雙燃料超大型集裝箱船電氣設(shè)計研究

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摘要:考慮到對雙燃料船系統(tǒng)控制復(fù)雜、設(shè)計規(guī)范要求特殊，根據(jù)船級社規(guī)范關(guān)于使用氣體燃料船舶相關(guān)條款結(jié)合雙燃料超大型集裝箱船23000TEU的實際情況，對電氣專業(yè)在建造過程中需要著重考慮的電站功率管理、火氣探測、通風(fēng)供電、應(yīng)急切斷4個系統(tǒng)提出設(shè)計方案，實船驗證方案可靠、安全。

關(guān)鍵詞:雙燃料集裝箱船;電站功率管理系統(tǒng);火警安全系統(tǒng);通風(fēng)系統(tǒng);應(yīng)急切斷系統(tǒng)

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(jìn)燃料，近年來，可以降低船舶運營成本、提高船舶排放指標(biāo)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(fù)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］。23000TEU是目前全球首款采用雙燃料推進(jìn)的超大型集裝箱船，該船的詳細(xì)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(fēng)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(jìn)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?xì)夂腿加湍Ｊ较掠捎?類燃料的熱值、空燃比等不同，所以在相應(yīng)模式下對于負(fù)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)(powermanage-mentsystem，PMS)必須依據(jù)燃?xì)饽Ｊ降墓ぷ髟碓O(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?xì)饽Ｊ较碌淖詣与娬竟δ?/p>

電站配置為6臺AC6．6kV、60Hz、3PH的Wartsila34DF發(fā)電機組，其中2臺發(fā)電機組額定輸出功率為4150kW，另外4臺發(fā)電機組額定輸出功率為3690kW。發(fā)電機在燃油模式下啟動，運行至合適條件后轉(zhuǎn)為燃?xì)饽Ｊ健Ｔ谌細(xì)饽Ｊ秸＿\行過程中只有當(dāng)發(fā)生某些特殊情況，發(fā)電機綜合控制系統(tǒng)接收到燃?xì)饷摽坌盘柡蟛艜l(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?xì)饽Ｊ阶詣愚D(zhuǎn)換程序，本船在功率管理系統(tǒng)中進(jìn)行了如下設(shè)置。1)當(dāng)發(fā)電機在燃?xì)饽Ｊ较逻\行時，發(fā)電機應(yīng)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?xì)饽Ｊ较碌闹剌d問詢功能

本船配有2臺3000kW的艏側(cè)推在進(jìn)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(yán)重時甚至導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。所以當(dāng)船舶電網(wǎng)中有較大負(fù)載投入使用時，船級社對于電站功率儲備都有明確要求。當(dāng)該大負(fù)載投入使用時，對于電站應(yīng)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(dāng)前船舶電網(wǎng)上所有的負(fù)載(包括即將投入的大負(fù)載)并滿足一定的裕量要求。對于工作在燃?xì)饽Ｊ街械陌l(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(fù)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(fù)荷階躍加載對比見圖1。基于以上要求，燃?xì)饽Ｊ较碌闹剌d問詢功能設(shè)計不僅需要考慮負(fù)荷增加的速度不超過燃?xì)饽Ｊ较伦畲笏矐B(tài)負(fù)荷階躍加載限制，而且艏側(cè)推控制系統(tǒng)應(yīng)該具有限制螺距變化率的功能。當(dāng)艏側(cè)推功率接近最大瞬態(tài)負(fù)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(dǎo)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(jìn)出港開艏側(cè)推的工況下，發(fā)電機組仍然保持工作在燃?xì)饽Ｊ较拢剌d問詢控制程序設(shè)計符合使用要求。1．3燃?xì)饽Ｊ较碌捻樞騿庸δ転楸ＷC對重要設(shè)備的供電連續(xù)性，當(dāng)發(fā)電機恢復(fù)供電時，船舶主推進(jìn)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(fù)載，特別是帶有增壓器的柴油發(fā)電機組，如果突加負(fù)載會導(dǎo)致原動機過載停機。所以當(dāng)備用發(fā)電機自動投入后，電源恢復(fù)接入的負(fù)載應(yīng)該采用順序啟動的方式。PMS根據(jù)順序啟動負(fù)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(yù)定次序重新起動。一般情況下，發(fā)電機組的負(fù)載突加不能超過允許的最大瞬態(tài)負(fù)荷階躍加載值，在圖1已經(jīng)說明。針對燃?xì)饽Ｊ酵患迂?fù)荷比燃油模式響應(yīng)時間更長的特點，不同時間下負(fù)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(zhǔn)的順序啟動程序。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(fù)荷功率均保持在發(fā)電機最大瞬態(tài)負(fù)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。

2火氣安全系統(tǒng)設(shè)計

作為使用天然氣燃料的貨船，《IGFCode》對于指定區(qū)域的火警探測器配置要求進(jìn)行了闡述。法國船級社在NR529規(guī)范中［5］，針對這些條款進(jìn)行了更為詳細(xì)的說明。1)單一感煙火警探測器認(rèn)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?xì)馓幚黹g(fuelgashandlingroom，F(xiàn)GHR)、燃料艙連接間(tankconnectionspace，TCS)，加注站(bunkeringsta-tion)，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(zāi)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(jìn)行故障模式和影響分析(FMEA)，全面的風(fēng)險分析和評估可以對所有的風(fēng)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(Hazard-andOperabilityAnalysis，HAZOP)會議中提出，需要在LNG儲存艙外的空艙中以及燃?xì)馓幚黹g、燃料艙連接間的通風(fēng)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(zāi)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(jìn)行評估后，在以上區(qū)域增補了本安型的感煙感溫復(fù)合型探測器，見圖3。除了火警系統(tǒng)外，根據(jù)危險燃料類別設(shè)置的可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)也是必不可少的。對于燃?xì)庀到y(tǒng)中可能產(chǎn)生氣體泄漏或是氣體容易積聚的處所均應(yīng)該配置可燃?xì)怏w探測裝置［7］。《IGFcode》對于整體可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)配置有明確的要求，其規(guī)定如下。1)當(dāng)氣體蒸氣濃度達(dá)到最低可燃性極限的20%時，聽覺和視覺報警裝置應(yīng)被觸發(fā)。當(dāng)2個探測器處的氣體蒸氣濃度達(dá)到最低可燃性極限的40%時，安全系統(tǒng)應(yīng)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(fēng)管道，最低可燃性報警限值可設(shè)為30%。當(dāng)2個探測器處的氣體蒸氣濃度達(dá)到最低可燃性極限的60%時，安全系統(tǒng)應(yīng)被觸發(fā)。3)氣體探測設(shè)備的聽覺和視覺報警器應(yīng)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?xì)怏w探測器需要分為兩類報警限值設(shè)定。依據(jù)風(fēng)險分析評估要求，本船選取以下區(qū)域的可燃?xì)怏w探測器報警限值設(shè)為30%:6臺發(fā)電機燃?xì)忾y單元，鍋爐燃?xì)忾y單元，主機、發(fā)電機和鍋爐的燃?xì)怆p壁管出風(fēng)口。其他區(qū)域的可燃?xì)怏w探測器報警限值設(shè)為20%。實船部分區(qū)域可燃?xì)怏w探測器布置位置見圖4。

3通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

對于以天然氣為燃料的船舶，《IGFcode》對于通風(fēng)系統(tǒng)的分區(qū)域設(shè)計更為細(xì)化，對通風(fēng)能力的持續(xù)性要求也更為嚴(yán)格。通風(fēng)系統(tǒng)相比燃油動力船而言，應(yīng)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(fēng)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?xì)廨斔椭林鳈C、發(fā)電機和鍋爐消耗。雙壁管風(fēng)機其作用是對雙壁管內(nèi)外壁間環(huán)形間隙層進(jìn)行機械抽風(fēng)產(chǎn)生負(fù)壓，把泄露氣體排放到安全區(qū)域。當(dāng)雙壁管內(nèi)無法維持正常通風(fēng)量時，應(yīng)將主供氣閥關(guān)閉停止燃?xì)夤?yīng)，發(fā)動機從燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)為燃油模式［8］。考慮到雙壁管通風(fēng)的重要性，在燃?xì)饽Ｊ较拢p壁管的通風(fēng)是不允許停止的。《IGFCode》中對于雙壁管風(fēng)機的供電系統(tǒng)要求由主配電板或應(yīng)急配電板的共同線路進(jìn)行供電，其中1組風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)時，通風(fēng)能力的降低不會超過總通風(fēng)能力50%。本船配置18臺雙壁管風(fēng)機，為保證燃?xì)夤r時雙壁管內(nèi)的通風(fēng)連續(xù)性，風(fēng)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(yīng)急電源雙路供電，兩路電源可以自動切換。雙壁管風(fēng)機設(shè)計主備切換功能，風(fēng)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。

3．2燃?xì)庠O(shè)備處所風(fēng)機

本船燃?xì)馓幚黹g、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(hù)式機器處所。為確保所有處所內(nèi)的空氣循環(huán)良好，《IGFCode》對這些處所的通風(fēng)有效性明確了如下要求。1)對于燃?xì)馓幚黹g，燃?xì)獗没驂嚎s機與風(fēng)機做成連鎖模式，只有在通風(fēng)系統(tǒng)運行方可起動。由主配電板或應(yīng)急配電板供電的一臺風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)時，通風(fēng)能力的降低不會超過50%。2)對于加注站，當(dāng)通風(fēng)失效時，加注操作應(yīng)該自動停止。3)當(dāng)通風(fēng)能力發(fā)生任何損失時，應(yīng)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(yán)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?xì)馓幚黹g、燃料艙連接間，加注站同一區(qū)域的兩臺抽風(fēng)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(fēng)管內(nèi)配置防爆型的流量傳感器。

4應(yīng)急切斷系統(tǒng)設(shè)計

為保證燃?xì)庀到y(tǒng)在正常及應(yīng)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(hù)系統(tǒng)對燃?xì)庀嚓P(guān)區(qū)域的液位、溫度、壓力、可燃?xì)怏w、通風(fēng)能力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制［9］。安全保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有監(jiān)控、報警、緊急響應(yīng)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(yīng)急切斷措施。根據(jù)《IGFCode》要求，對本船可能發(fā)生的危險情況進(jìn)行預(yù)測后作為輸入條件，設(shè)計了故障因果矩陣表進(jìn)行邏輯分析。故障因果矩陣表不僅反映了燃?xì)鈾C器處所不同區(qū)域危險信號產(chǎn)生時，當(dāng)自動或手動應(yīng)急切斷裝置起動后，燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)備和燃?xì)忾y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(yīng)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?xì)庠O(shè)備廠家在危險和可操作性分析會議中對應(yīng)急切斷故障因果矩陣表格審核后，認(rèn)可了此系統(tǒng)設(shè)計。

5結(jié)論

為了保證23000TEU雙燃料集裝箱船在燃?xì)饽Ｊ较码姎庀到y(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?xì)饽Ｊ较拢娬竟β使芾硐到y(tǒng)加載大功率負(fù)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(fēng)能力維持穩(wěn)定沒有觸發(fā)通風(fēng)能力失效信號;火氣探測器、應(yīng)急切斷監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)對于燃?xì)庀到y(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(fēng)險評估要求，還滿足了船東實際使用需要。

作者：周祎隆 傅曉紅 夏駿 單位：中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院