柴油-LNG双燃料动力船舶气体燃料系统设计.pdf

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第30卷第5期2013年10月江苏船舶JIANGSUSHIPV01．30No．50ct．2013柴油．LNG双燃料动力船舶气体燃料系统设计李岳洋1”，管义锋2(1．江苏现代造船技术有限公司，江苏镇江212003；2．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)摘要：基于中国船级社和挪威船级社关于气体燃料船舶规范指南和规范的要求，对柴油一LNG双燃料动力新建船舶的气体燃料系统进行分析研究，把储罐、汽化器、管路及阀件附件、探测报警等设备合理配置，布局优化应用到气体燃料系统中。通过研究分析一种安全高、易控制、低成本的气体燃料系统，希望可以为此类系统的设计和使用提供参考。关键词：天然气；动力船舶；气体燃料系统中图分类号：U674．13+3文献标识码：A0引言现有内河船舶柴油机燃用柴油，燃料消耗高，废油、废水、废气排放量大，既增加运输成本，又污染环境。为了使柴油机能够燃用液化天然气(LNG)清洁燃料，开发设计了柴油一LNG双燃料动力船舶。气体燃料系统作为柴油一LNG双燃料动力船舶的重要组成部分，它主要包括储罐及汽化器系统(气体燃料储存系统)、气体燃料供应系统、柴油一LNG双燃料发动机管理系统以及控制、监测和安全系统构成。本文结合某2000t级新建造柴油一LNG双燃料动力船舶实例说明气体燃料系统。1储气罐及汽化器系统储气罐及汽化器系统工作流程主要是将储罐内一163oC的液化天然气(LNG)经过水浴式汽化器气化为的气态天然气(NG)进入机舱气体燃料供气管路中，供主机使用。储气罐及汽化器系统主要部件由LNG船用低温储气罐、水浴汽化器和管路阀件系统组成。．气体燃料储存系统如图1所示；图1气体燃料储存系统本船选用的c型LNG船用低温储气罐为双层作温度为一196℃，设计压力为1．1MPa，满足续航高真空多层缠绕保温绝热材料结构，容积为5m3，力600km设计要求。储气罐内增设压力、液位、温内、外容器均用低碳奥氏不锈钢制成，允许的最低工度传感器，同时将传感器数据传递到驾驶室安保控收稿日期：2013—05—27作者简介：李岳洋(1986一)，男，工程师，主要从事船舶动力装置及绿色动力船型开发；管义锋(1966一)，男，教授，硕士生导师，主要从事船舶总体设计及绿色动力船型开发。制柜。储气罐气体燃料供应管上设置1个气罐主阀和1个手动截止阀，且靠近储气罐液相出液根部阀布置。储气罐上的气罐主阀及其他紧急切断阀均采用气动控制。汽化器选用水浴式，进水温度不低于 18江苏船舶第30卷35℃，容量为150Nm3／h，满足2台255kW推进主机每小时用气量需求。其出口处增设温度表。储气罐及汽化器均布置在艉部甲板开敞处所。储气罐所有接头和阀件布置在气罐连接处内，水浴汽化器也布置在气罐连接处内。储气罐增加气罐连接处所的外形位置距离船舷1200mm，满足《天然气燃料动力船舶规范》(2013)要求。储气罐处所管路按照规范的要求，安装安全阀。储气罐管路压力高于1．0MPa的时候，安全阀自动打开，通过放散管集中泄压。储气罐管路压力低于1．0MPa时，安全阀自动关闭。为了确保安全和可靠性，该安全阀并联安装2个。2气体燃料供应系统本船机舱布置采用本质安全型机器处所，气体燃料管路均采用全熔透对接焊头，气体燃料管路及管路阀件均布置在气密通风导管内，在机舱内增设气体阀件单元，其中气体阀件单元为气密通风导管一部分。气体燃料管路的设计压力为1．10MPa，上船安装后密性试验压力为1．65MPa无泄漏。气体燃料供气管路采用增压后总管进气方式，进人主机增压器之前工作压力为0．6～0．8MPa，主机增压器之后为0．4～0．5MPa。气体燃料供应系统流程如下：从汽化器气体出El后设置手动截止阀、主气体燃料阀、滤清器、自动截止阀(故障关闭型)、压力传感器、手动截止阀、天然气喷射阀、阻火器、排空电磁阀(故障开启型)、不锈钢金属软管双层、进气三通接主机气体进口。气体燃料供应系统如图2所示。图2气体燃料供应系统气体燃料供应系统管路采用美标304不锈钢为故障关闭型，而透气阀应为故障开启型。管。通往每台气体燃料主机配置l组自动截止阀气体燃料管路和导管内壁之间的气室应安装机(互锁气体阀)，应将3只阀中的2只串接在通向发械式抽风通风机，其流量为9000m3／h，每小时换气动机的气体燃料管路上，第3只安装在处于2只串30次。通风导管内装有可燃气体探测器2只。通接阀之间的气体燃料透气管上，该透气管应通向露风导管进风口位于主甲板两舷气体安全区域内，并天的安全位置。当发生故障时，能自动关闭2只串注意避开主机曲轴箱透气管3m以上。接阀并自动打开透气阀。2只串接阀中的1只阀和透气阀的功能可以组合在同一个阀体中，当发生表故障时，应能自动切断气体燃料供应，并自动进行透气，泄放机舱内天然气管线中的天然气，防止天然气在机舱处所继续泄漏。串接的2只气体燃料阀应3柴油一LNG双燃料发动机管理系统6170型柴油机通过加装柴油一LNG双燃料发动机管理系统后，通过接收传感器信号，电子控制单元(ECU)将严格限制柴油的供应量并协调同步控 第5期李岳洋等：柴油一LNG双燃料动力船舶气体燃料系统设计19制喷射到进气道的天然气喷射量。该系统采用由ECU控制的带位移回馈的控油器死循环控制来调整发动机油泵，根据转速和负荷的变化，增加或减少燃油的喷射量，达到控制柴油机原有的燃油泵的输出限制柴油目的。天然气通过喷射阀精确计量后喷射到发动机进气道内。天然气喷射量由ECU电控单元根据传感器接收到的信号通过控制喷射阀的有效开度来决定，以获得所需的转速和功率。为了提高天然气喷射量的控制精度，该系统采用了多个阀依次参与工作的方式，从而细化了阀的工作区间和对天然气量的控制精度。由于该系统的柴油量控制是通过控油器控制柴油油泵来实现的，当返回到全柴油模式时，天然气气源切断，控油器恢复到初始状态，所以在纯柴油工作模式时，安装该系统的发动机工作模式与原机完全相同，不会影响发动机的供油，供油量与未安装该系统前完全一致。电控系统设置故障自诊断和安全保护功能。当出现电源、重要传感器、重要执行器等故障时，电控系统可自行判断，启动安全保护功能，自动将发动机转换到纯柴油工况运行。电控系统设置了2套转速测量、油门位置测量装置，2套传感器的类型与功能完全相同。当其中之一出现故障时，另一套转速传感器或油门位置传感器能继续保证电控系统工作，并且电控系统自动将发动机转换到纯柴油工况运行。电控系统设置了2套独立电源经2条独立线路供电，并在电控单元内设置了2路电源的检测电路。当其中之一出现故障时，另一套电源能继续保证电控系统工作，并且电控系统自动将发动机转换到纯柴油工况运行。4控制、监测和安全系统4．1储气罐及汽化器监控储气罐及汽化器监控系统主要对储气罐压力、温度、液位进行远程监控，对汽化器气体燃料出口处设温度传感器进行远程监控，同时在驾驶室或控制室安保控制柜显示，并发出听觉、视觉报警。4．2气体探测储气罐中气罐连接处增设2只固定式可燃气体探测器。当探测到该处所的可燃气体浓度达到40％LEL(爆炸下限)时，应有听觉和视觉报警以及自动关闭阀件措施。机舱内设置6只固定式可燃气体探测器(气罐连接处所2只，每台主机上方各1只，通风导管内各2只)，组成2套相互独立的探测系统，同时增加2只感温探测器、2只感烟探测器。1个探测器探测到气罐连接处所及通风导管内气体浓度高于20％LEL，或者主机上方探测器探测到气体浓度高于20％LEL，触发机舱和驾驶室声光报警器。2个探测器探测到气罐连接处所、通风导管内气体浓度高于40％LEL，主气体燃料阀和互锁气体阀自动关闭，管路透气阀开启，气罐主阀自动关闭，主机自动转换为全部燃油供应。另配置1台便携式燃气探测器供船员对舱室可燃气体的检查，满足设计要求。机舱2台风机和主机气体燃料管路上的主气体燃料阀进行连锁控制。若机器处所内双壁管(通风导管)内外管之间、气罐连接处所的通风失效，主气体燃料阀和互锁气体阀则自动关闭，管路透气阀开启。5结语(1)采用外挂式安装，对原柴油机几乎不做改动，动力性、操作性等技术指标与原机相同。(2)液化天然气对柴油的综合替代率在60％以上，全负荷时可达80％以上，具有良好的经济效益。(3)可在纯柴油和柴油一LNC双燃料2种状态随时切换，方便了用户对燃料的选择。(4)尾气排放更清洁，具有显著的减排效果。(5)系统设计简单，成本低，易于操作。(6)系统符合中国船级社对双燃料发动机安全性的设计要求。参考文献：[1]中国船级社．内河散装运输液化气体船舶构造与设备规范[M]．北京：人民交通出版社，2008．[2]中国船级社．天然气燃料动力船舶规范[M]．北京：人民交通出版社，2013．[3]GB／T20368—2006，液化天然气生产，储存和装运[s]．[4]GB18442—2001，低温绝热压力容器[s]．[5]GB／T19204—2003，液化天然气的一般特性[s]．[6]GB／T20734—2006，液化天然气汽车专用装置安装要求[s]．[7]GB／T6994，船舶电气设备一般规定『S]．