沈 寧，潘偉昌，段 斌

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海200129)

0 引 言

LNG運(yùn)輸船是在常溫常壓下裝運(yùn)-163 ℃ LNG的特種船舶，具有高技術(shù)、高難度、高附加值的特點(diǎn)。在2004年之前的40年中建成的LNG船隊(duì)的絕大部分船采用蒸汽透平推進(jìn)系統(tǒng)，蒸汽透平系統(tǒng)對(duì)供氣系統(tǒng)要求低、燃料組合靈活、維護(hù)要求低、可靠性強(qiáng)，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)熱效率較差、燃料消耗高。因此，隨著雙燃料中速發(fā)動(dòng)機(jī)在2004年后開(kāi)始實(shí)現(xiàn)實(shí)船應(yīng)用，由此發(fā)展興起的雙燃料電力推進(jìn)(Dual Fuel Diesel Electric,DFDE)系統(tǒng)一躍成為L(zhǎng)NG船動(dòng)力的“新寵”。電力推進(jìn)LNG船自問(wèn)世以來(lái)，以其高效、節(jié)能、污染小等諸多特點(diǎn)，深受船舶所有人的青睞。韓國(guó)、日本和中國(guó)的各大型船廠紛紛推出15萬(wàn)～18萬(wàn)m3級(jí)電力推進(jìn)LNG船的設(shè)計(jì)，2004年之后的10年間已建成和投放的訂單船舶多達(dá)百艘，其中電力推進(jìn)船型占據(jù)九成以上，可謂一枝獨(dú)秀、占盡風(fēng)頭[1]。在國(guó)內(nèi)，滬東中華造船(集團(tuán))有限公司先后承接了10艘17.4萬(wàn)m3大型電力推進(jìn)LNG船，圖1是滬東中華建成交付的17.4萬(wàn)m3電力推進(jìn)LNG船“中能福石”號(hào)。

圖1 電力推進(jìn)LNG船“中能福石”號(hào)

由于天然氣具有易燃易爆的特性，因此LNG船對(duì)安全性和可靠性要求極高。在電力推進(jìn)LNG船上，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)布置在獨(dú)立于公共機(jī)艙的專(zhuān)有發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)，具有完全獨(dú)立的A-60防火分割，即使公共機(jī)艙意外失火也不會(huì)影響雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，極大地提高了船舶的安全可靠性。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的空氣消耗量不同，且燃?xì)夤┙o系統(tǒng)中的燃?xì)忾y組處所和雙壁管環(huán)腔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)的氣壓有嚴(yán)格要求，此外房間內(nèi)壓力還需要穩(wěn)定適中以便于人員安全出入。因此，獨(dú)立的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室需要有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，電力推進(jìn)LNG船雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要特殊考慮。

本文以一艘典型的17.4萬(wàn)m3電力推進(jìn)LNG船為研究對(duì)象，對(duì)該船的通風(fēng)系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。利用LNG船上強(qiáng)大的中央集成自動(dòng)化系統(tǒng)(Integrated Automation System，IAS)的調(diào)控功能，制訂和優(yōu)化雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室風(fēng)機(jī)的控制邏輯，完成發(fā)動(dòng)機(jī)室氣壓的智能調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)。

1 船型設(shè)計(jì)介紹

該型17.4萬(wàn)m3電力推進(jìn)LNG船是目前我國(guó)已交付的船型中貨艙容量最大、技術(shù)最先進(jìn)的LNG運(yùn)輸船。該船總長(zhǎng)290 m，型寬46.95 m，型深26.25 m，設(shè)計(jì)吃水11.5 m，采用雙艉鰭推進(jìn)，設(shè)計(jì)航速為19.5 kn，配有4個(gè)薄膜型液貨艙，貨艙總?cè)萘窟_(dá)17.4萬(wàn)m3。該船采用DFDE技術(shù)，同時(shí)配備再液化系統(tǒng)。

4臺(tái)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)配置為MAN 2 ×12 V 51/60DF + 2 × 8 L 51/60DF。MAN 51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是一款能使用重油、柴油和天然氣的三燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，具有燃油模式、燃?xì)饽Ｊ胶蛡溆媚Ｊ降?種操作模式，能為電力推進(jìn)系統(tǒng)和配有可調(diào)槳的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力，主要應(yīng)用于LNG運(yùn)輸船、豪華客船和一些特種船上。電力推進(jìn)LNG船通常會(huì)安裝數(shù)臺(tái)(4臺(tái)以上)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖2所示，一方面是船舶推進(jìn)及電力系統(tǒng)需要，另一方面也是船舶冗余度要求[2]。

圖2 機(jī)艙布置圖

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.1 安全冗余要求

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的通風(fēng)系統(tǒng)基于船舶的安全性和冗余性進(jìn)行設(shè)計(jì)。通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是：一方面要滿(mǎn)足雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室與公共機(jī)艙的完全獨(dú)立防火分割；另一方面還要通過(guò)中間艙壁A-60絕緣實(shí)現(xiàn)左、右雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的完全獨(dú)立，以達(dá)到動(dòng)力艙室完全冗余的要求。兩個(gè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室相互獨(dú)立的優(yōu)點(diǎn)是任何一個(gè)艙室發(fā)生火災(zāi)或燃?xì)庑孤琁AS系統(tǒng)都可以快速停止該艙室的設(shè)備運(yùn)行，并自動(dòng)切斷該艙室的通風(fēng)系統(tǒng)、燃油(或燃?xì)?和電力供給，不會(huì)影響其他艙室設(shè)備的正常工作。

2.2 安全空間與防爆空間的合理劃分

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o管路分兩段：第一段由燃?xì)鈮嚎s機(jī)從室外進(jìn)入燃?xì)忾y組室，與燃?xì)忾y組連接；第二段由燃?xì)忾y組進(jìn)入雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室，連接發(fā)動(dòng)機(jī)。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)與燃油供給系統(tǒng)類(lèi)似，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)中也有專(zhuān)用的“燃油模塊”，被稱(chēng)為燃?xì)忾y組，由速關(guān)閥、透氣閥、壓力調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、溫度和壓力傳感器等部件組成。由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃?xì)庥袎毫?、溫度、壓力波?dòng)等諸多要求，因此從LNG貨艙產(chǎn)生的蒸發(fā)氣經(jīng)過(guò)燃?xì)鈮嚎s機(jī)進(jìn)行壓縮處理后，進(jìn)入燃?xì)忾y組進(jìn)行減壓、穩(wěn)壓處理，并對(duì)燃?xì)鈮毫皽囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)換為燃油模式時(shí)，燃?xì)忾y組還要配合發(fā)動(dòng)機(jī)完成機(jī)器和管路中的燃?xì)獯迪垂ぷ?。燃?xì)忾y組的各個(gè)部件都由法蘭連接，有燃?xì)庑孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)《船舶電氣設(shè)備安裝規(guī)則》，燃?xì)忾y組所處空間屬于危險(xiǎn)區(qū)域，需將燃?xì)忾y組布置在單獨(dú)的房間內(nèi)，劃分為獨(dú)立的防爆區(qū)間，并布置專(zhuān)有的抽氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。值得注意的是，為保證機(jī)艙區(qū)域的安全，針對(duì)上述第一段燃?xì)夤┙o管路，即從貨艙區(qū)進(jìn)入機(jī)艙區(qū)管段，需要特殊布置燃?xì)夤芄芘?，形成“雙壁”保護(hù)。燃?xì)夤芄芘M(jìn)口處和抽風(fēng)風(fēng)管的出口附近也是危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)電氣設(shè)備有防爆要求。

為保證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的安全區(qū)域設(shè)計(jì)，上述第二段燃?xì)夤┙o管路，即燃?xì)忾y組與雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)之間的管段均有雙壁管(包括雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上的燃?xì)夤苈?[3]保護(hù)。同時(shí)，根據(jù)《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》(下文簡(jiǎn)稱(chēng)IGC規(guī)則)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商提供的《安全設(shè)計(jì)導(dǎo)則》文件，對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室、相對(duì)應(yīng)的燃?xì)忾y組室以及連接這兩個(gè)房間的雙壁管環(huán)腔等空間，提出具體的絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力的要求和限制[4]。

由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)布置在機(jī)艙安全區(qū)域，而燃?xì)夤苈芳叭細(xì)忾y組周?chē)鷮儆谖ｋU(xiǎn)區(qū)域，合理的安全空間與防爆空間設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足《IGC 規(guī)則》要求是大型電力推進(jìn)LNG船燃?xì)庀到y(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)，不僅要滿(mǎn)足《安全設(shè)計(jì)導(dǎo)則》要求的雙壁管環(huán)腔絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力的限制，還要對(duì)燃?xì)忾y組到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的燃?xì)怆p壁管長(zhǎng)度、雙壁管和燃?xì)忾y組室的燃?xì)馓綔y(cè)傳感器布置以及燃?xì)忾y組及供給管路的吹洗等設(shè)計(jì)進(jìn)行校核[5]。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

綜合考慮雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的安全冗余要求，與燃?xì)忾y組室防爆空間的合理劃分，以及雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高低負(fù)荷下的不同空氣消耗量導(dǎo)致的室內(nèi)氣壓波動(dòng)等諸多因素，提出每個(gè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室配備2臺(tái)供氣風(fēng)機(jī)和1臺(tái)排氣風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，供氣風(fēng)機(jī)和排氣風(fēng)機(jī)均為雙速風(fēng)機(jī)，以靈活的組合方式適應(yīng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的空氣消耗和散熱需求，每個(gè)燃?xì)忾y組室配置2臺(tái)100%容量冗余的抽風(fēng)機(jī)，以保證燃?xì)忾y組室內(nèi)負(fù)壓的要求。

在確定好通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，完成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室燃?xì)庑孤┑哪M分析。通過(guò)計(jì)算軟件建模和流場(chǎng)分析，一方面確定進(jìn)氣和排氣風(fēng)口的最佳位置，另一方面也確定雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)的燃?xì)馓綔y(cè)傳感器的布置位置，如圖4所示。在模擬分析中，當(dāng)右舷的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤苈菲屏押? s內(nèi)，位于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上方的燃?xì)馓綔y(cè)傳感器就會(huì)探測(cè)到燃?xì)庑孤?，并立刻通過(guò)應(yīng)急切斷系統(tǒng)快速關(guān)閉右舷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室燃?xì)夤┙o管路上的控制閥，控制閥關(guān)閉時(shí)間約為3 s，與此同時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)迅速?gòu)娜細(xì)饽Ｊ角袚Q為燃油模式，中間沒(méi)有中斷或者負(fù)荷波動(dòng)。此時(shí)，左舷的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，不受任何影響。在燃?xì)夤┙o管路控制閥關(guān)閉的5 s內(nèi)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的泄漏燃?xì)鉂舛瓤焖傧陆?，保障雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)設(shè)備的安全。

圖4 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室燃?xì)庑孤┓治瞿Ｐ蛨D

在LNG船的常規(guī)試航和氣體試航中，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同功率負(fù)荷下，對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室和燃?xì)忾y組室房間的氣壓進(jìn)行反復(fù)測(cè)量、調(diào)試，最終確定雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的通風(fēng)控制邏輯。

在常規(guī)試航中，針對(duì)不同雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)行供氣風(fēng)機(jī)和排氣風(fēng)機(jī)多種組合方案的試驗(yàn)，并完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，具體如表1所示。

表1 常規(guī)試航氣壓記錄表

續(xù)表1 常規(guī)試航氣壓記錄表

通過(guò)常規(guī)試航中雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室風(fēng)機(jī)控制試驗(yàn)，得到初步結(jié)論如下：

(1)當(dāng)氣壓差P0為0.05～0.20 kPa時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室與對(duì)應(yīng)的燃?xì)忾y組室之間的門(mén)較易打開(kāi)，便于人員出入。

(2)監(jiān)測(cè)雙壁管環(huán)腔空間氣壓的傳感器尚未安裝，需要由氣密試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，但需注意要滿(mǎn)足雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的設(shè)計(jì)要求(-1 ～1 kPa)。

(3)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室在低功率區(qū)域的氣壓較為穩(wěn)定，在高功率區(qū)域還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

(4)初步的通風(fēng)控制邏輯：當(dāng)只有1臺(tái)8 L 51/60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，1號(hào)供氣風(fēng)機(jī)設(shè)置為高轉(zhuǎn)速模式，2號(hào)供氣風(fēng)機(jī)設(shè)置為低轉(zhuǎn)速模式；當(dāng)只有1臺(tái)12 V 51/60DF或2臺(tái)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有供氣風(fēng)機(jī)均設(shè)置為高轉(zhuǎn)速模式。

在氣體試航中，進(jìn)一步針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油和燃?xì)饽Ｊ较碌耐L(fēng)系統(tǒng)及控制邏輯進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 氣體試航(燃油模式)氣壓記錄表

表3 氣體試航(燃?xì)饽Ｊ?氣壓記錄表

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的搜集、處理和分析，確定最終的通風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯如表4所示。

表4 通風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯表

4 結(jié) 論

以一型17.4萬(wàn)m3電力推進(jìn)LNG船為研究對(duì)象，開(kāi)展雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論總結(jié)如下：

(1)基于船舶的安全性和冗余性考慮，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室需要與公共機(jī)艙采取完全獨(dú)立的防火分割，還可進(jìn)一步通過(guò)中間艙壁A-60絕緣實(shí)現(xiàn)左、右雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室的完全獨(dú)立，以達(dá)到動(dòng)力艙室完全冗余的要求。

(2)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室、燃?xì)忾y組處所和雙壁管環(huán)腔對(duì)氣壓有絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力的要求和限制，需參照《IGC規(guī)則》和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)廠家《安全設(shè)計(jì)導(dǎo)則》要求，完成安全空間與防爆空間的合理劃分。

(3)通過(guò)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室燃?xì)庑孤┑哪M計(jì)算，不僅可分析確定進(jìn)氣和排氣風(fēng)口的最佳位置，也可判斷出雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)的燃?xì)馓綔y(cè)傳感器的最優(yōu)布置位置。

(4)根據(jù)船舶試航時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不同功率負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，完成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油和燃?xì)饽Ｊ较碌耐L(fēng)系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)，試驗(yàn)證明該智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足實(shí)船的應(yīng)用要求。