周祎隆,傅曉紅,夏駿

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

一般傳統(tǒng)燃油動力船舶主機采用重油或者柴油作為推進燃料，近年來，可以降低船舶運營成本、提高船舶排放指標的天然氣清潔能源成為船東的選擇[1]。燃油和天然氣2類燃料具有不同特性，兼用2種類型燃料的船舶從規(guī)范要求和控制原理都比較復雜，給船舶設(shè)計帶來了諸多技術(shù)難題。

2015年6月國際海事組織海上安全委員會通過了《使用氣體或低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》(IGFCode)于2017年1月1日生效，規(guī)則適用于使用天然氣燃料及總噸位大于500的新貨船及客船[2]。23 000 TEU是目前全球首款采用雙燃料推進的超大型集裝箱船，該船的詳細設(shè)計在規(guī)范生效不久后逐步展開。關(guān)于雙燃料超大型集裝箱船設(shè)計和建造，國內(nèi)沒有相關(guān)案例可供參考，電氣設(shè)計難點在于，不僅需要考慮所涉及燃料特性和設(shè)備控制原理，還需要滿足將船舶及其船員和環(huán)境的風險降到最低的原則。為此，在遵循IGFCode的前提下，提出符合船東要求的設(shè)計方案，并針對設(shè)計中最為關(guān)鍵的4個方面進行分析。

1 電站功率管理系統(tǒng)設(shè)計

雙燃料發(fā)電機組可以在天然氣燃料和燃油燃料2種工作模式下運行，在燃氣和燃油模式下由于2類燃料的熱值、空燃比等不同，所以在相應模式下對于負荷的加載能力是不一樣的[3]。對于雙燃料船舶的電站功率管理系統(tǒng)(power management system,PMS)必須依據(jù)燃氣模式的工作原理設(shè)計出合理的控制邏輯，才能使得發(fā)電機機組不會經(jīng)常性轉(zhuǎn)換至燃油模式，并且保證輸出功率不會造成較大波動。

1.1 燃氣模式下的自動電站功能

電站配置為6臺AC 6.6 kV、60 Hz、3 PH的Wartsila 34DF發(fā)電機組，其中2臺發(fā)電機組額定輸出功率為4 150 kW，另外4臺發(fā)電機組額定輸出功率為3 690 kW。發(fā)電機在燃油模式下啟動，運行至合適條件后轉(zhuǎn)為燃氣模式。在燃氣模式正常運行過程中只有當發(fā)生某些特殊情況，發(fā)電機綜合控制系統(tǒng)接收到燃氣脫扣信號后才會發(fā)出命令使發(fā)電機轉(zhuǎn)換為燃油模式。

在對發(fā)電機組的使用指南研究后，對于燃氣模式自動轉(zhuǎn)換程序，本船在功率管理系統(tǒng)中進行了如下設(shè)置。

1)當發(fā)電機在燃氣模式下運行時，發(fā)電機應保證在10%最大功率以上持續(xù)運行。

2)在燃料轉(zhuǎn)換命令被1臺發(fā)電機接受之前，必須確保在轉(zhuǎn)換期間其他發(fā)電機提供的功率足夠使用。這是因為這臺發(fā)電機可能需要卸載以使得功率降到最高轉(zhuǎn)換功率之下。瓦錫蘭建議的轉(zhuǎn)換范圍是發(fā)電機額定功率的0%～80%之間。

3)在燃料轉(zhuǎn)換過程中，重載設(shè)備發(fā)出啟動請求信號給自動電站，此時電站不能發(fā)出允許啟動信號。

1.2 燃氣模式下的重載問詢功能

本船配有2臺3 000 kW的艏側(cè)推在進出港口時使用，由于艏側(cè)推電機功率較大，已接近單臺發(fā)電機的額定功率。如果直接投入船舶電網(wǎng)運行，必然對船舶電力系統(tǒng)造成沖擊，引起電網(wǎng)電壓波動、頻率下降，嚴重時甚至導致電網(wǎng)癱瘓。所以當船舶電網(wǎng)中有較大負載投入使用時，船級社對于電站功率儲備都有明確要求。當該大負載投入使用時，對于電站應首先判斷目前電站機組發(fā)出的總電功率是否能夠供給當前船舶電網(wǎng)上所有的負載(包括即將投入的大負載)并滿足一定的裕量要求。對于工作在燃氣模式中的發(fā)電機初始加載能力和加載速度都低于燃油模式，每級最大負荷階躍需要滿足0→31%，31%→53%，53%→75%，75%→90%，90%→100%的加載要求。2種模式下最大瞬態(tài)負荷階躍加載對比見圖1。

圖1 發(fā)電機燃氣、燃油模式最大瞬態(tài)負荷階躍加載對比

基于以上要求，燃氣模式下的重載問詢功能設(shè)計不僅需要考慮負荷增加的速度不超過燃氣模式下最大瞬態(tài)負荷階躍加載限制，而且艏側(cè)推控制系統(tǒng)應該具有限制螺距變化率的功能。當艏側(cè)推功率接近最大瞬態(tài)負荷階躍加載曲線限制值時，PMS向艏側(cè)推控制系統(tǒng)發(fā)出減少螺距的信號，防止艏側(cè)推電機功率上升過快導致發(fā)電機過載停機的情況發(fā)生[4]。

通過試航驗證，本船在進出港開艏側(cè)推的工況下，發(fā)電機組仍然保持工作在燃氣模式下，重載問詢控制程序設(shè)計符合使用要求。

1.3 燃氣模式下的順序啟動功能

為保證對重要設(shè)備的供電連續(xù)性，當發(fā)電機恢復供電時，船舶主推進系統(tǒng)的相關(guān)泵組會自動啟動工作。但是發(fā)電機運轉(zhuǎn)初期不允許立即同時突加全部負載，特別是帶有增壓器的柴油發(fā)電機組，如果突加負載會導致原動機過載停機。所以當備用發(fā)電機自動投入后，電源恢復接入的負載應該采用順序啟動的方式。

PMS根據(jù)順序啟動負載的重要程度，將關(guān)鍵的順序啟動設(shè)備按照時間分級原則預定次序重新起動。一般情況下，發(fā)電機組的負載突加不能超過允許的最大瞬態(tài)負荷階躍加載值，在圖1已經(jīng)說明。針對燃氣模式突加負荷比燃油模式響應時間更長的特點，不同時間下負載的增加率見圖2，需要設(shè)計比燃油模式時間分級更為精準的順序啟動程序。

圖2 發(fā)動機燃氣、燃油模式額定轉(zhuǎn)速運行下最大負載增加率

本船順序啟動程序設(shè)計為7級，每一級的加載的時間和負荷功率均保持在發(fā)電機最大瞬態(tài)負荷階躍加載曲線限制范圍內(nèi)，并保證每一級加載發(fā)電機瞬時電壓降小于額定電壓15%。具體順序啟動電壓降計算見表1。

表1 順序起動電壓降計算

2 火氣安全系統(tǒng)設(shè)計

作為使用天然氣燃料的貨船，《IGF Code》對于指定區(qū)域的火警探測器配置要求進行了闡述。法國船級社在NR529規(guī)范中[5]，針對這些條款進行了更為詳細的說明。

1)單一感煙火警探測器認為不足以快速探測到火源，易熔塞被視作可接受的快速探測火源的方式。

基于以上規(guī)范要求，本船在燃氣處理間(fuel gas handling room,FGHR)、燃料艙連接間(tank connection space,TCS)，加注站(bunkeringstation)，都配置有本安型的感煙型探測器及易熔塞。

由于LNG船是以低溫狀態(tài)儲存，一旦泄露極易引發(fā)火災甚至爆炸[6]。為保證火警探測系統(tǒng)能夠滿足全船安全的需要，在設(shè)計時還要針對火警系統(tǒng)進行故障模式和影響分析(FMEA)，全面的風險分析和評估可以對所有的風險源加以識別，使得系統(tǒng)在各種極端工況下具有更高的可靠性和安全性。

法國船級社在危險和可操作性分析(Hazardand Operability Analysis,HAZOP)會議中提出，需要在LNG儲存艙外的空艙中以及燃氣處理間、燃料艙連接間的通風管道內(nèi)部增加火警探測器。這些處所的火警探測器的配置雖然高于規(guī)范的要求，但是對于全船火災發(fā)生場所實現(xiàn)了更為全面的探測和監(jiān)控。所以本船根據(jù)船級社的要求及對實際安裝空間進行評估后，在以上區(qū)域增補了本安型的感煙感溫復合型探測器，見圖3。

圖3 火警探測器布置示意

除了火警系統(tǒng)外，根據(jù)危險燃料類別設(shè)置的可燃氣體探測系統(tǒng)也是必不可少的。對于燃氣系統(tǒng)中可能產(chǎn)生氣體泄漏或是氣體容易積聚的處所均應該配置可燃氣體探測裝置[7]?！禝GF code》對于整體可燃氣體探測系統(tǒng)配置有明確的要求，其規(guī)定如下。

1)當氣體蒸氣濃度達到最低可燃性極限的 20%時，聽覺和視覺報警裝置應被觸發(fā)。當2個探測器處的氣體蒸氣濃度達到最低可燃性極限的 40%時，安全系統(tǒng)應被觸發(fā)。

2)對于氣體燃料發(fā)動機機器處所內(nèi)氣體管路周圍的通風管道，最低可燃性報警限值可設(shè)為30%。當2個探測器處的氣體蒸氣濃度達到最低可燃性極限的 60%時，安全系統(tǒng)應被觸發(fā)。

3)氣體探測設(shè)備的聽覺和視覺報警器應位于駕駛室或連續(xù)有人值班的集中控制站。

根據(jù)規(guī)范可知，全船可燃氣體探測器需要分為兩類報警限值設(shè)定。依據(jù)風險分析評估要求，本船選取以下區(qū)域的可燃氣體探測器報警限值設(shè)為30%：6臺發(fā)電機燃氣閥單元，鍋爐燃氣閥單元，主機、發(fā)電機和鍋爐的燃氣雙壁管出風口。其他區(qū)域的可燃氣體探測器報警限值設(shè)為20%。實船部分區(qū)域可燃氣體探測器布置位置見圖4。

圖4 不同區(qū)域氣體探測器布置示意

3 通風系統(tǒng)設(shè)計

對于以天然氣為燃料的船舶，《IGF code》對于通風系統(tǒng)的分區(qū)域設(shè)計更為細化，對通風能力的持續(xù)性要求也更為嚴格。通風系統(tǒng)相比燃油動力船而言，應該考慮天然氣易燃易爆的特性，盡量防止天然氣漏泄或?qū)⒙┬箽怏w及時排除。

3.1 雙壁管風機

本船天然氣燃料艙是布置在上建下方，通過布置在管弄中的雙壁管管路將燃氣輸送至主機、發(fā)電機和鍋爐消耗。雙壁管風機其作用是對雙壁管內(nèi)外壁間環(huán)形間隙層進行機械抽風產(chǎn)生負壓，把泄露氣體排放到安全區(qū)域。當雙壁管內(nèi)無法維持正常通風量時，應將主供氣閥關(guān)閉停止燃氣供應，發(fā)動機從燃氣模式轉(zhuǎn)為燃油模式[8]。

考慮到雙壁管通風的重要性，在燃氣模式下，雙壁管的通風是不允許停止的?！禝GF Code》中對于雙壁管風機的供電系統(tǒng)要求由主配電板或應急配電板的共同線路進行供電，其中1組風機停止運轉(zhuǎn)時，通風能力的降低不會超過總通風能力50%。本船配置18臺雙壁管風機，為保證燃氣工況時雙壁管內(nèi)的通風連續(xù)性，風機分為兩組分別由兩個獨立的組合起動屏供電，每個組合起動屏由主電源和應急電源雙路供電，兩路電源可以自動切換。雙壁管風機設(shè)計主備切換功能，風機運行指示、故障報警和電源的自動切換信號需要送至監(jiān)測報警系統(tǒng)。具體設(shè)計見圖5所示。

圖5 雙壁管風機供電系統(tǒng)

3.2 燃氣設(shè)備處所風機

本船燃氣處理間、燃料艙連接間，加注站布置在燃料艙上方的上建二甲板區(qū)域，都設(shè)計為ESD防護式機器處所。為確保所有處所內(nèi)的空氣循環(huán)良好，《IGF Code》對這些處所的通風有效性明確了如下要求。

1)對于燃氣處理間，燃氣泵或壓縮機與風機做成連鎖模式，只有在通風系統(tǒng)運行方可起動。由主配電板或應急配電板供電的一臺風機停止運轉(zhuǎn)時，通風能力的降低不會超過50%。

2)對于加注站，當通風失效時，加注操作應該自動停止。

3)當通風能力發(fā)生任何損失時，應在駕駛室或連續(xù)有人值班的集中控制站或船舶安全中心發(fā)出聽覺和視覺報警。

針對第三點要求，法國船級社NR529規(guī)范中做出了更為嚴格的要求，即規(guī)定在以上處所配置壓差或流量監(jiān)測裝置。根據(jù)以上規(guī)范要求，本船將燃氣處理間、燃料艙連接間，加注站同一區(qū)域的兩臺抽風機設(shè)計為由一個獨立組合啟動屏內(nèi)不同的銅排供電，2段銅排的電源分別來自于主配電板不同的母排，在這些區(qū)域風管內(nèi)配置防爆型的流量傳感器。

4 應急切斷系統(tǒng)設(shè)計

為保證燃氣系統(tǒng)在正常及應急情況下能夠安全穩(wěn)定地運行，需要設(shè)計1套安全保護系統(tǒng)對燃氣相關(guān)區(qū)域的液位、溫度、壓力、可燃氣體、通風能力等參數(shù)進行監(jiān)測和控制[9]。安全保護系統(tǒng)應具有監(jiān)控、報警、緊急響應的功能[10]，通過對危險發(fā)生區(qū)域和危險源的分類，設(shè)置不同控制等級的應急切斷措施。

根據(jù)《IGF Code》要求，對本船可能發(fā)生的危險情況進行預測后作為輸入條件，設(shè)計了故障因果矩陣表進行邏輯分析。故障因果矩陣表不僅反映了燃氣機器處所不同區(qū)域危險信號產(chǎn)生時，當自動或手動應急切斷裝置起動后，燃氣系統(tǒng)設(shè)備和燃氣閥組的動作狀態(tài)，還體現(xiàn)了聲光報警器觸發(fā)的相關(guān)處所。本船將應急切斷功能分為3個級別，分別是ESD1,ESD2和ESD2.1,切斷范圍和功能等級依次降低。

法國船級社、船東、燃氣設(shè)備廠家在危險和可操作性分析會議中對應急切斷故障因果矩陣表格審核后，認可了此系統(tǒng)設(shè)計。

5 結(jié)論

為了保證23 000 TEU雙燃料集裝箱船在燃氣模式下電氣系統(tǒng)可靠運行，針對電氣設(shè)計需要重點考慮的4個關(guān)鍵方面，提出了區(qū)別于傳統(tǒng)燃油船舶系統(tǒng)的解決方案。實船氣體試航驗證表明：在燃氣模式下，電站功率管理系統(tǒng)加載大功率負載和順序起動時發(fā)電機系統(tǒng)運行平穩(wěn)；特殊區(qū)域通風能力維持穩(wěn)定沒有觸發(fā)通風能力失效信號；火氣探測器、應急切斷監(jiān)測保護系統(tǒng)對于燃氣系統(tǒng)故障切斷實時有效；整體設(shè)計不僅符合船級社規(guī)范和風險評估要求，還滿足了船東實際使用需要。