LNG燃料在客船上的應用研究

應用清潔燃料是降低船舶溫室氣體排放最重要的措施，近年來受到業界的廣泛關注。就目前而言，普遍認為具有應用前景的船舶清潔燃料包括LNG、甲醇、生物柴油、氫和氨燃料，其中，LNG是現階段和短期內應用最廣泛、技術最成熟的清潔燃料。

LNG燃料船動力系統

1.LNG燃料應用現狀

2000年，世界第1艘使用LNG作為燃料的非LNG運輸船“GLUTRA”(汽車/客運渡輪)在挪威運營。2010年以前，LNG燃料動力船舶技術發展緩慢，主要應用在渡輪和工程船上；2011年之后，隨著環保要求不斷提高，LNG燃料動力船舶發展明顯加速，而且開始出現大型化趨勢。2019年12月，國內首艘LNG燃料動力客船“東江湖金龍舫”在湖南省郴州市東江湖正式啟航，開啟了我國LNG清潔能源在客船上應用的序幕，填補了我國LNG燃料動力在客船上應用的空白。2020年3月，俄羅斯天然氣工業股份公司宣布建造俄羅斯首艘LNG燃料動力客船“Chaika LNG”。據統計，2021年全球總共訂購了240 艘LNG動力船。截至2022年1月底，全球已訂購和運營中的LNG動力船總數達到近700艘；至2030年，全球LNG動力船預計將超過4000艘。

2.LNG燃料動力系統

LNG燃料系統一般由燃料加注、燃料儲存、燃料供應、燃料利用四個主要環節以及相關的控制與安全系統所組成(如圖1所示)。

圖1 典型LNG燃料動力船舶燃料系統

加注站是LNG燃料加注操作所在的區域，一般布置在開敞甲板上，通常設有加注接頭、回氣接頭及相關閥件，對于海船，還應設置船岸通訊線路或等效設施，用于與外部加注方進行通信；燃料艙用于在船上儲存LNG燃料，需要良好的耐低溫和絕熱性能，可采用A、B、C型獨立燃料艙或薄膜艙；燃料供應系統負責將LNG制備成發動機所要求的溫度、壓力狀態下的氣體燃料輸送至發動機，通常設有氣化裝置、加熱裝置、調壓裝置及控制系統等。燃料利用是通過發動機或其他用氣裝置(如鍋爐)使用LNG燃料為船舶提供推進動力，目前，LNG發動機已成LNG運輸船和LNG動力船的最主流用氣裝置；控制與安全系統則是確保LNG燃料系統安全、可靠運行的重要保障，包括燃料液位、溫度、壓力監測以及可燃氣體探測、報警、緊急切斷(ESD)等諸多功能。

LNG燃料動力船舶布置要求

LNG燃料船上應用對于布置提出了更多、更高的要求，包括燃料艙布置、機艙布置、管系布置、危險區域或處所出入口布置等要求，其中機艙布置和燃料艙布置是最具代表性的要求。

1.機艙布置

LNG動力船舶允許采用兩種機艙型式，即氣體安全型機艙和緊急切斷(ESD)防護型機艙。

氣體安全型機艙系指在任何情況下(無論是正常狀態下還是發生氣體泄漏情況下)均處于安全狀態的機艙型式。氣體安全型機艙最主要的特征是設置雙壁管，確保當供氣管路發生泄漏時，氣體會被外管所圍蔽，不至于泄漏到機艙中，因此，機艙始終處于氣體安全狀態，機艙的電氣設備也無需采用合格防爆型。

ESD防護型機艙系指船上設置兩個或多個機艙，機艙內允許采用單壁管，但是當一個機艙內發生氣體泄漏時，應立即切斷該機艙的氣體供應，其他機艙內的發動機仍能提供維持船舶推進所需的功率。但是，如果多個機艙之間有共用艙壁時，該艙壁應具備足夠的強度以承受可能發生的爆炸，而不會影響臨近處所。

2.燃料艙布置

燃料艙布置位置主要考慮防止外部碰撞對燃料艙帶來的損害。確定LNG燃料艙位置的方法有確定法和概率法兩種，一般選擇其中一種方法即可。

確定法就是根據技術法規中明確規定的燃料艙距舷側和船底的距離，來進行布置設計。例如，燃料艙距離船殼外板不少于B/5(B為船寬，m)或11.5m，取小者；燃料艙距離船底不少于B/15或2m，取小者等。這種方法操作和執行相對簡單，但設計靈活度低。

概率法則是通過計算燃料艙在船上不同布置位置的碰撞概率，進而判斷其是否滿足給定的衡準，因此為設計者提供了更為靈活的選擇。

風險評估方法與控制措施

風險通�？啥�義為事故發生的頻率和其后果嚴重性的乘積。風險評估的目的是確定風險的分布、識別和評估影響風險水平的因素，分析和評估風險水平，以便采取合理措施使風險控制在可接受的范圍內。從流程上來說，一般包括危險識別、評價單元劃分、風險衡準、風險控制措施等方面。

1.危險識別

危險因素識別方法，包括專家識別法、HAZID(危險源辨識)法、現場調查分析與故障假設法、故障樹分析法、事件樹分析法以及HAZOP(危險與可操作性分析)法等。這些方法都需要參與分析的人員充分“頭腦風暴”，反復討論研究。針對具體評價對象的特點，可以將不同的識別方法有機組合，取長補短，確定相應的危險識別流程。

2.評價單元劃分

評價單元劃分是在危險因素識別和分析的基礎上，根據評價對象的布置方案和特點，以及評價方法的需要，將對象劃分為有限個數、確定范圍的評價單元。評價對象一般是由功能不同、結構不同且相互獨立的若干子系統或裝置組成。各部分的子系統或裝置的組成部分、危險因素也不盡相同。因此，將評價對象劃分為若干單元不僅可以減小系統危險因素識別的工作量，也可以更加全面地識別出評價對象潛在的危險因素。

3.風險衡準與評估

風險水平需要具體的衡準來度量。風險度量有風險矩陣和F-N曲線兩種評估方法。風險矩陣能綜合表示事故發生的頻率和后果嚴重性(如圖2)；F-N曲線能量化的反映某類事故的風險水平。其中“不能容忍”是指風險水平不可接受，需要采取進一步預防措施；“可以忽略”是指風險很小，不需要采取額外措施；“ALARP”是指風險介于上述兩種情況之間。

圖2 風險矩陣

4.風險控制措施

根據風險評估的結果，對中高風險點應考慮采取相應的控制措施，包括：

(1)消除危險源，從源頭上杜絕危險的發生；

(2)降低危險的發生概率；

(3)減小危險的危害程度。

通過以上控制措施，將所有的中高風險點的風險水平控制在可接受的范圍之內，避免不可接受事故的發生。

客船應用LNG燃料的風險評估

1.評估范圍界定

本文開展的客船應用LNG燃料的風險分析，主要考慮LNG燃料給客船帶來的特殊風險，主要包括氣體泄漏、火災、低溫損傷，以及LNG蒸汽擴散導致人員的窒息風險。

2.LNG動力客船評價單元劃分

從功能上，LNG動力客船可以劃分為LNG動力系統所在處所和乘客處所兩大部分。其中LNG動力系統一般包括燃料加注、儲存、供應和利用等功能，分別設有相應的功能處所。因此，本文將LNG動力客船風險評價劃分為四個單元：加注處所、燃料艙處所、機器處所、乘客處所。

3.危險識別

基于上述評價單元，采用前文所述方法對LNG動力客船的不同評價單元的的危險因素識別如下：

 (1)加注站

加注站存在大量LNG管路、接頭、閥件和儀表，泄漏風險較高，因此主要的危險因素包括：

● LNG加注管路泄漏可能造成的船體結構冷脆；

● LNG揮發形成的可燃氣體帶來的燃爆和火災風險；

● LNG蒸氣造成鄰近處所人員的窒息風險。

 (2)燃料艙處所

燃料艙處所存儲有大量LNG，一旦發生事故可能造成嚴重后果，是風險防控的重點區域。燃料艙處所主要的危險因素包括：

● LNG燃料罐及管路泄漏可能造成的船體結構冷脆；

● LNG揮發形成的可燃氣體帶來的燃爆和火災風險。

 (3)機器處所

機器處所含有眾多機器設備，本身存在較大失火風險，加上存在LNG泄漏風險，因此火災危害性較大。機器處所的主要危險因素包括：

● 供氣系統及發動機管路損壞或密封失效產生的可燃氣體泄露而帶來燃爆及火災風險；

● 燃氣泄露導致燃氣供應中斷，影響發動機正常工作帶來的船舶營運風險。

 (4)乘客處所

客船相對于其他類型船舶的主要特點在于船上乘客眾多，人為因素難以預測和防控，一旦發生事故容易造成重大人員傷亡。因此，乘客處所也需要重點考慮，其主要危險因素在于：

● 乘客處所發生火災蔓延至臨近LNG燃料系統區域，引發次生事故；

● 可燃氣體泄漏至乘客處所造成人員窒息；

● 可燃氣體泄漏至乘客處所遇明火發生燃爆。

4.風險評估結果分析

采用風險矩陣方法對上述四個單元的危險因素進行評價，識別出了不能接受的高風險區和合理可行的低風險區(ALARP)所對應的危險源，分析結果如下：

不可接受的高風險區包括：

● 船舶發生碰撞導致燃料艙損壞，造成大量LNG泄漏，引發燃爆和火災；

● 燃料艙處所發生火災，形成池火或噴射火，造成人員傷亡；

● 乘客誤入燃料艙處所和加注站，與低溫設備、液體或蒸氣接觸發生凍傷事故，或引入靜電或明火導致可燃氣體發生燃爆；

● 乘客處所失火且蔓延至燃料艙處所，導致燃料艙受熱壓力劇增甚至結構破壞。

可接受的風險區(ALARP)包括：

● 加注管路破損、閥門或密封失效導致的LNG泄漏及可燃氣體擴散；

● 燃料艙處所由于管路接頭破損、輔助設備失效、接頭密封失效、監測系統及儀表設備故障導致LNG泄漏及可燃氣體擴散；

● 機器處所由于管路損壞、通風失效、密封失效等導致的氣體泄漏；

● 乘客誤入氣體危險區域帶來的不安全因素；

● 可燃氣體擴散到乘客處所，導致的窒息或火災事故；

● 脫險通道及撤離集合地受燃料艙處所池火或噴射火影響導致無法及時撤離。

5.風險控制措施

基于上述風險評估結果，除常規LNG動力船舶的基本安全要求外，建議采取如下措施進一步降低風險水平：

 (1)結構防火

燃料艙與特種處所、滾裝處所和車輛處所的限界面采取合適的防火分隔；

加注接頭與其面向的起居處所、服務處所等設置合理的間距，或采取合適的防火分隔。

 (2)船舶布置

● 燃料艙布置位置與艏部、艉部、舷側均應保持適當的安全距離；

● 供氣管路避免從特種處所通過，或采取有效防護措施；

● 救生艇筏、海上撤離系統的登乘站、集合地點以及脫險通道與燃料艙保持適當的安全距離，或設置物理隔離。

 (3)乘客防護

● 加注作業和設備檢修維護時乘客應撤離船舶；

● 加注站應設置警示標志或物理隔離，避免乘客在船舶營運期間誤入；

● 燃料艙處所和其他氣體危險處所應設置警示標志，避免乘客誤入等。

（作者：周成）