双燃料发动机电力推进LNG船可燃气体探测系统设计简介

船舶 SHIP BOAT Vol 22No 2 April 2011 第22卷第2期 总第128 期 2011年4月 0引言 传统的LNG船几乎全部使用蒸汽轮机作为主 推进装置 蒸汽轮机一枝独秀的局面在LNG船领域 存在了近40年之久 蒸汽轮机最大优势是可以方 便地使用LNG蒸发气 可靠性也较高 然而 近年来 由于缺乏操作高压锅炉和蒸汽轮机的熟练船员 以 及蒸汽轮机推进效率较低 操纵性较差等因素 同 时 随着新材料 新科技 加工工艺及能力地不断进 步与发展 相关产业为了能在行业界取得自已的一 席之地 也不断地发展新的技术 推出新的设备 在 提高动力系统整体安全性的同时 也增加了动力系 统选型的多样性 使得越来越多的船东改变了使用 蒸汽轮机作为LNG船主推进装置的观念 而更青睐 于DFDE等新型动力系统 而随着低碳经济 绿色能源 节能环保等概念 在实际生产及生活中的广泛应用 传统的蒸汽轮机 推进系统因其综合热效率低 一般不到30 其在 液化天然气运输船 LNGC 上的应用已逐渐追赶不 上绿色能源前进的步伐 双燃料发动机电力推进系 统 DFDE 能直接燃用气体燃料 且具有较高的热 效率 约为49 无疑DFDE的出现 为LNG船提 供了完美的绿色能源解决方案 常压全冷式的LNG船 液态货物在 163 左右 且具有很好绝热层的低温状态下仍会蒸发 通常蒸 发率在0 1 0 15 在货舱条件下自然蒸发出的 天然气称为NBOG Natural Boil Off Gas 用人工减 船舶轮机 双燃料发动机电力推进 LNG 船可燃气体 探测系统设计简介 李银涛 七 八研究所上海200011 关键词 可燃气体探测 双燃料发动机电力推进 DFDE 液化天然气运输船 LNGC 自然蒸发气 NBOG 强 制蒸发气 FBOG 爆炸下限 LEL 摘 要 详细介绍了双燃料发动机电力推进LNG船可燃气体探测系统设计的基本要求 包括可燃气体探头 及取样管在不同区域的布置情况及数量要求 所述内容不仅涉及LNG船本身的要求 也覆盖了其他类型的液化气 体运输船的相关要求 中图分类号 U664 88 文献标志码 A 文章编号 1001 9855 2011 02 0042 07 Flammable gas detecting system design for DFDE LNG carrier Li Yin tao Keywords Flammable gas detecting DFDE Dual Fuel Diesel Electric LNGC Liquefied Natural Gas Carrier NBOG Natural Boil Off Gas FBOG Forced Boil Off Gas LEL Lower Explosion Limit Abstract This paper introduces the design essentials of flammable gas detecting system for DFDE LNGC including installation position and quantity for detecting sensors and sample pipes in various spaces The contents involve the requirement of LNGC and other liquid gas carriers 收稿日期 2010 07 30 作者简介 李银涛 1982 男 汉族 工程师 主要从事船舶轮机系统研究设计工作 42 图1DFDE LNG船机舱预览图 压或升温强制蒸发出的天然气称为FBOG Forced Boil Off Gas 双燃料发动机可将LNG船运输过程 中所产生的蒸发气 NBOG FBOG 作为燃料 使之 转化为航行过程中推进及服务所需的电能 由此 一方面解决了液货舱因BOG大量积聚产生压力过 高的危险 另一方面也充分地利用了能源 避免了 BOG的浪费 另外 DFDE系统因其低油耗 低排放 机动性能强 安全性能高 动力装置占用空间小 布 置灵活 载货空间增大等众多优点 正越来越受到 业主的青睐 而常温常压下 天然气作为一种易燃 易爆气体 在其作为发动机燃料使用时 必须对其 供气管路进行严密地保护及探测 因为一旦泄漏 将会带来极大的危险与损失 本文主要从规范的角度及船舶设备自身要求 等方面阐述了DFDE薄膜型LNG船可燃气体探测 系统的设计要点 为方便叙述 本文假定目标船为一艘标准型且 配有DFDE动力装置的LNG船 分设有4个薄膜型 液货舱及2个双燃料发动机舱 其中每一双燃料发 动机舱安装有2套双燃料发电机组 共4套 为给 双燃料发动机提供并控制其燃烧用的BOG 在机舱 左右舷区域分别设有1个GVU Gas Valve Unit 房 间 每个GVU间布置有为相应双燃料发动机供气 的2套GVU 另外为防止过量的BOG直接排放至 大气而产生危险 目标船还设有一台气体燃烧塔 GCU Gas Combustion Unit 为GCU服务的供气阀 组布置在GCU燃烧器室内 两个GVU间 两个双燃 料发动机间及GCU燃烧器室均为相互独立的房间 均布置有相互独立的通风系统 1可燃气体探测系统简介 对于液化气运输船 由于所装载货品有着不同 的物理特性 因此其可燃范围也各不相同 可燃范 围是指可燃气体与空气构成的可燃混合物中可燃 气体的最小和最大浓度 体积分数 之间的幅度 通 常用爆炸下限 LEL Lower Explosion Limit 和爆炸 上限 UEL Utmost Explosion Limit 来表示 对于 LNG船 其货品主要成分为甲烷 CH4 甲烷的爆 炸极限 空气中体积百分比 为5 0 15 甲烷作为 一种比空气轻且易燃易爆的危险气体 为了保证 LNG船的营运安全 必须对货品的泄漏情况进行 实时检测 在DFDE LNG船的燃气系统中 BOG经货物压 缩机压缩 并用管道输送到GVU间 在经过GVU 间相应的控制阀组后 BOG通过双壁管输送至相应 的双燃料发动机燃烧 当NBOG不足以供DFDE运 行时 可通过船上的强制蒸发器产生FBOG以满足 DFDE运行所需的气量 而当BOG在满足DFDE运 行所需气量并过量时 过量的BOG可通过管路及相 应的控制阀组引至GCU燃烧掉 以消除BOG大量 积聚产生压力过高的危险 为保证LNG船的持续稳 定运行并考虑安全因素 当BOG量很少或是发生气 体泄漏时 双燃料发动机可切换至燃烧重燃油 对 于燃气系统中可能产生气体泄漏或是气体容易聚 集的场所 均应设置可燃气体探测装置 以实时检 测各相关场所的气体泄漏情况 不同的货品有着不同的特性 可燃气体探测设 备选用需考虑到货品的特性 一般采用吸收式红外 线气体浓度检测仪或接触燃烧式气体浓度探测仪 来对可燃气体进行检测 2规范对可燃气体探测系统的要求 可燃气体探测系统和运输船上的其他系统一 样 在设计时必须遵循相应的规范 规则以及相关 设备制造厂的要求和推荐 其中IMO IGC Code International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk 中文全称 散装运输液化气体船舶构造与设备的国际规则 中的要求应理解为是强制性的 且适用于所有的液 化气运输船 包括LNG船 同时 不同船级社规范 对此系统的要求也略有不同 针对DFDE LNG船 有的船级社还出版了专门 的指导性文件 设备制造厂也有相应的要求和推 荐 特别是可燃气体系统供应商和双燃料发动机供 应商所述的应用要求也需认真考虑 本文主要按照 双燃料发动机电力推进LNG船可燃气体探测系统设计简介 43 船舶 SHIP BOAT Vol 22No 2 April 2011 第22卷第2期 总第128 期 2011年4月 IMO IGC Code 美国船级社 ABS 及中国船级社 CCS 的相关规范要求对双燃料发动机电力推进 LNG船可燃气体探测系统设计进行探讨性研究 2 1IMO IGC Code相关要求 根据IMO IGC Code第13章第6节中要求 下 列处所内应设有固定的可燃气体探测系统和声光 报警装置 1 货泵舱 2 货物压缩机室 3 用于货物装卸机械的电动机舱 4 货物控制室 被指定为气体安全处所者除 外 5 货物区域内可能积聚蒸发气的其他围蔽处 所 包括货舱处所和除C型独立液货舱之外的独立 液货舱的屏壁间处所 6 如将货物用作燃料时 相关机器处所的通 风罩和气体燃料管道 7 空气闸 除上述要求外 气体探测设备应能在不超过 30 min的时间间隔期内 依次从每个取样点取样和 分析 但在上述 6 中所述的通风罩和气体管道进 行气体探测时 应连续取样 对于薄膜型LNG船 货 舱处所和屏壁间处所均应设有固定安装且能测量 0 100 的气体浓度 按容积 的可燃气体探测系统 当泄漏蒸发气浓度达到在空气中的30 LEL或达 到主管部门根据特殊货物围护装置认可的其他极 限值时 具有声光输出的报警装置应被触发 各测 量点的取样管路应相互独立 而不允许用公共取样 管路直接连至气体分析箱 气体探测设备可布置在货控室 驾驶室或其他 适当的位置 当该装置布置在气体安全处所时 应 保证气体取样管上设有截止阀或等效装置 以防止 其与气体危险处所相互连通 同时 从探测器分析 箱排放的气体应在安全位置排向大气 另外 每船需配备两套经认可并适合所载货品 的便携式可燃气体探测仪 以及一台经认可并可测 量惰性气体中含氧量的氧气浓度仪 对于将BOG作为燃料的LNG船 在燃用BOG 的机器处所 为机器供气的阀组处所及上述处所的 机械排风管中均应设置可连续检测可燃气体浓度 的探头 用以检测BOG的泄漏情况 当可燃气体浓 度达到30 LEL时 系统会发出声光报警 而当浓 度达到60 LEL之前 系统应能自动关闭气体燃料 总阀以切断气体燃料供应 此时双燃料发动机会自 动切换至燃油模式 以保证LNG船的正常运行 2 2美国船级社 ABS 相关要求 如果目标船的入级船级社为ABS 除满足IMO IGC Code相关要求外 美国船级社 ABS 对DFDE LNG船可燃气体探测系统还有如下要求 1 如果双燃料发动机机舱机械通风进风口处 没有安装可燃气体探测装置 则进风管上应安装止 回装置 以防止机舱的可燃气体通过风管往外泄 漏 而当该进风口安装有可燃气体探测装置时 该 处可不设止回装置 2 与货物相关的压缩机 换热器 泄放柜 分 离器 液货泵及电机等处所都应安装有可燃气体探 测器 当探测器检测到可燃气体浓度超过30 LEL 会发出声光报警 而当检测浓度超过60 LEL时 货物压缩机会自动停止 以防止可燃气体继续泄漏 而产生爆炸的危险 3 可燃气体探测系统应能自检 当系统自检 发现自身故障时 该系统的输出应能自动断开并发 出报警 以避免探测器故障导致错误的紧急停车 4 对GCU 应配备两套相互独立并能连续检 测的固定式可燃气体探测系统 当其中一套系统故 障后 另一套系统可以马上替代其进行检测工作 5 为GCU供气的阀组上方也应提供可燃气体 探测 当探测器检测到可燃气体浓度达到30 LEL 会发出声光报警 而当检测浓度达到60 LEL时 为GCU供气的阀组会自动关闭 以切断对GCU的 燃气供应 6 双燃料发动机的曲轴箱上应设有气体取样 口 以便使用便携式可燃气体探测仪对曲轴箱内的 可燃气体浓度进行检测 同时 曲轴箱应安装防爆 型的油雾探测器和气体探测设备或等效设备 气体 探测器可位于曲轴箱透气管内 其布置应防止油雾 污染该可燃气体探测器 2 3中国船级社 CCS 相关要求 如果目标船的入级船级社为CCS 同样 在满足 IMO IGC Code相关要求的同时 中国船级社 CCS 对DFDE LNG船可燃气体探测系统有如下要求 1 表1所规