摘 要

在传统船舶行业萧条的今天，LNG（液化天然气）船舶的市场却是处于正在上升的春天，相比传统的船舶柴油机，LNG/柴油双燃料柴油机具有更好的排放特性，更优的能源消耗结构，能够给船东带来巨大的经济效益，但与此同时，由于LNG超低温沸点、易燃易爆、高气化比例（1:600）等高危特点，给LNG船配备一套完整可行的安全监控系统具有重要的现实意义。

本文主要了解了LNG船的运营方式，及其双燃料发动机管系和主机布置、工作特点，对LNG船可能出现的故障模式进行探究，并总结其发生故障的缘由和故障带来的后果。根据不同故障发生的不同现象选取传感器对故障进行监测，并对传感器的工作原理和信号转换方式进行简要说明，主要需要监控的区域有：发动机舱室、气体供应管系和发动机主机。针对出现的故障初步设计一个相应的解决方案，并通过PLC（可编程控制器）来实现这些解决方案。根据LNG双燃料动力船的工作特点选取了西门子PLC来对各种故障信号进行处理，采取措施。并且利用PLC编程仿真软件对所编程序进行仿真，初步认定设计方案的可行性。

在文章的最后对自己所进行设计进行了总结，提出了设计存在的缺陷，并且对未来的发展作出了展望。

关键词：LNG；安全监控；PLC

Abstract

Nowadays,the winter of traditional ship industry has come,in the meanwhile,LNG(liquefied natural gas) ship industry has taken its step into spring.Compared to the traditional ship,LNG/diesel dual fuel ship has quite a few advantages such as better emission characteristics,better energy consumption structure and more economic for ship owners.Of course,LNG is not such perfect without any disadvantages.For example,LNG has ultra low boiling point and it is inflammable and explosive ,also it has high gasification ratio etc.All in all,it is significant to equip the LNG ship with a set of feasible safety monitoring system.

This paper is mainly based on LNG ship operation,dual fuel engine pipe lines and engine placement.The study does some research on the possible failure mode of LNG ship and summarize the cause and the consequences of the failure.Then according to the different phenomena of different faults,the project selects some different sensors to monitor these different faults,and also,the working principle and signal conversion ways are presented in this paper. The monitor system mainly monitors 3 areas of LNG ship:engine compartment,gas supply pipe system and dual fuel engine.Aimed at these existing faults,I design an initial corresponding solution and try to solve them by using PLC(programmable logic controller).According to the working characteristics of LNG/diesel dual fuel ship,SIEMENS PLC is selected to deal with all kinds of fault signals.And through using PLC programming simulation software to simulate the program and to preliminary identify the feasibility of the design.

At the end of this paper,I present a summary and some shortcomings of my design,at the same time,I propose some potential developments in some related areas.

Key Words：LNG;security monitoring;PLC

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 LNG船分类 1

1.2.1 球罐型LNG船 1

1.2.2 薄膜型LNG船 2

1.3 LNG燃料的问题 3

1.4 国内外LNG发动机研究现状 4

1.5 论文主要内容 5

1.6 本章小结 5

第2章 LNG船主要故障 6

2.1 发动机主机故障 6

2.1.1 发动机曲轴箱天然气泄漏 6

2.1.2 发动机单缸排气温度过低/过高 6

2.1.3 发动机单缸排气温度与排气总管排气温度相差过大 6

2.2 发动机机舱故障 7

2.2.1 机舱通风机故障 7

2.2.2 机舱失火 7

2.3 LNG储气和供气故障 7

2.3.1 储气棚天然气泄漏 7

2.3.2 储气棚失火 7

2.3.3 储气罐内供气压力和液位异常 7

2.3.4 天然气供气管内压力异常 8

2.3.5 气化器介质低温 8

2.3.6 气化器出口管路低温 8

2.4 故障汇总及相应措施 8

2.5 本章小结 9

第3章 执行机构的选型及控制逻辑的设计 10

3.1 传感器的选型 10

3.1.1 温度传感器 10

3.1.2 烟雾报警器 10

3.1.3 气体探测器 11

3.1.4 压力变送器 12

3.1.5 电流感应开关 12

3.2 警铃、阀的选型 13

3.3 控制逻辑的构建 13

3.3.1 发动机曲轴箱天然气泄漏控制逻辑 13

3.3.2 发动机单缸排温异常控制逻辑 14

3.3.3 单缸排气温度与平均排温相差过大控制逻辑 15

3.3.4 机舱通风机故障控制逻辑 15

3.3.5 机舱失火控制逻辑 16

3.3.6 机舱气体泄漏控制逻辑 16

3.3.7 储气棚天然气泄漏控制逻辑 17

3.3.8 储气棚失火控制逻辑 17

3.3.9 储气罐内供气压力异常控制逻辑 18

3.3.10 储气罐内液位异常控制逻辑 18

3.3.11 天然气供应管路内压力异常控制逻辑 18

3.3.12 气化器介质低温 19

3.3.13 气化器出口管路低温 20

3.4 本章小结 20

第4章 PLC编程及仿真 21

4.1 PLC的选型 21

4.2 PLC资源分配 22

4.3 PLC编程 22

4.4 PLC编程仿真 23

4.5 本章小结 24

第5章 结束语 25

5.1 论文总结 25

5.2 论文展望 26

参考文献 27

致 谢 28

1. 绪论

1.1 引言

近年来国内生产总值连年递增，伴随着的就是巨大的能源消耗和环境污染。并且2017年将实施国V排放标准，给能源消耗大户带来了艰巨的挑战。在石油、煤炭资源锐减而且排放污染极其严重的今天，开发新能源显得尤为迫切。相同热值下LNG（液化天然气）的价格仅为原油1/3-1/4，随着天然气开采能力的提升，这种价格优势越来越明显，而且采用LNG作为船舶动力燃料，NO_x的排放可以减少80%左右，CO_x的排放可以减少20%左右，同时几乎不产生SO_x和PM，可显著提高船舶性能，并满足MARPOL公约（船舶动力燃料含硫量低于0.5%）要求，尤其是ECA（特殊排放控制区）区域的排放要求（如表1-1）。LNG船舶相比传统柴油动力船优势明显1）其硫化物、颗粒物和氮氧化物的排放几乎可以忽略不计；2）其营运和维护成本相比柴油机减少了50%左右（同等功率LNG成本是柴油的60%，并且天然气燃烧完全不积碳）；3）安全系数高（着火点和爆炸极限均远高于柴油机，发生泄漏后自动上溢，不会对海洋造成巨大的危害。因此LNG船舶势必将成为船舶行业的新宠。

表1-1 LNG与传统燃料排放情况 单位：g/kWh

1.2 LNG船分类