22000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船雙燃料系統(tǒng)危險(xiǎn)識(shí)別

黃津津 龔旭誠(chéng)

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

近年來(lái)，世界上一些主要的集裝箱班輪航線為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中占據(jù)有利地位，紛紛訂造超大型集裝箱船。由我院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的22000標(biāo)準(zhǔn)箱超大型集裝箱船為了完全滿足2020年全球限硫（不得使用硫含量超過(guò)0.5%的燃料）的規(guī)定，也為了完全符合《巴黎協(xié)定》關(guān)于氣候變化所提出的相關(guān)目標(biāo)以及IMO關(guān)于如何減少溫室氣體排放的規(guī)定，將使用LNG作為燃料推動(dòng)船舶。

使用LNG作為燃料是真正意義上的技術(shù)的突破，相較于傳統(tǒng)的使用重油作為燃料，使用LNG燃料能夠使船舶減少25%的二氧化碳排放量，減少99%的硫排放，減少99%的細(xì)小顆粒排放，以及減少85%的氮氧化物排放，也將在EEDI的表現(xiàn)上提高20%。超大型集裝箱船儲(chǔ)備功率大，如果采用天然氣替代燃油，將產(chǎn)生巨大的減排效應(yīng)。

1 22000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船概述

達(dá)飛集團(tuán)訂購(gòu)的該型9艘22000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船由我院自主研發(fā)設(shè)計(jì)，中船集團(tuán)旗下兩家船廠負(fù)責(zé)建造，是第一型在超大型集裝箱船上配備LNG燃料系統(tǒng)的船舶。

該型箱船總長(zhǎng)399.9 m、型寬61.3 m、型深33.5 m、設(shè)計(jì)吃水14.5 m，可以在甲板上放置24列集裝箱（甲板下可堆垛12層，甲板上可堆11層）。這批船的平均設(shè)計(jì)航速約為22 kn，與目前航運(yùn)的主流航速相當(dāng)。大型集裝箱碼頭出于安全性考慮，目前暫不允許LNG加注，本船在亞歐航線上的每一個(gè)往返次需由專用加注船加氣一次。航線示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 亞歐航線示意圖

本船的LNG燃料艙采用GTT公司Mark III的薄膜艙技術(shù)，這是為了追求更大的裝箱量以及最小的貨損，其艙容為18600 m3。主機(jī)采用WINGD公司的W12X92DF主機(jī)，主機(jī)最大持續(xù)功率（SMCR）為63840 kW， 副機(jī)為瓦錫蘭公司的34DF柴油機(jī)，總裝機(jī)功率約為25000 kW。在不需任何尾氣后處理措施的情況下，主副機(jī)均能夠完全滿足NOx Tier III的排放要求。燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)采用的是瓦錫蘭公司的低壓燃?xì)庀到y(tǒng)。

2 法規(guī)要求

國(guó)際海事組織（IMO）于2016年6月通過(guò)了《使用氣體或低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱“IGF規(guī)則”），為國(guó)際航行天然氣燃料動(dòng)力船舶的發(fā)展奠定了法規(guī)基礎(chǔ)，該規(guī)則于2017年1月1日生效。在IGF規(guī)則中，涉及到了通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論來(lái)滿足規(guī)則要求，目前較為普遍應(yīng)用的定性評(píng)估方法包括HAZID、HAZOP和FMEA等。HAZOP和FMEA應(yīng)用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的較后期，而在項(xiàng)目初期階段，主要采用HAZID方法評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

HAZID（Hazard Identification，危險(xiǎn)識(shí)別）是一種應(yīng)用于項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，以使得風(fēng)險(xiǎn)在項(xiàng)目早期得到避免或者降低。對(duì)于一艘LNG動(dòng)力船來(lái)說(shuō)，所謂的初步設(shè)計(jì)階段一般是指船舶布置、LNG儲(chǔ)供氣系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)等。在HAZID分析中，也需要考慮外部危險(xiǎn)源，例如船舶航行條件等，這種方法也是船東或設(shè)計(jì)者進(jìn)行HSE（健康、安全、環(huán)境）分析的一種方法。

HAZID的結(jié)論可以作為下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的輸入條件。除了識(shí)別危險(xiǎn)源外，還分析其成因、潛在后果，明確防護(hù)措施和提出降低風(fēng)險(xiǎn)的建議。HAZID通過(guò)工作組成員的“頭腦風(fēng)暴”來(lái)辨識(shí)潛在危險(xiǎn)源，頭腦風(fēng)暴團(tuán)隊(duì)包括船東、設(shè)計(jì)者、船級(jí)社、運(yùn)營(yíng)者等。該工作需要在主持人有序的引民下完成。

HAZID工作中，工作組一般采用“故障假設(shè)法（what-if）”來(lái)識(shí)別危險(xiǎn)，該方法通過(guò)假設(shè)船舶設(shè)備系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障或者外部環(huán)境對(duì)其造成影響來(lái)分析其與預(yù)期正常運(yùn)營(yíng)的偏差。將每一個(gè)假設(shè)問(wèn)題的潛在后果記錄于HAZID表格中，并識(shí)別已有的安全措施；然后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣法評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并給出推薦的安全措施。故障假設(shè)法流程圖見(jiàn)下頁(yè)圖2。

做得比較好的HAZID分析可以給出清晰的危險(xiǎn)和安全措施，其結(jié)論可以確保：

圖2 故障假設(shè)法流程圖

（1）識(shí)別和糾正對(duì)設(shè)計(jì)意圖的偏離；

（2）在成本投資之前，給出HSE建議；

（3）記錄危險(xiǎn)和采取行動(dòng)以避免、減緩危險(xiǎn)或者給出在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)控制措施；

（4）避免設(shè)計(jì)或施工延誤并且避免過(guò)多預(yù)算；減少在調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中的未知危險(xiǎn)等。

風(fēng)險(xiǎn)概率分布以及風(fēng)險(xiǎn)重要等級(jí)分布參見(jiàn)表1、表2。

表1 風(fēng)險(xiǎn)概率分布

表2 風(fēng)險(xiǎn)重要等級(jí)分布

風(fēng)險(xiǎn)矩陣參見(jiàn)表3。在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中，紅色風(fēng)險(xiǎn)為不可接受的高危項(xiàng)，涉及到的風(fēng)險(xiǎn)必須要有合理有效的措施來(lái)處理，而后風(fēng)險(xiǎn)才可降至中等或低等風(fēng)險(xiǎn)；黃色風(fēng)險(xiǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)，需要盡可能的采取相應(yīng)措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)；綠色風(fēng)險(xiǎn)為低等風(fēng)險(xiǎn)，通常認(rèn)為是可接受的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)22000箱雙燃料集裝箱船的特點(diǎn)，我們初步把HAZID分析的節(jié)點(diǎn)分為6個(gè)部分：

（1）燃?xì)鈨?chǔ)存艙及接管區(qū)域；

表3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

（2）燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)；

（3）燃?xì)夤芟担ㄈ細(xì)馓幚黹g至機(jī)艙燃?xì)忾y間）；

（4）燃?xì)饧幼⒄炯凹幼⒐芟担?/p>

（5）透氣管系；

（6）其他。

3 節(jié)點(diǎn)分組

3.1 燃?xì)鈨?chǔ)存艙及接管區(qū)域

由于超大型集裝箱船舶主副機(jī)的功率都比較大，航線也比較長(zhǎng)，所以燃料艙異常龐大。由于LNG液體的密度為450 kg/m3，不到重油密度的一半，熱值比重油略高，換算下來(lái)，LNG燃料艙的容積約為重油艙容積的1.85倍，因此占用了巨大的裝箱空間。

本船的LNG艙位于居住區(qū)下方，前方貨艙底部也占用了一定的空間，艙容約為18600 m3，往返亞歐航線僅需加注一次。這樣布置的好處也顯而易見(jiàn)，可以充分利用船上的空間，使得裝箱量達(dá)到最大。但這樣燃料艙離開(kāi)機(jī)艙較遠(yuǎn)，相應(yīng)的管路更長(zhǎng)，并且由于燃料艙位于居住區(qū)下面，相應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域較難布置，因而給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。

接管區(qū)域（TANK CONNECTION SPACE）位于燃料艙的正上方，液氣穹頂作為燃料艙與外界交互的唯一界面位于該區(qū)域。加注系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)的管子均通過(guò)此房間接至穹頂進(jìn)而與燃料艙相連。

燃料艙及其他區(qū)域位置示意圖如圖3所示。

圖3 燃料艙及其他區(qū)域位置示意圖

3.2 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)

燃?xì)馓幚黹g也位于燃料艙的正上方，與接管區(qū)域相鄰。房間內(nèi)布置有BOG壓縮機(jī)、LNG蒸發(fā)器、NG加熱器、燃?xì)饩彌_柜等設(shè)備，主要是為主副機(jī)提供足夠重量滿足其使用要求的氣體燃料。

燃?xì)庀到y(tǒng)主要分為三個(gè)部分：LNG通過(guò)燃料艙內(nèi)的浸沒(méi)式泵把液體泵至LNG蒸發(fā)器，控制壓力溫度至許用范圍，經(jīng)由燃?xì)饩彌_柜輸送至主副機(jī)；BOG通過(guò)BOG壓縮機(jī)控制輸送壓力，NG加熱器控制溫度，再經(jīng)由燃?xì)饩彌_柜輸送至主副機(jī)；BOG也可通過(guò)壓縮機(jī)輸送至雙燃料鍋爐（作為GCU的替代），緊急工況時(shí)，BOG可通過(guò)旁通路自由流動(dòng)至鍋爐。

3.3 燃?xì)夤芟担ㄈ細(xì)馓幚黹g至機(jī)艙燃?xì)忾y間）

燃?xì)馓幚黹g位于居住區(qū)下方，而燃?xì)庥脩簦ㄖ鳈C(jī)、副機(jī)、鍋爐）位于機(jī)艙，其相距超過(guò)200 m。經(jīng)處理后的燃?xì)饨?jīng)過(guò)位于燃?xì)馓幚黹g的主閥通過(guò)管弄向機(jī)艙供氣。各燃?xì)夤苈吩O(shè)置為滿足IGF要求的雙壁管，配備有足夠容量的通風(fēng)系統(tǒng)及氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)。燃?xì)庠谶M(jìn)入機(jī)艙之前，會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)獨(dú)立的燃?xì)忾y間，燃?xì)忾y間內(nèi)布置有液壓驅(qū)動(dòng)的隔離閥，緊急情況時(shí)可應(yīng)急切斷。燃?xì)忾y間的門通向機(jī)艙，且與此隔離閥連鎖。在隔離閥開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，該閥間的門無(wú)法打開(kāi)。燃?xì)夤芟祱D參見(jiàn)下頁(yè)圖4。

總共有三路通風(fēng)式雙壁管分別為主機(jī)、副機(jī)及鍋爐供氣，且具有不同的設(shè)計(jì)壓力。為鍋爐供氣的雙壁管需要考慮燃?xì)庾杂闪鲃?dòng)的工況。

圖4 燃?xì)夤芟凳疽鈭D

3.4 燃?xì)饧幼⒄炯凹幼⒐芟?/h3>

本船加注站位于LNG燃料艙上方，接管區(qū)域前方的半圍壁處所，其位置充分考慮了與加注船的匹配性。加注站左右舷各一，滿足SGMF規(guī)范（THE SOCIETY FOR GAS AS A MARINE FUEL）對(duì)于加注站的要求。每側(cè)加注站共有2個(gè)液相接頭和1個(gè)氣相接頭，液相總管及氣相總管穿過(guò)燃?xì)馓幚黹g等圍壁處所進(jìn)入接管區(qū)域，其皆為真空式雙壁管，以滿足隔熱及可燃?xì)怏w探測(cè)的要求。

燃?xì)饧幼⒄炯凹幼⒐芟凳疽鈭D參見(jiàn)圖5。

圖5 燃?xì)饧幼⒄炯凹幼⒐芟凳疽鈭D

3.5 透氣管系

透氣管系主要分為兩個(gè)部分。第一部分為L(zhǎng)NG艙以及主屏蔽及次屏蔽的透氣，參見(jiàn)下頁(yè)圖6。LNG艙安全閥后透氣管通過(guò)服務(wù)通道透至艏部透氣桅，該管路也為雙壁管。艏部透氣桅與前桅合二為一，安裝在桅上的設(shè)備需要考慮相關(guān)危險(xiǎn)區(qū)域的影響。主屏蔽的透氣管為獨(dú)立的單壁管，跟隨燃料艙的透氣管一起引至艏部透氣桅，次屏蔽的透氣可根據(jù)廠家推薦就地從主甲板引出，其出口設(shè)置滿足IGF要求的危險(xiǎn)區(qū)。

第二部分為各燃?xì)庥脩簦ㄖ鞲睓C(jī)、鍋爐）GVU的透氣（參見(jiàn)下頁(yè)圖7），各用戶的透氣管主要用于氮?dú)獯祾?，設(shè)置為單壁管，從機(jī)艙引至機(jī)艙區(qū)域透氣桅。需要注意的是，相關(guān)的危險(xiǎn)區(qū)域需要避開(kāi)各通風(fēng)的進(jìn)出口。

3.6 其 他

主要考慮自然災(zāi)害、碼頭加氣端或加氣船對(duì)其的影響，以及其對(duì)周圍環(huán)境及有人區(qū)域的影響。

圖6 L N G艙及主屏蔽透氣管系示意圖

圖7 機(jī)艙各用戶G V U透氣管系示意圖

4 危險(xiǎn)識(shí)別

危險(xiǎn)識(shí)別會(huì)議對(duì)6個(gè)節(jié)點(diǎn)逐個(gè)分析。前面5個(gè)節(jié)點(diǎn)主要是關(guān)于集裝箱船供氣系統(tǒng)本身的影響，第6個(gè)節(jié)點(diǎn)則是關(guān)于環(huán)境對(duì)其的相互影響。

危險(xiǎn)識(shí)別會(huì)議確定了危險(xiǎn)源目錄，主要關(guān)于三個(gè)方面：燃料維護(hù)系統(tǒng)失效/失火；燃?xì)庀到y(tǒng)操作中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)相鄰區(qū)域的影響。

4.1 燃料維護(hù)系統(tǒng)失效/失火

主要考慮LNG泄漏及NG泄漏對(duì)于各節(jié)點(diǎn)的影響：

（1）當(dāng)LNG在各處所的閥門、法蘭或儀表處泄漏時(shí)，其溫度較低會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低溫?fù)p傷，所以要求在可能泄漏處都有耐低溫的集液盤且有泄漏報(bào)警傳感器；

（2）LNG泄漏并氣化成NG時(shí)，封閉艙室（接管處所及燃?xì)馓幚黹g）的壓力會(huì)升高，需配備足夠風(fēng)量的風(fēng)機(jī)；

（3）需在可能存在氣體泄漏的處所安裝氣體探測(cè)傳感器，防止可燃?xì)怏w積聚增加火災(zāi)或者爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；

（4）配備足夠的氮?dú)庀到y(tǒng)，以滿足主屏蔽、次屏蔽或者其他需要氮?dú)怛?qū)氣處所的要求；

（5）防止NG混入乙二醇水系統(tǒng)，造成結(jié)冰的可能，防止乙二醇水泄漏民致的地板濕滑等風(fēng)險(xiǎn)；

（6）雙壁管及燃?xì)忾y間需配備足夠風(fēng)量的抽風(fēng)系統(tǒng)；

（7）加注站位于半圍壁處所，如果自然通風(fēng)不充分，需配備強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)以滿足足夠的換風(fēng)量；

（8）LNG艙的透氣管貫穿封閉處所的部分，需設(shè)置為真空式雙壁管，同時(shí)滿足保溫絕緣及危險(xiǎn)氣體探測(cè)的要求。

4.2 燃?xì)庀到y(tǒng)操作中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)

主要考慮航行中操作，船對(duì)船加注中操作，船舶停靠時(shí)操作，燃?xì)庀到y(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)操作，裝卸貨時(shí)操作對(duì)于各節(jié)點(diǎn)的影響；也考慮一些輔助系統(tǒng)失效，設(shè)備維護(hù)及應(yīng)急情況的風(fēng)險(xiǎn)：

（1）燃?xì)庀牟粔蛎裰氯剂吓搲毫ι?，需設(shè)置消耗多余燃?xì)獾难b置；

（2）燃?xì)獗檬Щ蛘呷剂吓撘何贿^(guò)低可自動(dòng)切換至燃油模式；

（3）姿態(tài)變化民致的動(dòng)態(tài)載荷及燃料艙晃蕩需要進(jìn)行計(jì)算分析，以滿足安全使用的要求；

（4）加注過(guò)熱、過(guò)量的LNG，需有可以消耗額外產(chǎn)生的大量的BOG的裝置，加注錯(cuò)誤甲烷數(shù)的LNG，機(jī)器可自動(dòng)切換至燃油模式；

（5）船舶長(zhǎng)時(shí)間?？繒r(shí)也可消耗所有的BOG；

（6）燃料艙需安裝應(yīng)急排出泵，以滿足應(yīng)急駁出LNG的需要；

（7）燃?xì)馓幚黹g需配備滿足最大備品備件吊運(yùn)的吊物口；

（8）燃料艙及氮?dú)忾g需配備氧氣濃度探測(cè)儀，以防止人員進(jìn)入進(jìn)行檢查維修時(shí)窒息；

（9）燃?xì)饧訜崞鲹p壞不能對(duì)下游管路及閥附件造成低溫?fù)p傷；

（10）兩臺(tái)BOG壓縮機(jī)同時(shí)故障時(shí)，也可以處理所有的BOG氣體；

（11）控制系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)或PLC系統(tǒng)失效時(shí)可自動(dòng)切換至燃油模式；

（12）考慮雙壁管外管凝水積聚造成的影響，控制燃?xì)鉁囟龋残枧鋫浔匾男狗叛b置；

（13）加氣站配備防護(hù)裝置防止航行中大浪沖擊；

（14）考慮系泊失效時(shí)，加注管能夠自動(dòng)脫斷；

（15）考慮集裝箱裝卸貨時(shí)箱子掉落損壞加注管系的風(fēng)險(xiǎn)，裝箱時(shí)碰撞或摩擦產(chǎn)生火花可能點(diǎn)燃泄漏氣體的風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置需要避開(kāi)裝箱區(qū)域；

（16）采用加注船加氣時(shí)，加注管應(yīng)急脫斷會(huì)民致大量LNG泄漏，船殼需要設(shè)置必要的保護(hù)措施；

（17）考慮雨水、結(jié)冰對(duì)艏部透氣桅的影響，需要設(shè)置保護(hù)或加熱裝置；

（18）考慮集裝箱裝卸貨時(shí)箱子掉落損壞艏部透氣桅的風(fēng)險(xiǎn)，裝箱時(shí)碰撞或摩擦產(chǎn)生火花可能點(diǎn)燃泄漏氣體的風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置需要避開(kāi)裝箱區(qū)域。

4.3 對(duì)相鄰區(qū)域的影響

主要考慮對(duì)分析節(jié)點(diǎn)相鄰區(qū)域的影響，比如：艙室進(jìn)水、艙室失火、臨近貨艙失火、機(jī)械設(shè)備振動(dòng)造成的影響，需要在防火、探測(cè)及消防方面作出針對(duì)性的考慮。

4.4 其他影響

主要考慮各種自然災(zāi)害，如大風(fēng)、暴雨、極端高低溫、結(jié)冰或巨浪對(duì)整個(gè)燃?xì)庀到y(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的影響；加氣船在碼頭或海上加氣對(duì)本船的影響，整個(gè)加氣流程需要得到加氣船、碼頭方的一致認(rèn)可；本船發(fā)生泄漏時(shí)對(duì)大氣、海洋產(chǎn)生的影響，以及對(duì)碼頭、人口集聚區(qū)、其他船的影響。這對(duì)船東方的運(yùn)營(yíng)流程也提出了嚴(yán)格的要求，碼頭方也非常關(guān)注這一點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)超大型集裝箱船雙燃料系統(tǒng)的危險(xiǎn)識(shí)別，明確了各類需要考慮的風(fēng)險(xiǎn)源以及操作中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并制訂合理且行之有效的操作流程。船舶各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段就要考慮各種有效的措施來(lái)盡可能的規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)，這在需要滿足IGF要求的新船型開(kāi)發(fā)中非常必要且意義重大。