祝志勇，葉文彪，高 健

(1.中車資陽(yáng)機(jī)車有限公司，四川 資陽(yáng) 641300；2.中國(guó)人民解放軍陸軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116001)

0 引言

節(jié)能減排已經(jīng)成為全球航運(yùn)業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，LNG動(dòng)力船舶正是在此形勢(shì)下發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，其綠色動(dòng)力系統(tǒng)的集成是目前發(fā)展的重心[1]。隨著環(huán)保趨勢(shì)的深入和LNG的興起，特別是內(nèi)河航運(yùn)節(jié)能減排補(bǔ)貼政策的出臺(tái)催化了LNG燃料動(dòng)力船舶行業(yè)的快速發(fā)展。但是，由于設(shè)計(jì)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，加上各種設(shè)備廠家獨(dú)立供貨，導(dǎo)致在LNG燃料動(dòng)力船動(dòng)力系統(tǒng)在集成過程中出現(xiàn)各種問題，嚴(yán)重制約了內(nèi)河船LNG動(dòng)力技術(shù)的推廣[2]。

“粵珠328” LNG雙燃料動(dòng)力示范船(簡(jiǎn)稱“粵珠328”船)為3 000噸級(jí)多用途船舶，現(xiàn)常年運(yùn)行在京杭運(yùn)河上。其主要參數(shù)為：船長(zhǎng)65.98 m，船寬15.8 m，最大載貨3 530 t，最多可以搭載160個(gè)重柜集裝箱。該船最大特點(diǎn)就是采用LNG和柴油雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)，并將動(dòng)力系統(tǒng)的各模塊集成為一個(gè)有機(jī)的動(dòng)力包。

本文以“粵珠328”船的LNG動(dòng)力系統(tǒng)為例，分析LNG船舶動(dòng)力集成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，并對(duì)LNG儲(chǔ)氣罐的加裝、LNG發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的改造、LNG報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)船舶動(dòng)力集成的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為內(nèi)河LNG船舶動(dòng)力系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)模式提供有效的技術(shù)方案。

1 LNG船舶動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

LNG船舶動(dòng)力系統(tǒng)是LNG動(dòng)力船舶的核心部分，是以LNG作為主要?jiǎng)恿θ剂稀⑼ㄟ^發(fā)動(dòng)機(jī)為船舶提供動(dòng)力的集成系統(tǒng)。與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力系統(tǒng)相比，它以柴油-燃?xì)怆p燃料替代單一的柴油燃料，以雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，即在原有柴油機(jī)主體結(jié)構(gòu)和燃燒方式不變的前提下，增加1套LNG供氣系統(tǒng)和柴油-燃?xì)怆p燃料電控噴射系統(tǒng)，通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)單純柴油燃料狀態(tài)下和油氣雙燃料狀態(tài)下2種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。同時(shí)為防止LNG泄露帶來(lái)的危險(xiǎn)，增加1套LNG報(bào)警控制系統(tǒng)。所以，LNG船舶動(dòng)力系統(tǒng)主要由3大系統(tǒng)組成，即LNG儲(chǔ)供氣系統(tǒng)、柴油-燃?xì)怆p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、LNG報(bào)警控制系統(tǒng)。

根據(jù)“粵珠328”船的船體設(shè)計(jì)布局，LNG罐及氣化設(shè)備布置在船尾部甲板上，燃?xì)鈾C(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)氣體閥組單元(GVU)安裝在船艙內(nèi)，控制柜布置在駕駛操作室內(nèi)。燃?xì)鈾C(jī)與LNG罐通過燃?xì)夤苈愤M(jìn)行連接，燃?xì)鈾C(jī)尾氣通過排煙管路排出船外。動(dòng)力集成設(shè)備的布局和安裝示意見圖1。

液態(tài)天然氣LNG從儲(chǔ)氣罐出來(lái)后經(jīng)過氣化器汽化，液態(tài)天然氣LNG轉(zhuǎn)化為氣態(tài)天然氣CNG。汽化后的天然氣在進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)前，通過GVU進(jìn)行過濾和壓力調(diào)整，噴入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒做功，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸通過變速箱后帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，為船舶提供動(dòng)力[3]。同時(shí)LNG報(bào)警控制系統(tǒng)對(duì)LNG儲(chǔ)罐、氣化器、閥門、機(jī)艙等進(jìn)行監(jiān)控，以確保LNG環(huán)境下的使用安全。LNG報(bào)警監(jiān)控信息和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)匯總到控制室，由控制柜對(duì)LNG控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖1 動(dòng)力集成設(shè)備的布局和安裝示意圖

2 LNG儲(chǔ)供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

LNG儲(chǔ)供氣系統(tǒng)由LNG儲(chǔ)氣罐及氣化裝置、緩沖罐、接頭、閥件等組成。LNG儲(chǔ)氣罐的有效容積為15 m3，最大工作壓力為1.0 MPa，安放在船舶甲板上，用于貯存液化天然氣。

液態(tài)天然氣LNG從儲(chǔ)氣罐出來(lái)，經(jīng)過氣化器汽化，LNG在汽化過程中由于體積膨脹，需要吸收大量的熱量，為防止氣化器結(jié)冰，需設(shè)法將發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套水引出到氣化器。為保證燃?xì)夤┙o量及壓力的穩(wěn)定性，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在急加速過程中出現(xiàn)燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的現(xiàn)象，還需增加1個(gè)緩沖罐。同時(shí)為防止LNG罐的接頭、閥件等發(fā)生泄漏，需要將其圍蔽在由耐低溫材料制成的處所內(nèi)，即氣罐連接處所(俗稱“冷箱”)。LNG儲(chǔ)氣流程見圖2。

圖2 LNG儲(chǔ)氣流程圖

3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的新增改造

發(fā)動(dòng)機(jī)采用YC6C600型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)，隨時(shí)在純柴油和柴油-天然氣混燃2種模式下切換。在混燃模式下，LNG可部分替代柴油燃料，在75%額定功率下LNG綜合替代率可達(dá)到70%以上，從而達(dá)到節(jié)省燃油和降低排放的目的。相對(duì)于純柴油機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要增加了1套燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，具體分為機(jī)外的氣體閥組單元GVU、機(jī)內(nèi)燃?xì)夤┙o單元和混燃噴射ECU系統(tǒng)[4]。

3.1 機(jī)外氣體閥組單元GVU

汽化后的天然氣在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)前，還需要進(jìn)一步過濾和調(diào)壓，這就需要GVU。GVU包含的零部件有調(diào)壓器、燃?xì)膺^濾器、氣動(dòng)閥、壓力表等，集成在屏蔽箱內(nèi)，對(duì)天然氣進(jìn)行調(diào)壓調(diào)整、燃?xì)膺^濾和啟?？刂?。GVU整體對(duì)內(nèi)部所有零部件形成圍蔽，其燃?xì)膺M(jìn)出口都設(shè)有通風(fēng)法蘭，通風(fēng)法蘭通過管道與抽風(fēng)機(jī)相連，采用雙層抽風(fēng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)箱體內(nèi)某一連接處發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，可以將燃?xì)馔ㄟ^雙層管抽走，防止燃?xì)庑孤┑綑C(jī)艙內(nèi)部，引發(fā)潛在的危險(xiǎn)。GVU結(jié)構(gòu)原理見圖3。

圖3 閥組單元GVU原理圖

3.2 機(jī)內(nèi)燃?xì)夤┙o單元

相對(duì)于純柴油機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)增加1套燃?xì)夤┙o單元，安裝在屏蔽箱內(nèi)，置于發(fā)動(dòng)機(jī)頂部。其燃?xì)庀到y(tǒng)供給采用多點(diǎn)噴射方案，燃?xì)夤苈吠ㄟ^燃?xì)夤曹壒芊譃?支，由6個(gè)燃?xì)怆妵娍刂崎y控制燃?xì)獾膰娚?。燃?xì)夤曹壒懿捎脝螌庸埽c燃?xì)忾y一同安裝在屏蔽箱(GVU-2)內(nèi)部，等同于雙壁管作用，每一缸的燃?xì)庵Ч苤苯油ㄏ虬l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總管，直接噴入缸蓋，燃?xì)庵Ч懿捎秒p壁管。燃?xì)夤┙o單元安裝位置見圖4。

圖4 燃?xì)夤┙o單元位置

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的混燃噴射ECU系統(tǒng)

燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的作用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化，使燃?xì)馀c空氣以一定的比例混合后送入燃燒室中。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)供氣系統(tǒng)的控制，可集成在一個(gè)電子控制單元(ECU)上，由ECU控制供氣系統(tǒng)的混燃噴射。YC6C雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU系統(tǒng)采用HEINZMANN控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停機(jī)、雙燃料模式切換、燃?xì)庀到y(tǒng)控制功能、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等5大功能。ECU系統(tǒng)原理見圖5。

圖5 ECU系統(tǒng)原理圖

4 LNG船舶報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

因LNG燃?xì)獾奶攸c(diǎn)，LNG船舶的危險(xiǎn)主要集中在氣罐的充裝及儲(chǔ)存處、燃?xì)夤苈烽y口處、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣等處，故LNG船舶的監(jiān)控系統(tǒng)可細(xì)分為L(zhǎng)NG天然氣報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電噴ECU控制系統(tǒng)，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)LNG報(bào)警監(jiān)控信息和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行匯總并控制[5]。

LNG天然氣報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)主要承擔(dān)的任務(wù)是對(duì)LNG儲(chǔ)罐、氣化器、遙控閥門等監(jiān)控和管理，完成充裝、儲(chǔ)存、供氣、待機(jī)等各種工藝過程的采集、控制、顯示、報(bào)警等監(jiān)控功能，同時(shí)對(duì)本船的LNG使用環(huán)境安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過可燃?xì)怏w泄漏控制器、火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警控制器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患啟動(dòng)報(bào)警并關(guān)閉緊急切斷閥，切斷氣體燃料，確保使用安全。LNG船舶監(jiān)控系統(tǒng)示意圖見圖6。

5 結(jié)論

根據(jù)“粵珠328”LNG雙燃料動(dòng)力船的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，LNG船舶動(dòng)力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

(1)為保證燃?xì)夤┙o量及壓力的穩(wěn)定性，防止LNG罐的接頭、閥件等發(fā)生泄漏，建議LNG儲(chǔ)供氣系統(tǒng)增加一“冷箱”。

(2)原純柴油機(jī)需改造為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，即增加1套燃?xì)夤┙o系統(tǒng)和混燃噴射ECU系統(tǒng)。

(3)為確保LNG使用安全，船舶須安裝可燃?xì)怏w泄漏探測(cè)器、火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警控制器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患予以報(bào)警并自動(dòng)切斷LNG閥門。

圖6 LNG船舶監(jiān)控系統(tǒng)圖