LNG-柴油双燃料发动机安全监控系统研制

    李煜辉+杜茂+张谦益+潘志翔

    摘要：根据CCS（中国船级社）颁布的有关对混合燃料发动机的要求和规范，本安全监控主要功能包括有：对混合燃料发动机供气系统、发动机舱室的实时状态以及混合燃料发动机的工作状态进行实时连续的监测，并且能够根据本系统监测到的数据相应判断混合燃料发动机整个系统的安全故障问题，从而根据监测到的故障问题采用相应措施处理。

    关键词：LNG双燃料发动机安全监控系统

    相比CNG（Compressed NaturalGas，压缩天然气），LNG不再是将天然气压缩在200个大气压的储气瓶里，有着破裂时爆炸的危险，其安全性相对较高。但是经过对LNG理化性质与发动机运行环境安全性的分析后发现，LNG作为发动机燃料的应用过程中依然存在着低温、泄漏与燃烧爆炸等方面的安全隐患。因此，使用科学的方法对双燃料船舶的机舱以及燃料舱进行安全性研究，对预防和降低危险具有十分重要的现实意义。

    本文以LNG理化性质和CCS所颁布的关于双燃料船舶规范为依据，着重从LNG实际应用中存在的低温、泄漏以及燃烧爆炸等安全隐患入手，基于实际双燃料发动机台架，对双燃料船舶中LNG从储藏到供给再到主机消耗等方面可能出现的危险环节进行科学分析，并以此为依据从供气、舱室环境以及主机运行等方面设计了一套较为完善的安全监控系统，实现了对LNG-柴油双燃料发动机实际工作时的监测与故障报警。

    LNG燃料安全性分析

    1、LNG理化性质

    LNG采用超低温储藏，在一个大气压下温度达到-162℃，真正作为发动机燃料时，气化后的LNG对于发动机燃烧室的燃烧效果有着重要影响，所以在实际应用中，对于气化后LNG温度的监测是重要的一个环节。天然气的自燃温度为645℃，其可燃浓度下限是5%（与空气的浓度比），着火点与可燃浓度点较低，当LNG瓶碰撞、倾倒等事故时，温度会急剧升高，在通风较差的场所遇明火可能自燃起火甚至爆炸。天然气在标准状况下为气态，而且甲烧的分子量为16，远小于空气，当LNG储气瓶发生意外造成泄漏时，天然气会迅速向上扩散，不易聚集在地面。这一特性也决定了对于LNG泄漏的监控设备一般安装于舱室中LNG设备的上方。

    作为船舶发动机燃料时，发动机舱室与LNG储藏室一般处于封闭空间，有可能出现低温、泄露甚至爆炸等安全问题。

    2、CCS相关规范要求

    CCS（中国船级社）所颁布的《双燃料发动机系统设计和安装指南》、《气体燃料动力船检验指南》、《散装运输液化气体船舶构造与设备规范》对混合燃料发动机的设计、安装以及运行有着如下要求：①能够对气罐、热交换器、气体燃料发动机进行实时监测，发生任何故障可以在驾驶室或者机舱控制室产生视觉和听觉报警。②能够对气罐处所、发动机处所等可能产生可燃气体泄露和聚集的其他处所进行连续的气体探测。③能够对气体燃料供应系统进行实时监控，并且对监测到的故障采取相应措施处理。④能够对混合燃料发动机进行实时监控，并且对监测到的故障采取相应措施处理。⑤符合国家、行业及船级社的标准、规范要求。

    3、双燃料发动机台架

    发动机台架依据真实船舶发动机布局设置，分为燃料室、机舱室以及驾驶室。LNG-柴油混合燃料发动机台架系统构成如下图1所示。

    依据LNG理化性质、CCS规范要求以及现场发动机台架系统布置，确定安全监控系统所要监控的内容分为三个部分：LNG储气与供气：储气罐供气异常、储气室（气棚）环境温度过高、储气室（气棚）天然气泄漏、储气室（气棚）失火、天然气供应管内低压、气化器出口管路气体低温、气化器介质低温；该监测报警主要是针对LNG储气与供气的安全性；机舱环境：机械通风机故障、机舱室火灾、机舱室天然气泄漏。该监测报警主要是针对发动机运行环境的安全性；主机运行：转速波动率太高、曲轴箱天然气泄漏、单缸排气温度高以及单缸排气温度和平均排气温度偏差大。该监测报警主要是针对发动机运行的安全性。

    监控系统总体设计

    根据上述安全监控系统确定内容与思路，本安全监控系统分别对LNG储气与供气、发动机舱室环境以及发动机运行状态三个方面进行了如下设计：

    1、LNG储气与供气

    针对LNG供应系统上存在的安全隐患，分别从储气罐及汽化器、储气室环境以及供气管路三个部分对LNG储气与供气系统进行设计。

    1.1储气罐及汽化器监测设计

    LNG储气罐设有液位及压力监测与显示仪，实时监测显示储气罐中的LNG液位与压力。

    在汽化器安全监测方面设计有温度传感器，分别对汽化器介质以及汽化后燃气的温度进行实时监测，以防可能出现的温度异常影响LNG汽化而无法满足工作要求。传感器安装如下图2所示。

    1.2储气室环境

    储气室环境的安全直接影响着供气系统的稳定性以及人员安全。在储气室（气棚）内安装有可燃气体探测器、火焰探测器以及环境温度传感器，实时监测LNG储藏罐的环境的安全。传感器安装如下图3所示。

    1.3供气管路安全设计

    供气管路在整个系统中起着重要作用：一方面是系统重要的监测对象，另一方面又是系统主要的执行操作对象。对于供气管路的监控设计如下：①采用压力传感器对管路中燃气压力进行实时监测。②在天然气供应管系上安装互锁切断阀，作为系统紧急情况的执行输出。互锁阀由四个阀件组成，其中三个串联安装在天然气供应主管系上的阀在出现故障时自动闭合切断燃气供应，另外一个通气阀在出现故障时自动打开以便于燃气的扩散。

    2、机舱环境安全监测设计

    机舱环境直接影响着发动机的运行以及操作人员的安全性，本系统在机舱顶部安装有可燃气体探测器以及烟雾探测器，针对可能出现的意外燃气泄漏甚至火灾。同时系统对舱室的风机运转情况进行实时监测，以应对可能出现的风机故障。

    3、主机运行安全监测设计

    排温和转速是判断发动机是否正常运行的重要参数，根据监控数据能够便于对发动机工作状态有清楚的判断。本文设计的安全监控系统对发动机单缸及总管排气温度以及发动机转速进行实时监控，同时在曲轴箱透气管内安装燃气探测器，实时监测曲轴箱的燃气浓度。本文改装的发动机如下图4所示。

    4、系统总体设计布置图

    安全监控系统总体设计布置图如下图5所示。

    系统功能流程

    依据设计规范与系统方案，安全监控系统软件功能流程如下图6所示。

    如上图所示，安全监控系统工作流程为：

    上电自检：系统进行自检，如有故障立即报警，否则进行第二步，信息采集。

    信息采集：通过传感器信号以及通讯[7]等方式将信息采集到处理器部分，进行第三步，信息处理。

    信息处理：将采集到的信息进行处理并进行判断，若判断安全，则继续采集信息，否则，执行报警及相关动作。

    报警及动作：系统判断为故障或危险状态，进行报警并采取措施。

    安全监控系统联调测试

    本文设计的安全监控系统已经完成实际系统的搭建与调试，各项功能完全满足设计要求，通过了验收并且工作正常。

    柴油-LNG混合燃料船舶作为一种新型船舶，LNG特殊的理化性质使其比其他船舶更具有特殊性。船舶运营的安全与效率主要是由船舶的心脏（机舱）的运行状况以及LNG燃料储藏的安全性所决定。本文立足于LNG理化性质和CCS所颁布的关于双燃料船舶规范，以LNG作为发动机燃料的实际应用中存在的低温、泄漏以及燃烧爆炸等安全隐患为监控要点，基于实际双燃料发动机台架设计了一套较为完善的安全监控系统，实现了对LNG-柴油双燃料发动机从供气到主机运行等方面的监测与故障报警，并最终通过了试验与测试，为LNG-柴油双燃料发动机安全监控系统的设计提供一种可行的思路与方案。

    参考文献：

    [1]王卿权.LNG动力船舶燃料罐火灾、爆炸事故后果数值研究[D].大连海事大学，2014.

    [2] CCS（中国船级社）.双燃料发动机系统设计与安装指南[S].上海：中国船级社上海规范研究所，2007.

    [3] CCS（中国船级社）.气体燃料动力船检验指南[S].北京：中国船级社，2011.

    [4] CCS（中国船级社）.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京：中国船级社，2012.

    [5]李德召.LNG/柴油双燃料动力系统安全监控系统设计[D].武汉：武汉理工大学动力工程系，2014.

    [6]赵景波.零基础学西门子S7-200PLC[M].北京：机械工业出版社，2010.

    [7]许波.Modbus通信协议的研究与实现[D].安徽大学，2010.（作者单位：武汉理工大学）