船舶LNG 双燃料改装电气设计

詹 波

0 引言

根据不完全统计，船舶的尾气排放已成为空气污染的一大来源。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）对船舶节能减排要求在不断提高，近年开始实行的限硫令即为减少船舶排放硫氧化物的措施之一，后续的限碳令也在准备之中。面对越来越严格的排放标准，各船舶急需选择一个有效措施来应对。

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为一种绿色能源，具有清洁且经济的特点，船舶以其为燃料可以使废气排放大大降低，满足近期船舶排放要求，因此，越来越多的航运公司在新建船舶中选用LNG 双燃料动力。而对于一些已运营船舶，则可以通过对船舶进行LNG 双燃料动力改装来满足排放要求。

1 LNG 双燃料系统简介

LNG 双燃料动力船舶可以在普通燃油模式下运行，也可以在LNG 燃料模式下运行。普通燃油模型与常规船舶类似，在LNG 燃料模式时，因LNG的燃点相对燃油更高，因此，双燃料发动机需要在喷入燃气前喷入少量燃油作为引燃油，在燃油压缩自燃后再点燃喷入的燃气[1]。

LNG 双燃料动力系统改装主要围绕两大部分展开，一部分针对是船舶主机，发电机，锅炉等原船设备改装，通过对设备增加供气相关模块，使得原船设备实现以LNG 为燃料的功能，此部分改装通常由设备厂家负责进行设计及施工改造。船舶主机加装供气模块见图1，厂家在船舶主机各缸增加供气模块等组件后实现船舶主机双燃料功能。另一部分设计和改装工作主要围绕增加的LNG 燃料供气系统进行，此系统按构成划分主要有LNG 燃料舱/储存罐、燃料舱接头处所、燃料准备间、主气体燃料阀、气体阀件单元等，见图2。

图1 船舶主机加装供气模块示意图

图2 典型LNG 供气系统构成示意图

2 LNG 双燃料船舶规范

相比一般商业船舶，LNG 船舶标准更高，要求也更严，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）为此也专门制定了针对LNG相关船舶的规范，例如针对以LNG 为燃料的船舶而制定的《使用气体或其它低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF 规则），以及针对以载运LNG 为主的运输船舶而制定的《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》（IGC 规则）。同时，在LNG 船舶技术标准方面，各大船级社组织也相应的在IGF 规则、IGC 规则基础上制定了各船级社的标准及规范，见表1。

表1 各船级社制定的气体燃料动力船舶标准及规范

对于国际航行的船舶在进行LNG 双燃料动力改装时，相应的需要满足IGF 规则，各船级社规范及指南的要求。

3 LNG 双燃料改装电气系统设计

船舶LNG 双燃料动力改装涉及船舶主机，供气单元，气体处理装置等众多设备及系统，电气系统的设计及改装工程也基本以配合这些设备及新增系统的加装而展开，如再液化、蒸发气装置、供气泵、软管吊等带来的配电系统、自动化系统的改造[2]，在此基础上也会涉及到一些辅助系统及设备的改装设计，例如船内通信报警，监控及安全系统，照明系统等内容。

本文中的电气改装设计主要以某在营的18 万吨散货船为研究对象，本船全长292 m，型宽45 m。经总体综合评估，LNG 燃料存储采用2 只C 型燃料储罐，布置于船艉甲板两侧，见图3。为了加装的供气系统等设备，在船舶机舱棚A 甲板右舷新增一处舱室作为燃料准备间，同时在燃料准备间上增加一层舱室用于布置制氮装置，电气配电箱及控制箱等设备。针对这两处新增设备的布置，需要结合其他专业进行综合的考虑。

图3 C 型燃料储存罐布置图

3.1 电力系统

船舶LNG 双燃料动力改装设计初期，需要基于原船电力负荷表来掌握全船负荷情况。在原船电力负荷表的基础上，添加新增供气系统各设备的功率等参数更新改装后电力负荷数据。以了解改装后各工况下的电网负荷情况。

因改装会造成原船电网出现较大变化，根据船级社要求需要提供新的短路电流计算书，以核查改装后船舶电网的各检测点的短路电流，同时检查各断路器的分断能力及合闸能力是否仍能满足要求[3]。

断路器的电流参数与计算的各短路电流值关系为

式（1）和式（2）中：Ics为断路器的短路分断能力；Iac为计算出的对称短路电流；Icm为断路器的短路接通能力；Ip为计算出的最大短路电流峰值

进行电力系统改装设计时，各新增设备供电电源可以优先从用原船配电板或电力分电箱内的备用开关取电。本项目中，因原船备用开关不足，为便于电源管理，考虑单独增加440 V 及220 V 供电分电箱，LNG 双燃料改装变更后的电力单线图见图4。图4 中：MCCB 为塑料外壳式断路器；ACB 为框架式断路器；CB 为母排联络开关。针对新增的220 V分电箱，如原船440 V/220 V 变压器容量不足时，则需要考虑增加新的变压器。新增的变压器容量在选择时，需要适当考虑信息量，负荷占比不超85%。变压器容量计算为

图4 LNG 双燃料改装变更后的电力单线图

式（3）～式（7）中：P1,P2, …,Pn为新增各设备功率；S1,S2, …,Sn为设备视在功率；PF为各设备功率因素；LF为设备同时使用系数；S为变压器容量。

3.2 LNG 燃料供气系统

LNG 燃料供气系统属于船舶双燃料改装中的核心系统，该系统的各控制及监测功能主要通过一套带有显示器的主控制柜来实现。为在操作方便的同时节省主机柜至各相关系统的电缆，设计中可以将该主机柜布置于集控室内，通过机柜集中对燃料供气系统及相关配套设备进行远程显示及控制，同时在驾驶室设计有一块用于远程显示和报警的复示面板，以便于船员及时掌握供气系统状态。作为改装中的核心系统，供气系统与改装中新增的各设备单元有众多接口，例如燃气的应急切断系统、气体探测系统、制氮装置等，并且与原船部分系统也有不少接口，在设计时需要特别注意。燃料供气系统与其他相关系统的接口见图5。

图5 燃料供气系统与其他相关系统的接口示意图

3.3 紧急切断（Emergency Shutdown，ESD）系统

为满足规范的要求，需要在改装船上增加ESD系统，此系统功能为船舶在加注燃料期间，紧急情况时，切断LNG 传输，确保LNG 燃料处理系统处于安全状态，可以通过手动和自动的方式操作。ESD系统动作时应能切断本船补给管路上的应急截止阀并关停LNG 输送泵。ESD 系统的手动操作按钮按要求布置于如下处所：1）货物控制室；2）燃料加注站；3）逃生通道路径上，且其布置应能防止被误触动。

同时，在货物控制室和加注站位置，需要布置声光报警器，使得ESD 系统触发时能迅速引起船员的注意[4]。ESD 系统通过船船连接系统，与加注船或岸基加注站通过电气连接，实现紧急情况下的切断功能，见图6。

图6 ESD 应急切断连接示意图

3.4 气体探测系统

在本项目中机舱采用增强安全型机舱进行设计，即机器处所内各供气管路均为双壁管，同时在必要的位置布置可燃气体探测器，以便能随时探测到管路气体燃料泄漏的情况，确保气体燃料系统的安全和可靠运行[5]。

此系统设计时，需要注意在加注区域配置气体探测及手动启动按钮，以在发生气体泄漏时能及时启动地报警，并采取有效的措施来消除安全隐患。出于安全以及规范要求，还需要在改装的各供气系统及设备处所增加气体探测系统，并在在驾驶室或集控室设置声光报警器。根据规范要求，本项目在以下各位置增加气体探测装置：1）LNG 储罐位置；2）燃料准备间；3）燃料舱接头处所；4）气体阀件单元（Gas Valve Unit，GVU）单元；5）机舱内双燃料主机进气及排气总管、透气管等位置。

所配置的探头数量需要能覆盖该区域并进行不间断的检测，当检测到可燃气体浓度达到20%爆炸下限（Lower Explosive Limited，LEL）时，在驾驶室和集控室应触发声光报警。当2 个探测器探测到的可燃气体浓度达到40%LEL时，应触发安全系统，即ESD 系统。因此，设计时还需要注意气体探测系统与ESD 系统间的信号接口匹配等问题。

3.5 内部通信和报警系统

对于在改装中新增或改造的舱室，还需要考虑设有能和原船兼容的船内通信报警设备，包括电话、广播、通用报警、火灾报警等。各新增通信报警设备，原则上接入原船各自系统。针对本次改装项目设计，新增舱室为艉部甲板的燃料准备间及燃料加注站等区域。因此，针对内部通信及报警系统，部分系统的改装设计如下：

1）针对声力电话系统，在加注站及船舶货控室单独增加一套独立于航行安全的声力电话。因燃料加注站区域划分为危险区域，需要配置壁挂式防爆电话。

2）针对自动电话系统，在燃料准备间增设一部自动电话，因该处所为噪声较大机械处所，因此，配置的电话应为带抗噪头盔，同时处所为危险区域，配置的自动电话相应的需要按防爆型电话设计。

3）针对广播系统，在新增燃料准备间，供气系统配电间和必要室外位置安装广播扬声器，防爆区域扬声器防爆等级需要满足船级社要求，本项目中燃料准备间内增加的为壁装式5 W防爆水密型广播，室外新增广播为壁挂式10 W 水密型广播，对于各新增广播需要按A-B 回路设计。

3.6 照明系统

改装中有新增的舱室，必然会涉及到照明系统的改装，以满足日常工作照明需要。新增照明系统尽可能使用原来照明分电箱中的备用开关，或者从原船照明系统的各照明回路中做设计修改。在对照明系统进行改造时，需要注意设计的各照明回路灯点总数不超规范要求的24 盏。同时，舱室布置变化后，各逃生通道可能发生变化，需要根据改装后的通道来布置正常及应急照明以满足规范对相应区域的照度要求。

4 LNG 双燃料改装危险区域划分

LNG 双燃料改装设计中，除需要对各电气系统进行改装设计，还需要注意改装后各危险区域划分变化以及相应防爆等级的设备选用。

本项目中，原船危险区域主要为油漆间，蓄电池间等处所。在增加供气系统及相关配套管路后，原船将新增多处危险区域。根据规范要求，改装后，将本船的燃料储藏罐内部划分为0 类危险区域（ZONE 0）；将燃料舱接头处所，燃料准备间所划分为1 类危险区域（Zone 1）；将距离1 类危险区域的开敞或半围蔽处所1.5m 的区域则划分为2 类危险区域（Zone 2）。为便于理解，改装后的危险区域划分示意见图7。

图7 改装后的危险区域划分示意图

在各电气系统的设计中，当涉及到设备选用时，需要注意参照改装后的危险区域划分来选用合适的防爆设备。除燃料储罐外，改装后各危险区域可优先选用隔爆型防爆设备，燃料储罐内的电气设备可选用本安型防爆设备。因本安型防爆设备所连接的电路属于本安电路，按规范要求需要为本安电路提供单独的电缆路径。除常用的隔爆型及本安型防爆设备外，还有其他一些防爆型式可供安装于各类危险区域中，见表2。

表2 常用防爆型式及适用区域

5 结论

LNG 作为当下应用最为广泛的替代燃料之一，相应的LNG 动力改装也将成为船舶节能环保改装中的热门方案之一。在进行具体的船舶LNG 双燃料改装设计时，船厂需要根据改装船舶的船型，船舶主机等设备配置情况以及相关规范要求，进行针对性的改装方案制定及图纸详细设计，并依据实船情况对加装的设备进行合理布局，使改装船舶在满足规范要求前提下，尽量降低改装成本，缩短改装周期。