研究论文-双燃料集装箱船LNG燃料系统监控系统设计.pdf

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液化天然气(LNG)燃料系统工作状态直接影响船舶的稳定、安全运行,有效监控燃料系统的运行状态能够为船舶运行提供保障。针对20 000箱大型双燃料集装箱船,依照国内外LNG船舶设计规范,分析监控系统实际功能需求,提出燃料系统的监控系统设计方案,以加注及燃料舱子系统和BOG管路子系统为例,结合燃料系统工作过程,详细介绍监控系统控制逻辑及设计方案。监控系统能有效监测燃料系统重要参数及相关设备工作状态,同时能够控制系统在紧急情况下的应急响应,保证燃料系统稳定运行,确保船舶及人员安全。
第1期 程绍坚,等:双燃料集装箱船ING燃料系统监控系统设计 距离能达到8m,所以满足系统通讯距离要求。 功能强大2,技术相对成熟,因此本文设计过程选 机舱集控室各控尙模块和安全模块之间,以及机舱择使用S7-300系列PLC作为控制器进行安全监控 集控室与驾驶室远程O模块之问由依托于CAN2.OB系统的设计,同时使用西门子 Smart700触摸屏作为 标准协议的CAN总线进行通讯互联。机舱集控室各模人机界面, Smart700可使用串行接口与PLC通讯 块之间的距离小于Ⅰm,机舱集控室模块至驾驶室远程 监控系统的设计主要包括上位机交互界面及 LO模块之间的距离小于10m,所以只需考虑两者间的PLC控制程序2部分。监控系统在现场有相对独立 最大距离。当波特峯设为250Kh/s的情况下,忽略具他的仪表,并通过总线实时传输测得的关键数据至上 因索的情况下,CAN总线的理论传输距离能达到50m,位机,将数据和报警情况显示在控制程序界闻,并可 因此能满足系统通讯距离要求 通过控制程序实现系统控制。如图3所示为安全监 4监控系统设计规范要求 控系统上位机交互主界面,设置状态显示控件,用于 显示当前系统工作状态,针对每个子系统设置LED 燃料系统监控系统的安仝性、可靠性要亐新型报警指示灯,若任一子系统岀现欤障情况,系统状态 或类似的常规燃油动力系统所达到的水平相同。应显示为“异常”,且该子系统前指示灯红色报警,同 设置合适的仪表让工作人员能够就近或远程实现对时设置各子系统按键,便于用户进入子系统界面杳 重要参数的读取,从而实现对设备的管理;应采取合看子系统详细参数及作状态。 适的通信设施将设备运行信息正确稳定地传输到各 监控终端和记录设备上11 燃料供给监控系统 LNG特殊的理化性质使得其加注系统与传统 当前状态:异常 燃料存在明显区别,囚此本文选择加注及燃料舱系 ●[加注及燃料舱系统 统为例详细阐述安仝监控设计过程。 主机供气管路系统 BG管路系统 加注监控系统应设置在远离加注站的安全位 通风系统 置,在此位詈对燃料舱压力、温度和燃料液位进行监 ●火气探测系统 测,同时,在该位置实现报警和自动切断。系统通过 用气设备 多个传感设备对重要安全参数进行实时测量并控制 图3监控系统主界面 在安全值域内。加注及燃料舱系统的监控系统设计5.1加注系统故障及解决方案分析 应满足以下规范要求: 1)每个燃料舱的气相空间均有直接读数压力 加注及燃料舱系统如图4所小1-。首次充 表,压力表上已标明该舱允许的最大压力和最低压裝加液时,LNG储罐内无液体燃料,因此安仝系统 力。压力表读数在驾驶室、集控站和船舶安全中心 会低液位报警,此时,属于正常状态,可人工消音,解 设有间接指示,能在达到安全阀设定压力之前触发除报警。结合实际LNG燃料重装过程,分析加注系 高压报警和低压报警。 统可能出现的故障情况及响应解决方案。得出加注 2)在燃料舱底部、中部和设计的最高液位处均 过程需要监测的参数为ING储罐压力、储罐内液位 设有温度测量及指示装置。 及燃料舱温度。 3)液位通过燃料舱的液位测量装置测量取得, E ESOL 该裝置能在燃料舱设计压力和操作温度范围內正常 SDO2 LTO3ODOLTO2 工作,在燃料舱处于运行状态时始终获得液位读数。 集液盘 每一个燃料舱都设有独立的高液位报警装置,在触 发后发出听觉和视觉警报,独立于报警装置另一传 感器则自动启动一个截止阀以避免燃料加注管路中 产生过大液压并防止燃料舱内被注满。 4)加注燃料舱系统所有传感器的位置能在交 付使用前检查确认。交船后以及每次干坞后第一次 满载均应该通过提升燃料舱内液位至报警点进行高 位报警试验。 图4加注及燃料舱系统简图 5监控系统设计 1)液位异常 液位异常情况主要包括高液位、髙高液位、低液 基于嵌入式的安全监控系统具有体积较小成位3种。控制终端需要实时显示LVG储罐内液位, 本较低且接口使用较为灵活的特点;基于PC的安当观测到驾驶室控制终端显示液位达到高液位时,需 全监控系统抗十扰能力相对较强、可靠性高且控制关闭ESD0、ESD02、AVO1、AVO、AVO3,停止充装操 应 用 科 技 第46卷 作。加注过程中,当ING储罐內液位值到达高液位 储罐压力监控 设定值时,触发监控系统实现声光报警,此肘工作人 员应立即停止充装。阀门按钮功能如表2所示。 表2阀门按钮对照表 低于设定值 代号 类型 <实时压力信号 正常 FS01液相加注总管低温紧急切断阀 气相加注总管低温紧急切断阀 高于设定值 ESDO2 Avoi 气动阀 高压声光 Avo2 气动阀 报警 Avo 气动阀 若液位到达高液位后,继续充装,直至液位到达 工泄压 高高液位值时,触发监控系统发出声光报警,并启动 N 应急切断装置,系统紧急切断ESD01、ESD02,停止 应急释放 充装。此外,供给系统运行过程中,若LNG燃料液 位低于设定值时,说明燃料将夏耗尽,系统应触发声 系统复位 光报警,提醒工作人员进行燃料的充装或切换。 2)压力异常 图6加注系统压力故障处理流程 在燃料供给过程中,若LNG储罐内压力大于设 加注系统进行燃料充裝时,监控终端能实时读 定值,可能是由于管路堵塞引起,若不及时处理会出取液位数据,首先判断系统是否为初次充装,若是此 现储罐损坏,导致燃料泄漏。此时,监控系统需要实时储罐内液位低,系统触发声光报警,此为正常现 现声光报警提醒作人员进行相关设各排査。必象,手动解除报警后,系统继续充装即可。管内液位 要时开启紫急释放阀,排岀储罐内高气体,防止岀到达高液位指标时,系统触发高液位声光报警,提醒 现安全事故。基于以上的分析,得出加注系统液位工作人员于动停止充装过程,若工作人员没有执行 和压力故障处理流程图分别如图56所示。 切断操作,系统继续加注至液位达到高高液位,则系 〔开始充装) 统触发声光报警,同时启动应急切断措施。 加注系统工作时,压力传感器实时测量罐内压 实时液位信号 力,并在监控终端显示,当压力低于设定值时,系统 工作状态正常,高于设定值时,应触发监控系统高压 低液位声光Y 报警 次充装 声光报警,提酲工作人员进行泄压操作,若无人为泄 压操作,则系统控制应急释放装置工作,自动泄压。 5.2加注燃料舱系统监控设计 于动解除报警 正常 加江 本位以加注系统为例,设计针对其的安全监控 系统,包括上位机交互界面设计及PLC控制程序设 高液位 计2部分。图7为加注系统监控交互界面。 手动关闭 高液位声光 加注及燃料舱系统 充装阀件 报警 液位状态 充装操作 实时液位:1.25低液位 液相允装 高高液 解狯报警 顶部充装 底部充装 充装急停 回气 高液位声光 报警 压力状态 实时压力:1.0正常 ●解除报警应急释放 自动紧急 切断 图7加注监控界面 加注系统监控界面共分为2部分,即液位状态监 停止加注 控及压力状态监搾。设置状态显示控件及参数显示控 件,用丁实时显示储罐内液位及压力信息;设置LED指 图5加注系统液位故障处理流程 示灯,用于液位及压力异常时的报警;设置“解除报警” 第1期 程绍坚,等:双燃料集装箱船ING燃料系统监控系统设计 按钮,用丁工作人员解除声光报警;同时为了实现对加照岘今行业标准,提岀针对双燃料集装箱船LNG燃 注系统的冇效控制,设置相应的控制按键,用于操纵加料监控系统的设计方案,使用PLC为控制器,以加 注过程,必要时启动应急切断或应急释放。图8所示注系统为例详细阐述设计过程,分析系统通过过程 为部分PC液位控制程序,液位传感器将液位信号传中的可能出现的故障现象及相应解决方案,并据此 递全控制程序,通过FC105将其转换为实际液位值,并设计PIC控制程序及人交互户界而。结论如下 存存人MD8中,对设计信号通过逻辑判断,当其低于 1)本设计符合相关规范要求,并能满足设计对 没定值时,触发上升沿检测,同时发岀脉冲信号,将输象的安全需求,能够实现稳定可靠的安全监控行为, 出信号Q0.0置1,并触发LED报警;同时使用输出信号可有效降低船舶运行风险; 0.0及“JB”开关量形成自锁,保证在工作人员解除 2)本文设计成果具备极强的实用性,根据现有 报警操作后关闭相应的报警装置。 工程水平较易实现; FC105 3)本文设计的针对燃料系统的监控系统可作 Scaling values EN ENO 为整船控制系统的子系统使用,可为其他LNG燃料 PIW120IN RET-VALFMW20 系统安全监控的设计提供设计思路和依据。 OUTH MD8 0.000000e 在之后的研究和实际配置巾我们会进一步改善 000LO LIM BIPOLAR 本系统,研究并解决其间产生的实际问题。 M0.0M0. 参考文献: (a)实际液位值转换 [1]邹杰东.双燃料主机供气监控系统的研究与开发[D] M0.3 CMPa Q0.0 镇江:江苏科技大学,2016 POS P [2]张慧.ING海运市场浅析[J.中国储运,2017(6):101 MD8 INI MO4-M BIT 低浓位报警 103. .500000e #L上D 3]李煜辉,杜茂,张谦益,等.LNG-柴油双燃料发动机安 #JCE 全监控系统研制[J].中国水运,2015(12):55-57 00.0 #JCBJ [4]孙迎椿,李坤ING燃料动力船舶安防报警系统专利技 术分析[J.中国船检,2017(8):90 (b)逻辑判断和报警 5]聂细亮,刘强,李国帅,等.ING船舶海上运输安全研 图8PLC液位控制程序 究现状及进晨[J].中国安全科学学报,2017,27(5) 图9所示为部分PLC压力控制程序,与液位控[6]庹汉郧.ⅠNG;/柴油双燃料发动机及其燃料管系安全监 制程类似,控制程序将压力传感器信号转换为实际 控系统究[D」.武汉:武汉理工大学,2013 压力值,存人MD12中,当实际压力值高于设定值7王德云.LNG船安全系统设计研究[D·上海:上海交 时,触发高压报警,同时将压力释放阀输出置1,控 通大学,2010 制启动应急释放装置。 8]彭晓辉.內河柴油-LNG双燃料动力船舶基于CAN总线的 安全监控系统矶究实践[J.城市燃气,2017(1):24-27. M2.2 MP M24Q0.4 POS L9]李捷辉,钟光耀,庞春风,等.双燃料船舶动力分布式监控 (P MD12 INI M2.3-M_BIT LED 系统研发J.自动化仪表,2015,36(6):29-32,3 高压报警 2.250004 LED [10]段斌,王志敏.双燃料发动机在LNG运输船上应用难 001 IN2 点与对策[J].船舶与海洋工程,2017,33(2):30-34. #CBJ 除报警 压春放阀[11唐浩双燃料发动机燃气供给系统设计J.船与海 O0.4 #JCB 洋工程.2014(4):43-49,53 [12]刘义长.ING混合动力船舶燃气监测系统[D].厦门 图9PLC压力控制程序 集美大学,2016 [13]徐建勇,范洪军,吴顺平,等.ⅠNG燃料的船对船(ST5)加 6结论 注技术研究[冂].船舶工程,2015,37(1):7-10 14]杜安民.张勇.船舶液化天然气加注站现状与发展趋势 文章通过对安全监控系统的需求进行分析,按 [J.中国港湾建设,2015,35(12):77-81 本文引用格式: 程绍坚,顾洪彬,燕辰铭,等.双燃料集装箱船LNG燃料系统监控系统设计[冂.应用科技,2019,46(1);1-5. CHENG Shaojian, GU Hongbin, YAN Chenming, et al. Design of LNG fuel systems monitoring system for dual fuel container ships [JJ. Applied science and technology, 2019, 46(1): 1-5

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