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        12000m3多用途液化氣船電氣設(shè)計(jì)

        2014-10-30 08:11:50曹征宇趙涵丞
        船舶與海洋工程 2014年2期
        關(guān)鍵詞:液貨匯流排控制站

        曹征宇,趙涵丞

        (上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

        0 引 言

        隨著液化氣運(yùn)輸需求的日益增加,液化氣船的建造需求亦掀起了一股浪潮。本文介紹的12000m3多用途液化氣船,可裝載液化石油氣(LPG,–48℃)、液化乙烯(LEG,–104℃)、液化天然氣(LNG,–163℃),在貨物區(qū)安裝2個(gè)獨(dú)立的C型罐,甲板上有3個(gè)液貨罐,其中2個(gè)作為LNG燃料罐。運(yùn)輸過程中,對于LPG,LEG 的揮發(fā)氣體,可通過再液化裝置送回艙內(nèi)。LNG的揮發(fā)氣體,可作為主機(jī)的燃料加以利用,多余的LNG揮發(fā)氣體,可通過氣體燃燒裝置(GCU)燒掉。

        推進(jìn)系統(tǒng)為四沖程雙燃料主機(jī)連接可調(diào)槳,并通過減速齒輪箱連接軸帶發(fā)電機(jī)(PTO)。當(dāng)主機(jī)故障時(shí),軸帶發(fā)電機(jī)可作為電動機(jī)(PTH),帶動螺旋槳作應(yīng)急推進(jìn)系統(tǒng)。

        1 主要設(shè)備負(fù)荷分析及計(jì)算

        1.1 液貨系統(tǒng)

        液化氣船的液貨系統(tǒng)比較特殊,只有了解其功能和使用工況,才能準(zhǔn)確地進(jìn)行電力負(fù)荷計(jì)算。液貨系統(tǒng)的功能按液貨的裝卸過程為:

        1) 干燥:清除液貨艙管路等的濕氣,防止空氣中水蒸氣在低溫下凝結(jié)成固態(tài)冰而對液貨泵、閥門產(chǎn)生破壞作用。方法是利用制氮裝置產(chǎn)生干燥空氣進(jìn)行吹氣;

        2) 惰化:降低貨物系統(tǒng)中的含氧量至安全程度,防止在裝貨過程中形成可燃?xì)怏w;

        3) 驅(qū)氣:用待裝的貨物蒸氣把液貨艙中的惰氣排出去。如果甲板上設(shè)有裝載相同貨物的備用貯罐,驅(qū)氣可在開往裝貨港途中進(jìn)行,這樣可縮短裝貨準(zhǔn)備時(shí)間;

        4) 預(yù)冷:在裝貨前降低液貨艙溫度以便盡量減少貨艙和管系的熱應(yīng)力和貨物過度蒸發(fā),方法是利用液貨汽化吸收熱量來冷卻液貨艙;

        5) 裝貨:包括貨物的再液化,貨物裝載極限的控制,船體應(yīng)力的調(diào)整等;

        6) 裝貨航行:進(jìn)行貨物溫度和壓力的控制;

        7) 卸貨:把貨艙內(nèi)冷凍貨物通過貨艙內(nèi)的深井泵卸到岸上的低溫壓力貯罐,也可以通過甲板上的貨物加熱器和增壓泵串聯(lián)卸貨到岸上常溫壓力貯罐;

        8) 換裝貨品:根據(jù)兩種貨物的相容性,可以直接裝載或執(zhí)行換貨程序(包括清除液貨艙內(nèi)部殘液、除氣、惰化和再驅(qū)氣等);

        9) 液貨艙檢修前的準(zhǔn)備:包括清除液貨艙殘液、復(fù)溫、用惰性氣體置換可燃貨物氣體,隨后用空氣置換惰性氣體等操作。

        液貨船載貨航行時(shí)必須控制貨物的狀態(tài),由于貨艙的絕緣不足以阻止外部熱量傳遞到低溫貨物,因此,貨艙內(nèi)溫度上升,有少量液貨會汽化,使貨艙的壓力升高,當(dāng)壓力超過一定值時(shí)安全閥起跳產(chǎn)生可燃?xì)怏w泄漏危險(xiǎn),該船配備了LPG/LEG 再液化裝置,將揮發(fā)的氣體經(jīng)貨物壓縮機(jī)壓縮成高壓熱蒸汽,再經(jīng)過冷凝器降溫冷凝成暖液體,最后經(jīng)膨脹閥降壓后返回液貨艙,變成低溫低壓的液體。由于 LNG保存的溫度低到-163℃,如采用LNG制冷機(jī)組將非常昂貴,不經(jīng)濟(jì),因此該船采用雙燃料主機(jī),將LNG的揮發(fā)氣體代替燃油作為主機(jī)的燃料,同時(shí)配有GCU單元,也能夠?qū)⒍嘤嗟腖NG的揮發(fā)氣體直接燒掉。

        卸貨利用船上的深井泵,通常在排出閥關(guān)閉或者部分開啟的情況下啟動深井泵,以減少啟動負(fù)荷和壓力沖擊;卸載貨物過程中,監(jiān)視液貨艙中的液位,并且根據(jù)船舶穩(wěn)性和受力,控制卸貨/壓載操作;整個(gè)過程,監(jiān)視貨艙卸去液貨后壁間的壓力改變;在卸載過程中,應(yīng)引起注意的問題是:為了維持船舶的平衡與吃水,也為了避免結(jié)構(gòu)上的額外應(yīng)力,在卸載同時(shí)必須注入壓載水。

        裝貨時(shí)岸泵會將液貨注入液貨艙內(nèi),期間產(chǎn)生的揮發(fā)氣體可以直接送回岸上,或由船上貨物壓縮機(jī)繼續(xù)再液化處理(LEG/LPG)送回艙內(nèi)。

        液貨系統(tǒng)主要用電設(shè)備如表1所示。

        1.2 電力負(fù)荷狀況

        常規(guī)船舶電力負(fù)荷計(jì)算分為航行、進(jìn)出港、裝卸貨、停泊、應(yīng)急幾種工況[1]。根據(jù)上述液貨系統(tǒng)功能,及不同載貨品種,該船將航行工況細(xì)分為空載航行、裝載LPG/LEG航行、裝載LNG航行、航行時(shí)準(zhǔn)備換貨品。進(jìn)出港、裝貨也按所裝貨品,分為裝LPG/LEG,裝LNG兩種。計(jì)算結(jié)果及電站使用工況見表2。

        表2 各工況的電力負(fù)荷分析

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇主發(fā)電機(jī)3臺910kW,軸帶發(fā)電機(jī)1500kW,應(yīng)急發(fā)電機(jī)150kW。

        2 電力系統(tǒng)

        電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。電力系統(tǒng)特點(diǎn)如下:

        1) 采用雙匯流排,主發(fā)電機(jī)與軸帶發(fā)電機(jī)分區(qū)供電,主發(fā)與軸發(fā)能短時(shí)并車,不長期并聯(lián)運(yùn)行;

        2) 考慮到貨物系統(tǒng)的用電量,至少需要2臺發(fā)電機(jī)運(yùn)行,主匯流排上采用2 個(gè)匯流排連接開關(guān),將母排分成3 段,每臺發(fā)電機(jī)一個(gè)分段 ,這樣單點(diǎn)故障時(shí)始終保持有2臺主發(fā)運(yùn)行;

        3) 由于貨物再液化系統(tǒng)的壓縮機(jī)和制冷機(jī)不能斷電,貨物再液化系統(tǒng)區(qū)配電板由主匯流排和軸發(fā)匯流排雙路供電。貨物系統(tǒng)需要提供AC440V,AC220V不間斷電源;

        4) 雙燃料主機(jī)控制系統(tǒng)需要提供獨(dú)立的充放電板,主應(yīng)急雙路供電;

        5) 配電板供電模式及控制:配電板設(shè)置了手動、就地自動及遙控模式。在遙控模式下由PMS系統(tǒng)控制,該系統(tǒng)集成在全船監(jiān)測報(bào)警控制系統(tǒng)(AMCS)中。在 AMCS 中可控制重要開關(guān)分合閘,包括 3臺主發(fā)及軸發(fā)的空氣開關(guān)、主匯流排與軸發(fā)匯流排之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)、及給2套再液化系統(tǒng)供電的開關(guān)。不同控制模式下配電狀態(tài)有所不同,如表3所示。

        圖1 電力系統(tǒng)單線圖

        表3 不同控制模式下的配電

        續(xù)表3

        3 自動化系統(tǒng)

        3.1 主推進(jìn)裝置

        主機(jī)采用瓦錫蘭生產(chǎn)的6L46DF四沖程雙燃料中速機(jī)(MCR:6870kW,轉(zhuǎn)速:600r/min),由瓦錫蘭提供的整套推進(jìn)系統(tǒng)含齒輪箱、PTO/PTH、軸系、CPP、艉軸密封及潤滑、整體艉管等。主推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

        推進(jìn)系統(tǒng)為中速機(jī)+齒輪箱(PTO/PTH)+可調(diào)槳的方案,中速機(jī)采用瓦錫蘭新型的雙燃料電噴機(jī)。帶PTO/PTH功能齒輪箱的典型結(jié)構(gòu)見圖3[2]。

        圖2 主推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成

        圖3 帶PTO/PTH功能齒輪箱的典型結(jié)構(gòu)

        正常模式下,主離合器嚙合,主機(jī)通過主輸出軸驅(qū)動可調(diào)槳。PTO模式下,PTO離合器也嚙合,主機(jī)在通過主輸出軸驅(qū)動可調(diào)槳的同時(shí),還驅(qū)動軸帶發(fā)電機(jī)。PTH模式下,主離合器脫開,PTH接通,通過軸帶發(fā)電機(jī)驅(qū)動可調(diào)槳。PTH模式下,為了獲取較高的螺旋槳效率,降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速。PTO/PTH齒輪箱的工作模式見圖4。

        3.2 主機(jī)控制系統(tǒng)

        中速機(jī)主機(jī)遙控系統(tǒng)一般由主機(jī)廠成套供應(yīng)。主機(jī)的控制系統(tǒng)一般包含控制模塊、安全模塊、氣缸控制模塊、電源模塊等,各模塊之間數(shù)據(jù)高速傳輸是基于CAN-bus總線,電源和CAN-bus總線都是雙冗余設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)安全停車、起動閉鎖、主機(jī)及增壓器測速、主機(jī)正常起/停、速度控制、主機(jī)燃油模式控制、燃?xì)夂拖葘?dǎo)油噴射控制、氣缸平衡和敲缸控制、主機(jī)監(jiān)測和報(bào)警信號處理等功能。數(shù)據(jù)可通過RS485接口傳送至船上AMCS系統(tǒng)。

        圖4 PTO/PTH齒輪箱的工作模式

        3.3 可調(diào)槳控制系統(tǒng)

        可調(diào)槳控制系統(tǒng)也由主機(jī)廠成套供應(yīng)。該系統(tǒng)是基于 DC24V PLC,用于控制主機(jī)速度、螺距及離合器合/分。

        螺距是通過控制伺服油系統(tǒng)的比例電磁閥及螺旋槳位置的反饋信號構(gòu)成閉環(huán)控制。

        螺距和主機(jī)控制通過一個(gè)公用的組合控制手柄,達(dá)到最理想的性能和節(jié)省燃油效果。

        主推進(jìn)裝置設(shè)有下列控制站:1) 集控室控制站(ECS);2) 駕駛室控制站(BCS);3) 橋樓兩翼控制站(WCS);4) 機(jī)旁應(yīng)急控制單元??刂普镜闹饕δ芗疤攸c(diǎn)如下:

        1) 每個(gè)控制站均設(shè)有包括螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺距等的指示表,控制位置的轉(zhuǎn)換開關(guān),可以對離合器的嚙合和脫開進(jìn)行遙控;

        2) 集控室控制站安裝主機(jī)診斷分析電腦,用來監(jiān)控和分析主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并收集數(shù)據(jù);

        3) 駕駛室和橋樓兩翼控制站可對主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距進(jìn)行控制;

        4) 集控室和駕駛室控制站還有主機(jī)轉(zhuǎn)速表、主機(jī)負(fù)荷表以及PTO模式和PTH模式的指示;

        5) 另外還配有一套應(yīng)急車鐘系統(tǒng)。

        3.4 雙燃料主機(jī)氣體探測系統(tǒng)

        雙燃料主機(jī)的燃?xì)夤?yīng)閥(GVU)設(shè)置在單獨(dú)的氣密艙室,與機(jī)艙之間采用雙壁管連接,雙壁管內(nèi)為Z0防爆區(qū),第一層與第二層壁之間為Z1防爆區(qū),雙壁管外為安全區(qū)域。并使機(jī)艙的壓力始終大于GVU室,這樣安裝雙燃料主機(jī)的機(jī)艙就屬于非防爆區(qū)。

        氣體探測系統(tǒng)是用來監(jiān)測可燃?xì)怏w泄漏的,該系統(tǒng)為雙套冗余設(shè)計(jì)。本安型氣體探頭必須安裝在以下位置:1) 機(jī)艙4套,2套安裝在機(jī)艙通風(fēng)出口,2套安裝在雙燃料主機(jī)上方;2) GVU室上方2套,GVU室通風(fēng)出口2套;3) 每段雙壁管各2套。一旦達(dá)到設(shè)定濃度,氣體探測系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警,并自動從燃?xì)饽J角袚Q到燃油模式,安裝在GVU前面的燃?xì)馇袛嚅y關(guān)閉,并吹入惰氣。

        3.5 監(jiān)測報(bào)警控制系統(tǒng)

        除了常規(guī)的主機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電板、機(jī)艙重要設(shè)備報(bào)警監(jiān)測外,還集成了PMS的遙控、重要泵的遙控、液位遙測、閥門遙控等。監(jiān)測報(bào)警控制系統(tǒng)由四個(gè)工作站、兩臺打印機(jī)、信號采集箱、信號處理模塊等主要設(shè)備組成,采用分布式處理模塊DPU分別安裝在信號采集箱內(nèi),根據(jù)傳感器的分布狀況就近布置采集箱。在駕駛室、輪機(jī)長、大管輪、二管輪、甲板會議室、餐廳、娛樂室設(shè)有延伸報(bào)警板,系統(tǒng)設(shè)有多個(gè)串行通信接口,分別用于主機(jī)信號、發(fā)電機(jī)信號、航行數(shù)據(jù)記錄儀VDR、閥門遙控和液位遙測系統(tǒng)等設(shè)備。全船監(jiān)測報(bào)警控制系統(tǒng)總?cè)萘窟_(dá)752點(diǎn),其中包括數(shù)字量576點(diǎn),模擬量176點(diǎn)。數(shù)字量輸入408點(diǎn),輸出168點(diǎn);模擬量輸入160點(diǎn),輸出16點(diǎn),通訊口6個(gè)。

        該系統(tǒng)主要功能和特點(diǎn)是:1) 能對全船重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測報(bào)警;2) 能控制與主推進(jìn)相關(guān)的雙套備用泵;3) 可控制燃油傳輸系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)相關(guān)的泵和機(jī)艙風(fēng)機(jī)(雙速);4) 可控制閥門遙控系統(tǒng)的所有閥門,將分布式采集模塊直接安裝在電磁閥箱內(nèi),完成信號采集和控制功能。這樣閥門遙控系統(tǒng)省掉了PLC處理單元;5) 液位遙測系統(tǒng)通過串行通訊將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測系統(tǒng)顯示;6) 集成自動電站管理功能,能根據(jù)負(fù)荷大小自動起動、解列發(fā)電機(jī)組,自動并車和負(fù)載分配;匯流排異?;謴?fù);失電恢復(fù);重載詢問等;7) 可自動控制配電板上重要開關(guān),包括主發(fā)與軸發(fā)空氣開關(guān);主匯流排與軸發(fā)匯流排之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)、及給2套再液化系統(tǒng)供電的開關(guān)。

        4 結(jié) 語

        由于清潔能源的天然氣的應(yīng)用范圍更加廣泛,隨著液化氣運(yùn)輸需求的日益增加,液化氣船的建造需求亦掀起了一股浪潮。希望本文能對多用途液化氣船的設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

        [1] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(電氣分冊)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1997.

        [2] W?rtsil?公司. W?rtsil? 50DF Product Guide[G/OL]. http://www.wartsila.com.

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