劉波濤，李岳洋

(江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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中小型LNG動(dòng)力船安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉波濤，李岳洋

(江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于無線接入技術(shù)，開展了中小型LNG新能源動(dòng)力船安保監(jiān)測及控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于柴油-LNG雙燃料動(dòng)力船，可以實(shí)現(xiàn)對所涉及到的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，并通過可編程邏輯控制器PLC、GPRS無線通訊模塊進(jìn)行集中處理，輸出并控制各個(gè)氣體燃料閥組，確保各個(gè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，同時(shí)還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程系統(tǒng)維修，較好地發(fā)揮出船舶運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

液化天然氣船；安保系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；自動(dòng)控制

0　引言

為保證使用LNG作為動(dòng)力燃料的船舶安全可靠地航行，需要安裝機(jī)艙安保檢測及控制系統(tǒng)。安保檢測及控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控為船上所有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行做保障的外圍機(jī)電參數(shù)，當(dāng)被檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)超過設(shè)限值時(shí)，在船上指定部位發(fā)出聲光報(bào)警。其中，當(dāng)部分傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)一步偏離預(yù)定參數(shù)時(shí)啟動(dòng)二級(jí)保護(hù)，發(fā)出聲光報(bào)警的同時(shí)輸出動(dòng)作指令，直接切斷相應(yīng)的供氣閥組，防止危險(xiǎn)的進(jìn)一步升級(jí)。同時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為柴油模式繼續(xù)航行。

當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障且船員無法解決時(shí)，以往都需要通過設(shè)備廠商來現(xiàn)場解決，使得船舶必須以柴油模式航行至相應(yīng)碼頭等待維修。而如果能在機(jī)艙安保監(jiān)測及控制系統(tǒng)中融入無線接入技術(shù)，可以遠(yuǎn)程訪問控制系統(tǒng)，則在一定程度上節(jié)省了系統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間，提高了船舶的營運(yùn)效率。

1　總體設(shè)計(jì)

設(shè)置機(jī)艙安保檢測及控制裝置，是用來減少船舶航行過程中因整個(gè)LNG系統(tǒng)外圍環(huán)境的問題影響船舶正常航行的情況，從而提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的連續(xù)性，提高該類船舶自動(dòng)化程度。同時(shí)當(dāng)船舶航行過程中安保系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可通過無線控制模塊對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，無線上傳或者下載程序，避免因現(xiàn)場維修所帶來的時(shí)間及費(fèi)用問題。

安保監(jiān)測及控制系統(tǒng)包括供電模塊、輸入部分、輸出部分。供電模塊采用主電源及應(yīng)急電源雙路供電，提高了可靠性。輸入部分為來自氣罐上的溫度、壓力、液位等監(jiān)測點(diǎn)，來自汽化器上的溫度及壓力監(jiān)測點(diǎn)，來自風(fēng)機(jī)及熱水循環(huán)泵的開關(guān)量信號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，來自可熱氣體探測器及感溫/感煙探頭的電流信號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，其模擬量輸入點(diǎn)均設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，可方便PLC信號(hào)的統(tǒng)一處理。輸出部分主要為閥組控制箱、聲光報(bào)警器、顯示屏、急停按鈕、GPRS無線通訊模塊。該系統(tǒng)是基于故障安全性設(shè)計(jì)，具有自動(dòng)控制、故障信息診斷、顯示及自保功能。

2　功能設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成

LNG動(dòng)力船一般基于本質(zhì)安全型機(jī)艙設(shè)計(jì)，氣罐布置在主甲板艉部。該船系統(tǒng)設(shè)備布置圖如圖1所示。

(1)氣罐冷箱上設(shè)置2臺(tái)冷箱防爆風(fēng)機(jī)，冷箱內(nèi)設(shè)置2只可燃?xì)怏w探測器。

(2)機(jī)艙主機(jī)上方及發(fā)電機(jī)組上方各設(shè)置1只可燃?xì)怏w探測器。主機(jī)GVU閥箱內(nèi)及發(fā)電機(jī)組GVU閥箱內(nèi)各設(shè)置1只可燃?xì)怏w探測器。

(3)在機(jī)艙供氣通風(fēng)導(dǎo)管總管內(nèi)設(shè)置1只可燃?xì)怏w探測器，且在通風(fēng)導(dǎo)管出口處設(shè)置2臺(tái)防爆抽風(fēng)機(jī)，以便排除可燃?xì)怏w。

(4)同時(shí)在機(jī)艙增設(shè)1只可燃?xì)怏w探測器，與其余2只配合作業(yè)，覆蓋整個(gè)機(jī)艙，且機(jī)艙設(shè)置火災(zāi)報(bào)警探測器2只，分別為感溫探測器及感煙探測器。

(5)安保監(jiān)測控制柜設(shè)置在為安全區(qū)域的機(jī)艙前壁，氣罐加注區(qū)設(shè)置加注急停按鈕、防爆型聲光報(bào)警器，以便于船舶LNG加注作業(yè)。

圖1　LNG系統(tǒng)設(shè)備布置圖

2.2安保監(jiān)測及控制系統(tǒng)的組成

安保監(jiān)測及控制系統(tǒng)包括主控制箱(內(nèi)部有PLC控制器及電源模塊包括主控屏)、駕駛室分顯控制屏、火災(zāi)感溫/感煙探頭、LNG氣罐及冷箱監(jiān)測區(qū)域、通風(fēng)導(dǎo)管可燃?xì)怏w檢測、機(jī)艙熱水循環(huán)泵及控制空氣監(jiān)測、雙燃料主機(jī)及雙燃料輔機(jī)區(qū)域監(jiān)測、氣動(dòng)電磁閥控制箱、智能GPRS無線控制模塊(控制器需插入手機(jī)SIM卡)。監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2.3安保系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)船舶處于雙燃料為動(dòng)力正常航行時(shí)，此時(shí)雙燃料主機(jī)及輔機(jī)均運(yùn)行在雙燃料狀態(tài)，且通風(fēng)導(dǎo)管風(fēng)機(jī)、冷箱風(fēng)機(jī)、可燃?xì)怏w探測器、火災(zāi)探測器、空壓機(jī)、熱水循環(huán)泵、氣罐、汽化器等均為正常運(yùn)行且無報(bào)警狀態(tài)。若可燃?xì)怏w探測器探測到冷箱內(nèi)可燃?xì)怏w濃度高于30%LEL(設(shè)定值)時(shí)，觸發(fā)主控箱、駕駛室分顯控制屏、氣罐處聲光報(bào)警器，此時(shí)如無值班人員復(fù)位，則該系統(tǒng)將在延時(shí)2 min之后，延伸至全船通用報(bào)警系統(tǒng)，便于提醒全船人員。當(dāng)冷箱內(nèi)濃度繼續(xù)上升至40%LEL(設(shè)定值)時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警裝置的同時(shí)，觸發(fā)二級(jí)安保系統(tǒng)，輸出DC24 V電源給予氣動(dòng)控制電磁閥箱，根據(jù)預(yù)先編制好的程序及相應(yīng)的邏輯關(guān)系，切斷相應(yīng)的氣罐閥組，同時(shí)雙燃料主機(jī)及輔機(jī)自動(dòng)從雙燃料模式轉(zhuǎn)換為柴油模式。此時(shí)船舶以柴油模式作為常規(guī)動(dòng)力繼續(xù)航行，當(dāng)故障排除且自檢無誤后，方可重新運(yùn)行雙燃料模式。同時(shí)，通過控制箱內(nèi)的GPRS無線控制模塊(通訊協(xié)議與PLC相匹配)，可以實(shí)現(xiàn)在任意位置的手機(jī)或者電腦(需安裝組態(tài)軟件)可訪問本系統(tǒng)，直接監(jiān)控PLC變量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)控制PLC。當(dāng)控制系統(tǒng)自身有故障時(shí)，船舶無需停靠碼頭等待設(shè)備廠商技術(shù)人員維修，直接可以通過電腦連接互聯(lián)網(wǎng)，就可以隨時(shí)隨地訪問航行中船舶的PLC修改程序，監(jiān)控程序維護(hù)設(shè)備，輕松實(shí)現(xiàn)云監(jiān)控。

當(dāng)船舶處于充裝作業(yè)且當(dāng)傳感器監(jiān)測到氣罐內(nèi)液位高于設(shè)定值或氣罐內(nèi)壓力高于設(shè)定值時(shí)，此時(shí)將觸發(fā)聲光報(bào)警，同時(shí)可以自動(dòng)切斷充裝總管上的自動(dòng)截止閥，防止?jié)撛谖ｋU(xiǎn)的發(fā)生。另外，在充裝區(qū)域設(shè)置了緊急停止按鈕以防止閥門控制箱自動(dòng)控制失效，通過手動(dòng)急停按鈕，可切斷氣體燃料充裝系統(tǒng)及氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)中的所有氣動(dòng)電磁閥組，同時(shí)自動(dòng)打開透氣閥。

安保檢測及控制系統(tǒng)包含了中小型船舶上所有LNG外圍系統(tǒng)，一站式解決LNG運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測及控制，省去以往單獨(dú)可燃?xì)怏w探測器探測控制箱、火災(zāi)報(bào)警控制箱，提高了雙燃料動(dòng)力船的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。機(jī)艙安保控制系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3　機(jī)艙安?？刂葡到y(tǒng)原理圖

3　系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1維護(hù)便利性強(qiáng)

當(dāng)安保監(jiān)測及控制系統(tǒng)程序有故障時(shí)，船舶無需?？看a頭等待設(shè)備廠商技術(shù)人員上船維修。維護(hù)人員直接可以通過手機(jī)、IPAD或者電腦訪問Web網(wǎng)頁，隨時(shí)隨地訪問航行中船舶的PLC，通過互聯(lián)網(wǎng)可以控制PLC。

3.2營運(yùn)成本低

眾所周知，雙燃料船只有在燃燒LNG時(shí)方可實(shí)現(xiàn)其較低的運(yùn)營成本，而機(jī)艙安?？刂葡到y(tǒng)是LNG動(dòng)力船控制的核心部件。使用安?？刂葡到y(tǒng)則可以進(jìn)一步減少因相關(guān)設(shè)備故障而靠泊碼頭環(huán)節(jié)以及廠家上船維修的環(huán)節(jié)，大大提高了船舶以LNG燃料航行時(shí)的工況時(shí)間，節(jié)省了船舶運(yùn)營成本。

3.3運(yùn)行可靠性高

系統(tǒng)方案采用GPRS、短信2種通訊相結(jié)合的方式，解決了傳統(tǒng)模塊不穩(wěn)定的問題，并通過非透明傳輸?shù)姆绞竭\(yùn)行，實(shí)現(xiàn)多包并發(fā)采集，智能數(shù)據(jù)壓縮等先進(jìn)算法，極大提高了系統(tǒng)的相應(yīng)速度，降低50%以上的流量費(fèi)用。另外，用戶無需搭建中心服務(wù)器，無需固定IP地址，通過遠(yuǎn)程下載及修改程序就能監(jiān)控程序維護(hù)設(shè)備，輕松實(shí)現(xiàn)云監(jiān)控。

4　結(jié)語

近年來在船舶動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)方面，考慮到船舶排放等污染問題，LNG動(dòng)力將逐步取代燃油動(dòng)力船舶?，F(xiàn)如今，大型LNG動(dòng)力船海上與岸上的通訊一般需通過INMARSAT海事衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)，安?？刂葡到y(tǒng)如使用無線技術(shù)，費(fèi)用昂貴且難以大規(guī)模推廣。而中小型LNG動(dòng)力船大多航行于內(nèi)河及沿海航區(qū)，船舶所航行的路線也基本被路基移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所覆蓋。船上與岸上也基本可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)通訊，資費(fèi)低廉，便于此類安保系統(tǒng)裝置的推廣及應(yīng)用。

LNG動(dòng)力船機(jī)艙安保監(jiān)測及控制系統(tǒng)對提高船舶的航行效率及設(shè)備的運(yùn)行效率起到了促進(jìn)作用，同時(shí)也希望對船舶上其他系統(tǒng)有所幫助，共同促進(jìn)國內(nèi)船用設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步。

[1]李岳洋,管義鋒．柴油-LNG雙燃料動(dòng)力船舶氣體燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．江蘇船舶，2013，30(5):17-19.

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[4]中國船級(jí)社.天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2013.

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2016-02-22

劉波濤(1986—)，男，工程師，從事船舶電氣設(shè)計(jì)；李岳洋(1986—)，男，工程師，從事新能源船型開發(fā)設(shè)計(jì)及船舶動(dòng)力裝置。

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