船舶雙燃料發動機LNG供氣系統模擬仿真技術應用研究

崔錦泉，周 偉，王智磊，王廷勇

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101)

0 引 言

隨著海洋環境保護意識逐漸提高，對于船舶排放要求越發嚴格。國際海事組織頒布了一系列有關船舶排放的防污公約，對于氮氧化合物及硫氧化物等污染物制定了詳細的排放標準。根據國際海事組織頒布的《MARPOL 73/78》附則Ⅵ中的規定：2020年后，對于船用低速機，在排放非控制區，氮氧化物排放限值為14.4 g/kW·h，硫氧化物排放限值為0.5% m/m；在ECA區（排放限制區），氮氧化物排放限值為3.4 g/kW·h，硫氧化物排放限值為0.1% m/m?，F有的SCR（選擇性催化還原技術）系統、EGR（廢氣再循環）系統以及EGSC（船舶廢氣清洗系統）等尾氣后處理技術已經很難滿足公約的要求，船舶動力市場逐漸趨向于清潔能源的開發與利用。液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）作為一種清潔型綠色能源，主要組分是甲烷，還有少量的乙烷和丙烷等碳氫化合物，燃燒后轉化為HO 和CO，被譽為地球上最干凈的化石能源，非常適合替代石油等化石燃料成為發動機的主要能源。面對船舶市場對于清潔能源動力供應的需求，針對船舶雙燃料發動機，需配置相應的LNG供氣系統，該系統工藝流程復雜，且要具備高穩定性和安全性。在雙燃料發動機供氣系統研發進程中，借助計算機模擬仿真技術，開發出與LNG供氣系統全面鏡像的模擬仿真系統。該模擬仿真系統實現了LNG供氣系統全物理量、機電對象的過程模擬，同時完成從產品設計到工程組態的全數字化方案，形成基于數字化技術的供氣系統仿真系統，對工藝設計參數及自動化控制策略的合理性進行提前驗證。

1 模擬仿真技術開發

船舶供氣系統主要由加注站、儲罐、BOG（boiled of gas）處理單元以及蒸發加熱單元構成，主要供氣工況為：低溫LNG經加注站注入儲罐中，再由儲罐內潛液泵泵出，經蒸發加熱單元處理后，變至一定壓力和溫度范圍內的NG氣體，供給主機、發電機和鍋爐燃燒使用。供氣系統工藝流程如圖1所示。

圖1 供氣系統工藝流程簡圖Fig. 1 Process flow diagram of gas supply system

根據供氣系統工藝流程圖設計方案，運用多物理量系統仿真軟件Amesim、自動化接口軟件Automation Connect、機電一體化仿真軟件NX MCD及自動化仿真軟件Portal等，創建出三維模型、多物理量模型等工藝模型和自動化系統電氣模型，通過仿真接口連接，搭建整個系統的數字化模擬仿真系統，用于驗證供氣系統工藝流程的邏輯性及穩定性，整個系統的軟硬件構成如圖2所示。

圖2 模擬仿真系統軟硬件構成Fig. 2 Software and hardware composition of simulation system

1.1 創建供氣系統物理和運行學模型

根據供氣系統工藝流程圖設備需求，運用三維設計軟件NX繪制供氣系統中每一個設備元件，包括儲罐、潛液泵、壓縮機和閥門等。將單個設備進行組裝配合，建立各機構間的運行學關系，并設置設備與PLC之間的I/O變量接口，形成各個單元模塊撬裝圖，包括蒸發加熱撬塊、乙二醇撬塊、加注站撬塊等。按照供氣系統實船設備安裝方案進行布置，并將各撬塊間對應法蘭接口進行管道連接，創建出整個供氣系統的三維模型。供氣系統儲罐設備、撬塊及系統模型如圖3所示。

圖3 供氣系統三維模型圖Fig. 3 Three dimensional model of gas supply system

1.2 創建供氣系統多物理量模型

運用多物理量建模仿真軟件創建供氣系統多學科領域的復雜系統模型，在此基礎上進行供氣系統多物理參數的仿真計算和數據分析，利用該平臺研究系統的穩態及動態性能。在此過程中將設備參數輸入其中，創建了多個物理量子模型，例如創建LNG供給泵的液態及壓力模型、創建換熱器的液氣兩相流轉換模型、創建壓縮機的熱氣動模型等系統部件的模型，并根據子部件間的真實工藝流程及數值計算關系，連接相應子部件模型，搭建起完整的供氣系統多物理量模型，并在其中輸入設備工藝參數，如LNG儲罐容積、泵特性曲線、換熱器參數、管路管徑長度、緩沖罐容積等。供氣系統多物理量模型如圖4所示。

圖4 供氣系統多物理量模型Fig. 4 Multi physical quantity model of gas supply system

多物理量系統模型用于模擬液態LNG在管道中的流動情況，并模擬液態-氣態轉換及主機/輔機氣體燃料消耗情況，同時模擬計算出各個子部件中介質的流量、溫度及壓力變化特性。

1.3 創建自動化電氣模型

創建供氣系統自動化電氣模型。首先，根據供氣系統控制系統需求創建自動化系統硬件配置，完成控制系統硬件組態。其次，根據供氣系統工藝流程和報警點清單，運用Portal軟件編制PLC程序，完成WINCC人機操作界面的設計。最后，創建自動化系統虛擬PLC，并設置虛擬PLC與多物理量模型、三維可視化模型間的軟件通信接口。

2 模擬仿真數據應用分析

2.1 模擬仿真平臺應用數據分析

利用仿真系統驗證2種供氣模式下供氣壓力的穩定性和跟隨性。一種工況為供氣系統恒壓供氣模式，即供氣壓力不隨主機負荷變化而變化，在此處主機供氣壓力需求范圍為12.5±0.1 Bar。設置主機負荷從25%→50%→75%→100%加載，觀察主機供氣管路出口氣體壓力變化。主機耗氣量曲線和主機供氣出口壓力曲線如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，隨著主機耗氣量不斷增加，主機供氣出口壓力始終維持在12.5±0.05 Bar之間，符合主機供氣壓力±0.2 Bar設置范圍，驗證了供氣系統穩定性。

圖5 主機耗氣量曲線Fig. 5 Gas consumption curve of main engine

圖6 主機供氣出口壓力曲線Fig. 6 Pressure curve of main engine air supply outlet

另一種工況為供氣系統變壓供氣模式，即供氣壓力隨主機負荷變化而變化。主機負荷與供氣壓力設定值對應關系如表1所示，各個負荷階段對應不同的供氣壓力，且隨著負荷的提升，供氣壓力不斷增加。主機所需供氣壓力與供氣出口壓力曲線圖，如圖7所示。①號曲線為主機負荷變化時所需供氣壓力曲線圖，主機工況從25%→50%→75%→100%加載，再從100%突降至25%，由此驗證供氣壓力是否滿足發動機運行需求；②號曲線為供氣系統主機供氣出口壓力變化曲線，從數據中可以得出，在主機負荷攀升過程中，供氣系統出口壓力在20 s內可調至主機所需供氣壓力，即使主機負荷由100%突降至25%的過程中，供氣出口壓力也在1 min內完成供氣壓力調節，滿足主機供氣需求，驗證了供氣壓力跟隨性良好。

圖7 主機負荷與系統供氣壓力曲線Fig. 7 Curve of main engine load and system air supply pressure

2.2 驗證工藝參數及邏輯合理性

在船舶供氣系統設計初期，借助模擬仿真技術完成系統工藝參數的全范圍驗證，比如管道是否設計過長造成壓降過大，潛液泵最大轉速是否滿足供氣需求，換熱器換熱量是否滿足供氣系統換熱需求等。在變壓供氣模式下，LNG潛液泵選型初期模擬供氣壓力曲線，如圖8所示，左側第一列縱坐標為潛液泵轉速，對應①號潛液泵轉速變化曲線；第二列為供氣壓力，對應②號主機負荷攀升主機所需壓力變化曲線和③號主機供氣出口壓力變化曲線?？梢钥闯?，當主機100%負荷且供氣壓力達到14 Bar時，潛液泵轉速已達6 000 r/min，超過了潛液泵選型最大轉速。通過模擬仿真技術驗證，及時更正了潛液泵選型，為后續供氣系統設計和制造奠定了基礎。

圖8 潛液泵轉速曲線Fig. 8 Speed curve of submerged pump

表1 主機負荷與供氣壓力對應表Tab. 1 Corresponding table of main engine load and air supply pressure

在模擬仿真系統調試過程中，主機供氣出口壓力變化如圖9所示。①號曲線為負荷攀升時，主機所需壓力變化曲線；②號曲線為主機供氣出口壓力變化曲線?？梢钥闯?，主機負荷變化后，供氣壓力表現出波動較大和滯后性，經過對PID參數修正，優化控制邏輯，使得供氣壓力變化滿足主機供氣需求。在此過程中，同時排除了眾多邏輯控制錯誤，如I/O點位錯誤、報警邏輯及動作錯誤、上位機顯示錯誤、控制策略錯誤等，驗證各類操作模式的合理性。

圖9 供氣壓力變化曲線Fig. 9 Variation curve of air supply pressure

3 模擬仿真技術優勢

3.1 縮短設備調試周期

通過運用一系列模擬仿真軟件創建模擬仿真系統，模擬供氣系統復雜的運行過程。在供氣系統設計階段初期，完成工藝參數及控制邏輯的全范圍驗證，提前排除邏輯錯誤，減少實船調試時間，縮短產品開發周期。同時虛擬調試整個過程均在無風險環境下進行，避免工程調試時的錯誤風險，降低了試錯成本。

3.2 提升工程設計質量

在實船試航之前，驗證控制策略及操作模式的合理性，預判供氣系統潛在問題，降低實船調試的復雜性，修正虛擬環境中自動化程序和機器功能，增加系統的確定性和穩定性，使控制系統在實際調試時更能夠滿足客戶的預期效果，確保產品設備正常交付。

3.3 開展虛擬培訓

通過虛擬仿真技術建立全方位、全尺寸的FGSS供氣系統，可對雙燃料機船舶船員進行虛擬培訓?？赏ㄟ^三維可視化模型，使船員全面了解FGSS供氣系統的構造組成，加深對各類設備空間位置、功能作用的了解，也可通過電氣控制系統人機操作界面，使船員熟悉整個供氣系統的工藝流程及操作步驟等，增強培訓效果，縮短培訓周期。

4 結 語

隨著智能制造時代的帶來，如何加快制造業與數字化結合成為了關注的焦點。通過FGSS模擬仿真技術的開發，將供氣系統物理實體全面拷貝到計算機仿真軟件中，實現了從初期工藝流程圖設計，到中期設備選型、自動化程序編制，再到后期系統模擬仿真調試的全流程數字化，在加快開發速度、縮短調試周期、優化機械性能、減少調試風險等方面取得了突破性的進展。通過模擬仿真平臺應用，加快了產品研發生產速度，為后期產品高質量交付奠定了堅實的基礎。