稳；特殊区域通风能力维持稳定没有触发通风能力失效信号；火气探测器、应急切断监测保护系统对于燃气系统故障切断实时有效；整体设计不仅符合船级社规范和风险评估要求，还满足了船东实际使用需要。