李煜輝+杜茂+張謙益+潘志翔

摘要：根據(jù)CCS（中國(guó)船級(jí)社）頒布的有關(guān)對(duì)混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的要求和規(guī)范，本安全監(jiān)控主要功能包括有：對(duì)混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙室的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測(cè)，并且能夠根據(jù)本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)相應(yīng)判斷混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的安全故障問題，從而根據(jù)監(jiān)測(cè)到的故障問題采用相應(yīng)措施處理。

關(guān)鍵詞：LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)

相比CNG（Compressed NaturalGas，壓縮天然氣），LNG不再是將天然氣壓縮在200個(gè)大氣壓的儲(chǔ)氣瓶里，有著破裂時(shí)爆炸的危險(xiǎn)，其安全性相對(duì)較高。但是經(jīng)過對(duì)LNG理化性質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境安全性的分析后發(fā)現(xiàn)，LNG作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的應(yīng)用過程中依然存在著低溫、泄漏與燃燒爆炸等方面的安全隱患。因此，使用科學(xué)的方法對(duì)雙燃料船舶的機(jī)艙以及燃料艙進(jìn)行安全性研究，對(duì)預(yù)防和降低危險(xiǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以LNG理化性質(zhì)和CCS所頒布的關(guān)于雙燃料船舶規(guī)范為依據(jù)，著重從LNG實(shí)際應(yīng)用中存在的低溫、泄漏以及燃燒爆炸等安全隱患入手，基于實(shí)際雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，對(duì)雙燃料船舶中LNG從儲(chǔ)藏到供給再到主機(jī)消耗等方面可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)分析，并以此為依據(jù)從供氣、艙室環(huán)境以及主機(jī)運(yùn)行等方面設(shè)計(jì)了一套較為完善的安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警。

LNG燃料安全性分析

1、LNG理化性質(zhì)

LNG采用超低溫儲(chǔ)藏，在一個(gè)大氣壓下溫度達(dá)到-162℃，真正作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)，氣化后的LNG對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒效果有著重要影響，所以在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于氣化后LNG溫度的監(jiān)測(cè)是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。天然氣的自燃溫度為645℃，其可燃濃度下限是5%（與空氣的濃度比），著火點(diǎn)與可燃濃度點(diǎn)較低，當(dāng)LNG瓶碰撞、傾倒等事故時(shí)，溫度會(huì)急劇升高，在通風(fēng)較差的場(chǎng)所遇明火可能自燃起火甚至爆炸。天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為氣態(tài)，而且甲燒的分子量為16，遠(yuǎn)小于空氣，當(dāng)LNG儲(chǔ)氣瓶發(fā)生意外造成泄漏時(shí)，天然氣會(huì)迅速向上擴(kuò)散，不易聚集在地面。這一特性也決定了對(duì)于LNG泄漏的監(jiān)控設(shè)備一般安裝于艙室中LNG設(shè)備的上方。

作為船舶發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙室與LNG儲(chǔ)藏室一般處于封閉空間，有可能出現(xiàn)低溫、泄露甚至爆炸等安全問題。

2、CCS相關(guān)規(guī)范要求

CCS（中國(guó)船級(jí)社）所頒布的《雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝指南》、《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》、《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》對(duì)混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝以及運(yùn)行有著如下要求：①能夠?qū)夤蕖峤粨Q器、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)生任何故障可以在駕駛室或者機(jī)艙控制室產(chǎn)生視覺和聽覺報(bào)警。②能夠?qū)夤尢幩l(fā)動(dòng)機(jī)處所等可能產(chǎn)生可燃?xì)怏w泄露和聚集的其他處所進(jìn)行連續(xù)的氣體探測(cè)。③能夠?qū)怏w燃料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且對(duì)監(jiān)測(cè)到的故障采取相應(yīng)措施處理。④能夠?qū)旌先剂习l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且對(duì)監(jiān)測(cè)到的故障采取相應(yīng)措施處理。⑤符合國(guó)家、行業(yè)及船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求。

3、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架依據(jù)真實(shí)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)布局設(shè)置，分為燃料室、機(jī)艙室以及駕駛室。LNG-柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)構(gòu)成如下圖1所示。

依據(jù)LNG理化性質(zhì)、CCS規(guī)范要求以及現(xiàn)場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)布置，確定安全監(jiān)控系統(tǒng)所要監(jiān)控的內(nèi)容分為三個(gè)部分：LNG儲(chǔ)氣與供氣：儲(chǔ)氣罐供氣異常、儲(chǔ)氣室（氣棚）環(huán)境溫度過高、儲(chǔ)氣室（氣棚）天然氣泄漏、儲(chǔ)氣室（氣棚）失火、天然氣供應(yīng)管內(nèi)低壓、氣化器出口管路氣體低溫、氣化器介質(zhì)低溫；該監(jiān)測(cè)報(bào)警主要是針對(duì)LNG儲(chǔ)氣與供氣的安全性；機(jī)艙環(huán)境：機(jī)械通風(fēng)機(jī)故障、機(jī)艙室火災(zāi)、機(jī)艙室天然氣泄漏。該監(jiān)測(cè)報(bào)警主要是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境的安全性；主機(jī)運(yùn)行：轉(zhuǎn)速波動(dòng)率太高、曲軸箱天然氣泄漏、單缸排氣溫度高以及單缸排氣溫度和平均排氣溫度偏差大。該監(jiān)測(cè)報(bào)警主要是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全性。

監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述安全監(jiān)控系統(tǒng)確定內(nèi)容與思路，本安全監(jiān)控系統(tǒng)分別對(duì)LNG儲(chǔ)氣與供氣、發(fā)動(dòng)機(jī)艙室環(huán)境以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)三個(gè)方面進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

1、LNG儲(chǔ)氣與供氣

針對(duì)LNG供應(yīng)系統(tǒng)上存在的安全隱患，分別從儲(chǔ)氣罐及汽化器、儲(chǔ)氣室環(huán)境以及供氣管路三個(gè)部分對(duì)LNG儲(chǔ)氣與供氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1儲(chǔ)氣罐及汽化器監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

LNG儲(chǔ)氣罐設(shè)有液位及壓力監(jiān)測(cè)與顯示儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示儲(chǔ)氣罐中的LNG液位與壓力。

在汽化器安全監(jiān)測(cè)方面設(shè)計(jì)有溫度傳感器，分別對(duì)汽化器介質(zhì)以及汽化后燃?xì)獾臏囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以防可能出現(xiàn)的溫度異常影響LNG汽化而無法滿足工作要求。傳感器安裝如下圖2所示。

1.2儲(chǔ)氣室環(huán)境

儲(chǔ)氣室環(huán)境的安全直接影響著供氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及人員安全。在儲(chǔ)氣室（氣棚）內(nèi)安裝有可燃?xì)怏w探測(cè)器、火焰探測(cè)器以及環(huán)境溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LNG儲(chǔ)藏罐的環(huán)境的安全。傳感器安裝如下圖3所示。

1.3供氣管路安全設(shè)計(jì)

供氣管路在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要作用：一方面是系統(tǒng)重要的監(jiān)測(cè)對(duì)象，另一方面又是系統(tǒng)主要的執(zhí)行操作對(duì)象。對(duì)于供氣管路的監(jiān)控設(shè)計(jì)如下：①采用壓力傳感器對(duì)管路中燃?xì)鈮毫M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。②在天然氣供應(yīng)管系上安裝互鎖切斷閥，作為系統(tǒng)緊急情況的執(zhí)行輸出?；ユi閥由四個(gè)閥件組成，其中三個(gè)串聯(lián)安裝在天然氣供應(yīng)主管系上的閥在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)閉合切斷燃?xì)夤?yīng)，另外一個(gè)通氣閥在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)打開以便于燃?xì)獾臄U(kuò)散。

2、機(jī)艙環(huán)境安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

機(jī)艙環(huán)境直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行以及操作人員的安全性，本系統(tǒng)在機(jī)艙頂部安裝有可燃?xì)怏w探測(cè)器以及煙霧探測(cè)器，針對(duì)可能出現(xiàn)的意外燃?xì)庑孤┥踔粱馂?zāi)。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)艙室的風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)機(jī)故障。

3、主機(jī)運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

排溫和轉(zhuǎn)速是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否正常運(yùn)行的重要參數(shù)，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠便于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)有清楚的判斷。本文設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)單缸及總管排氣溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)在曲軸箱透氣管內(nèi)安裝燃?xì)馓綔y(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲軸箱的燃?xì)鉂舛?。本文改裝的發(fā)動(dòng)機(jī)如下圖4所示。

4、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)布置圖

安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)布置圖如下圖5所示。

系統(tǒng)功能流程

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范與系統(tǒng)方案，安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能流程如下圖6所示。

如上圖所示，安全監(jiān)控系統(tǒng)工作流程為：

上電自檢：系統(tǒng)進(jìn)行自檢，如有故障立即報(bào)警，否則進(jìn)行第二步，信息采集。

信息采集：通過傳感器信號(hào)以及通訊[7]等方式將信息采集到處理器部分，進(jìn)行第三步，信息處理。

信息處理：將采集到的信息進(jìn)行處理并進(jìn)行判斷，若判斷安全，則繼續(xù)采集信息，否則，執(zhí)行報(bào)警及相關(guān)動(dòng)作。

報(bào)警及動(dòng)作：系統(tǒng)判斷為故障或危險(xiǎn)狀態(tài)，進(jìn)行報(bào)警并采取措施。

安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)完成實(shí)際系統(tǒng)的搭建與調(diào)試，各項(xiàng)功能完全滿足設(shè)計(jì)要求，通過了驗(yàn)收并且工作正常。

柴油-LNG混合燃料船舶作為一種新型船舶，LNG特殊的理化性質(zhì)使其比其他船舶更具有特殊性。船舶運(yùn)營(yíng)的安全與效率主要是由船舶的心臟（機(jī)艙）的運(yùn)行狀況以及LNG燃料儲(chǔ)藏的安全性所決定。本文立足于LNG理化性質(zhì)和CCS所頒布的關(guān)于雙燃料船舶規(guī)范，以LNG作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的實(shí)際應(yīng)用中存在的低溫、泄漏以及燃燒爆炸等安全隱患為監(jiān)控要點(diǎn)，基于實(shí)際雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架設(shè)計(jì)了一套較為完善的安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)從供氣到主機(jī)運(yùn)行等方面的監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警，并最終通過了試驗(yàn)與測(cè)試，為L(zhǎng)NG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種可行的思路與方案。

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