特種船舶的安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張樺育 李翠芳 朱慧敏

摘? ? 要：本文以我司建造的深圳海上危險(xiǎn)品應(yīng)急指揮船為依托，介紹了該船安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)內(nèi)容、流程，旨在為類似船舶的安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：安全防護(hù)系統(tǒng);設(shè)計(jì);試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U665.13 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Based on the Shenzhen maritime dangerous goods emergency command ship built by our company， this paper introduces the design scheme， test content and process of the ship's safety protection system， so as to provide reference for the design and test of safety protection system of similar ships.

Key words： Safety protection system; Design; Test

1? ? ?前言

深圳海上危險(xiǎn)品應(yīng)急指揮船屬于近海航區(qū)特種用途船舶，主要用于深圳東部大鵬灣水域LNG船舶航行監(jiān)護(hù)、錨地監(jiān)控、轄區(qū)危險(xiǎn)品碼頭與作業(yè)水域的安全監(jiān)管，并包括危險(xiǎn)品事故應(yīng)急在內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)綜合應(yīng)急指揮。本船為電力推進(jìn)船，配置有全回轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)器、首側(cè)推進(jìn)器、主柴油發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力鋰電池組、危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、綜合信息化系統(tǒng)和DP等。本船設(shè)計(jì)了安全防護(hù)系統(tǒng)，可用于救援工況。在危險(xiǎn)氣體（主要是LNG）警戒區(qū)域內(nèi)，可單獨(dú)由動(dòng)力鋰電池組為全船動(dòng)力及相關(guān)設(shè)備供電，在7 kn航速的情況下持續(xù)航行時(shí)間不低于2小時(shí)，在此期間艙內(nèi)保持微正壓以保證本船的航行安全。

2? ? ?安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

眾所周知，LNG可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸的條件是在空氣中濃度達(dá)到爆炸極限范圍，且在遇到明火情況下。作為能在LNG泄漏區(qū)域航行的船舶，需考慮以下問題：

（1）如何預(yù)警船外/艙內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度;

（2）如何感知LNG對(duì)船體結(jié)構(gòu)的傷害;

（3）如何防護(hù)船舶不受LNG的侵入;

（4）如何防護(hù)船舶自身受外部火情影響;

（5）選擇何種電源作為維持船舶在LNG泄漏海域安全航行的動(dòng)力等。

基于上面的考慮，需設(shè)計(jì)一套具備感知預(yù)警能力、主/被動(dòng)防護(hù)能力以及能夠維持船舶動(dòng)力的安全防護(hù)系統(tǒng)，建立集成感知、防護(hù)及綜合監(jiān)測(cè)、控制的安全防護(hù)體系。通過安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使得本船具備較強(qiáng)的綜合信息處理能力，能夠承擔(dān)綜合應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)指揮中心的重任;具備履行危險(xiǎn)品作業(yè)監(jiān)管與護(hù)航的能力;能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)LNG等危險(xiǎn)氣體的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，評(píng)估危險(xiǎn)警戒區(qū)域范圍;具備較好的自我防護(hù)功能，可在警戒區(qū)域內(nèi)安全航行。

2.1? 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，安全防護(hù)系統(tǒng)包括：危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣密風(fēng)閘、氣密門/氣密艙口蓋、動(dòng)力電池組、艙室正壓維持系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、低溫探測(cè)系統(tǒng)和二氧化碳脫除裝置等安全監(jiān)測(cè)及防護(hù)設(shè)備，如表1所示。

在救援工況下，本安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一級(jí)指令（定義為室外危險(xiǎn)氣體達(dá)到一定爆炸下限百分比A%時(shí)）和二級(jí)指令（定義為室外危險(xiǎn)氣體達(dá)到一定爆炸下限百分比B%時(shí)，B%>A%），可實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)非防爆設(shè)備的一鍵切斷，以及部分安全防護(hù)設(shè)備功能的激活。此外，為保證本船在危險(xiǎn)氣體警戒區(qū)的航行安全，本船室外還配備了部分防爆設(shè)備，包括防爆雷達(dá)、防爆GPS、防爆燈具等。

2.2? ?系統(tǒng)/設(shè)備功能

2.2.1 危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

主要負(fù)責(zé)在船舶外甲板、通風(fēng)口、對(duì)外走道門等可能和外部發(fā)生空氣交換的關(guān)鍵位置，對(duì)危險(xiǎn)氣體濃度（主要針對(duì)LNG氣體）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。各危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)探頭獲取的氣體濃度信號(hào)接入綜合信息化系統(tǒng)，當(dāng)氣體濃度升高時(shí)在駕駛室、應(yīng)急指揮中心可發(fā)出聲光報(bào)警;另外，本船還配有4臺(tái)便攜式危險(xiǎn)氣體探測(cè)設(shè)備，便于作業(yè)行走人員隨身攜帶，當(dāng)檢測(cè)到人員周邊的危險(xiǎn)氣體濃度達(dá)到設(shè)定百分比的爆炸下限時(shí)，同樣會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。

2.2.2 低溫探測(cè)系統(tǒng)

當(dāng) LNG 泄露到海上后，液態(tài) LNG 會(huì)快速吸收環(huán)境中的熱量并迅速氣化，在這一過程中會(huì)造成周圍環(huán)境溫度的下降，如果在此過程中船的鋼板接觸到 LNG 液體，則可能發(fā)生船舶鋼板脆化崩裂的情況。為了有效感知這種特殊情況，配備了4個(gè)低溫溫度傳感器，布置在船體兩側(cè)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于 0℃時(shí)，溫度傳感器系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)低溫報(bào)警信號(hào)在綜合信息化大屏幕上綜合顯示，指揮人員收到報(bào)警后可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況盡快撤離。

2.2.3 氣密風(fēng)閘

本船配備50余個(gè)氣密風(fēng)閘，主要用于隔絕本船內(nèi)部與外部的空氣交換。氣密風(fēng)閘分布于主船體、主甲板、首樓甲板、A甲板和駕駛甲板，共配置4個(gè)氣密風(fēng)閘控制箱分布于上建，該控制箱與綜合信息化系統(tǒng)有相關(guān)電氣接口。

在控制箱可單獨(dú)或一鍵開閉與該控制箱有電氣連接的風(fēng)閘;在駕駛臺(tái)配置的氣密風(fēng)閘遙控板，也可分別一鍵開閉每個(gè)控制箱的風(fēng)閘;除此之外，救援工況下在綜合信息化系統(tǒng)還可一鍵關(guān)閉全船所有風(fēng)閘（機(jī)艙風(fēng)閘除外），同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任何一個(gè)風(fēng)閘的開閉狀態(tài)，只要任意一個(gè)風(fēng)閘未關(guān)閉到位，綜合信息化系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。作為應(yīng)急使用，氣密風(fēng)閘也可就地手動(dòng)關(guān)閉。

氣密風(fēng)閘的設(shè)計(jì)，還需兼顧救援工況下的船舶安全以及正常航行時(shí)的設(shè)備安全和人員安全。全船凡是軸流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)配備的氣密風(fēng)閘均設(shè)有連鎖功能，即氣密風(fēng)閘關(guān)閉時(shí)風(fēng)機(jī)不能起動(dòng)，而正在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)遇到風(fēng)閘關(guān)閉時(shí)則自動(dòng)停止;此外，全船除機(jī)艙、應(yīng)急發(fā)電機(jī)室的氣密風(fēng)閘在失電或失氣的情況下保持當(dāng)前狀態(tài)外，其余區(qū)域的風(fēng)閘在失電或失氣情況下會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2.2.4? 氣密門/氣密艙口蓋

全船所有對(duì)外開啟的門、艙口蓋均為氣密型，同時(shí)就近安裝有門行程開關(guān)，狀態(tài)信號(hào)均遠(yuǎn)傳至綜合信息化系統(tǒng)，可在該系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察到門、蓋啟閉狀態(tài)。

2.2.5 艙室正壓維持系統(tǒng)

包括呼吸空壓機(jī)、高壓空氣瓶、減壓閥組以及閥控制系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備。主要用于當(dāng)船舶所有開口封閉時(shí)可向人員聚集區(qū)域釋放新鮮空氣，改善船內(nèi)空氣質(zhì)量，保證人員的正常呼吸;同時(shí)保證上建生活區(qū)空氣正壓，有效阻止外界危險(xiǎn)氣體滲入安全區(qū);另外，本船上建設(shè)有氣鎖間，是救援工況下外出作業(yè)人員的唯一進(jìn)出通道，此通道配備內(nèi)外門，當(dāng)外門打開時(shí)同樣也會(huì)釋放氣體以保證正壓，防止危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散進(jìn)艙內(nèi)。

閥控制系統(tǒng)是該正壓維持系統(tǒng)下的控制中心。閥控制箱分本地和遙控兩種模式：本地模式可就地開閉電動(dòng)蝶閥或電磁閥;而遙控模式則為受綜合信息化系統(tǒng)一級(jí)指令和二級(jí)指令控制的模式，其主要功能如下：

（1）送往上述四個(gè)艙室的壓縮空氣由1號(hào)電動(dòng)蝶閥開閉、送往氣鎖間的壓縮空氣由2號(hào)電磁閥開閉;

（2）1號(hào)電動(dòng)蝶閥可由綜合信息化系統(tǒng)的二級(jí)指令開啟;

（3）2號(hào)電磁閥受綜合信息化系統(tǒng)的一級(jí)指令激活。該閥與氣鎖間室外門的行程開關(guān)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)室外門開啟時(shí)自動(dòng)開啟釋放壓縮空氣;而當(dāng)室外門關(guān)閉時(shí)延遲2 s關(guān)閉電磁閥;

（4）當(dāng)綜合信息化系統(tǒng)一級(jí)指令激活的情況下，根據(jù)閥控制箱采集的門開關(guān)信號(hào)，若氣鎖間兩側(cè)的門（一個(gè)為室外門，一個(gè)為室內(nèi)門）被同時(shí)打開，則就地發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào);

（5）救援工況下，在駕駛室、應(yīng)急指揮中心、活動(dòng)室及緊急醫(yī)療救助艙等4個(gè)人員聚集區(qū)域配備有CO2脫除裝置，通過化學(xué)藥劑吸收人員聚集區(qū)艙室內(nèi)的CO2，防止封閉艙室內(nèi)CO2含量超標(biāo)，以改善艙室空氣成分;

（6）水幕系統(tǒng)由2臺(tái)水幕系統(tǒng)海水泵組成，分別布置于左右舷，水幕噴頭及管路也分左右舷兩個(gè)區(qū)。每舷海水泵自該舷海底門吸水供至該舷水幕噴頭，兩臺(tái)海水泵出口管路設(shè)常閉連通閥。實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)面向火場(chǎng)的位置選擇開啟單舷或兩舷的水幕對(duì)本船進(jìn)行保護(hù)，最大限度保證船舶自身的安全;

（7）本船設(shè)置有2套動(dòng)力電池組。在穿越危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散區(qū)域時(shí)，由動(dòng)力電池組代替發(fā)電機(jī)組為船用設(shè)備供電。在此模式下可以繼續(xù)使用的設(shè)備包括吊艙推進(jìn)器、首側(cè)推器、外甲板防爆設(shè)備、部分艙室空調(diào)、冷卻系統(tǒng)、船內(nèi)照明、船內(nèi)通訊等。

動(dòng)力電池組的容量經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，在給定特定負(fù)載供電的情況及保持7 kn航速的情況下，持續(xù)航行時(shí)間不低于2小時(shí);

（8）本系統(tǒng)集成信息采集、控制為一體。在救援工況下，可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體濃度、氣密風(fēng)閘/室外門/室外艙口蓋狀態(tài)信號(hào)、室外低溫信號(hào)以及室外非防爆設(shè)備電源開關(guān)狀態(tài)信號(hào)的采集;實(shí)現(xiàn)正壓維持系統(tǒng)的激活及全船氣密風(fēng)閘（機(jī)艙風(fēng)閘除外）的一鍵關(guān)閉;對(duì)全船室外非防爆設(shè)備、室內(nèi)非必要使用設(shè)備的電源實(shí)行一鍵切斷。

對(duì)于電站管理，綜合信息化的一級(jí)指令使得電站轉(zhuǎn)換為一臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池并網(wǎng)的模式，同時(shí)電網(wǎng)可對(duì)動(dòng)力電池組充電，以保證動(dòng)力電池組盡可能充滿電;綜合信息化的二級(jí)指令使得電站轉(zhuǎn)換為純動(dòng)力電池組供電模式，此時(shí)動(dòng)力電池組為救援工況下的特定負(fù)載供電。

該安全防護(hù)系統(tǒng)由信息化小型一體化機(jī)房、信息化大屏、駕駛室工作站以及救援模式控制箱等組成?？蓪?shí)現(xiàn)在駕駛室、應(yīng)急指揮中心以最高權(quán)限實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)救援工況下的各類重要信息，并根據(jù)室外危險(xiǎn)氣體濃度人為決策是否依次發(fā)出救援工況下的一級(jí)指令和二級(jí)指令;根據(jù)救援工況下對(duì)本船安全防護(hù)使用的需求，設(shè)計(jì)時(shí)整理好信號(hào)清單，作為安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3? ? 安全防護(hù)系統(tǒng)的安裝檢驗(yàn)及注意事項(xiàng)

系統(tǒng)安裝過程中，需注意以下幾點(diǎn)：

（1）感知設(shè)備，如危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探頭，應(yīng)結(jié)合LNG氣體較輕的特點(diǎn)，盡可能裝于各個(gè)區(qū)域的高處，且勿裝于風(fēng)口位置;對(duì)低溫探測(cè)系統(tǒng)中的探頭，應(yīng)分布在船舶四周，且勿安裝于易產(chǎn)生高溫的位置或風(fēng)口;

（2）被動(dòng)防護(hù)設(shè)備，如氣密風(fēng)閘、氣密門/蓋，除對(duì)裝置自身的密性要求外，還需在裝置安裝到位后逐個(gè)進(jìn)行密性試驗(yàn);

（3）主動(dòng)防護(hù)設(shè)備，如正壓維持系統(tǒng)，應(yīng)注意高壓管路的密性驗(yàn)證;水幕系統(tǒng)應(yīng)注意噴頭出水效果是否覆蓋船體外殼構(gòu)成防護(hù)水幕;

（4）針對(duì)安全航行使用的電源，即動(dòng)力電池組，布置安裝時(shí)應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4? ? ?安全防護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

安全防護(hù)系統(tǒng)作為承擔(dān)本船使命任務(wù)的關(guān)鍵系統(tǒng)，除逐個(gè)系統(tǒng)的功能性報(bào)驗(yàn)，還需要進(jìn)行聯(lián)調(diào)，以試驗(yàn)整套流程及功能的合理性和安全可靠性。

4.1? ?試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證本系統(tǒng)的一鍵切斷、一鍵激活功能是否有效;同時(shí)，也應(yīng)驗(yàn)證整套安全防護(hù)流程的合理性，以及是否與船東的人員配備和用船習(xí)慣相符，操作流程是否有不合理之處。

4.2? ? 試驗(yàn)條件

（1）危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣密風(fēng)閘、氣密門/氣密艙口蓋、動(dòng)力電池組、艙室正壓維持系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、低溫探測(cè)系統(tǒng)和二氧化碳脫除裝置等，已單獨(dú)試驗(yàn)并報(bào)驗(yàn)完成;

（2）綜合信息化安全防護(hù)系統(tǒng)界面已完善，且可在信息化大屏、駕駛室工作站顯示;救援模式控制箱作為信號(hào)采集和一/二級(jí)指令輸出的最終執(zhí)行者，需仔細(xì)檢查核對(duì)每一個(gè)輸入輸出通道，包括數(shù)字信號(hào)輸入、模擬量輸入、pt100輸入和數(shù)字信號(hào)輸出等。對(duì)信息化大屏和工作站顯示的信號(hào)，需對(duì)照安全防護(hù)系統(tǒng)信號(hào)清單查看有無缺漏;

（3）開啟綜合信息化系統(tǒng)，調(diào)整至安全防護(hù)界面;開啟信號(hào)接入安全防護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備，諸如危險(xiǎn)氣體探測(cè)器、氣密風(fēng)閘等;確保相關(guān)系統(tǒng)處于安全防護(hù)系統(tǒng)可遠(yuǎn)程遙控的控制模式，如艙室正壓維持系統(tǒng)。

4.3? ?試驗(yàn)流程

（1）一級(jí)指令手動(dòng)操作流程

主要是手動(dòng)關(guān)閉能阻止本船與室外有氣體交換的門、艙口蓋和百葉窗等;手動(dòng)關(guān)閉部分不宜直接切斷電源的設(shè)備;手動(dòng)關(guān)閉或開啟部分閥件;手動(dòng)開啟二氧化碳脫除裝置以確保本船密閉后二氧化碳濃度上升威脅到船員安全;所有手動(dòng)操作完成后應(yīng)復(fù)查檢驗(yàn)，如外門、艙口蓋均可在安全防護(hù)界面里查看狀態(tài)是否處于關(guān)閉。

（2）一級(jí)指令自動(dòng)操作流程

在安全防護(hù)系統(tǒng)界面按下一級(jí)指令按鈕后，全船會(huì)有如下動(dòng)作：大多數(shù)全船室外非防爆設(shè)備以及室內(nèi)非必要使用設(shè)備被切斷;功率管理系統(tǒng)將電站轉(zhuǎn)換為單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池組并網(wǎng)，且動(dòng)力電池處于充電模式;全船氣密風(fēng)閘（機(jī)艙區(qū)除外）被關(guān)閉;正壓維持系統(tǒng)下的氣鎖間電磁閥功能被激活。

上述操作完成后，應(yīng)根據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)信號(hào)清單實(shí)船檢查一下操作是否都被執(zhí)行和反饋到位。如：相應(yīng)負(fù)載的開關(guān)是否被有效切斷;在集控臺(tái)功率管理系統(tǒng)工作站檢查是否單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池并網(wǎng)且電池能被充電;以及氣密風(fēng)閘（機(jī)艙區(qū)除外）是否被關(guān)閉到位等。

（3）二級(jí)指令自動(dòng)操作流程

在確認(rèn)一級(jí)指令操作流程被有效執(zhí)行后，可進(jìn)行二級(jí)指令操作流程。二級(jí)指令發(fā)出后，在網(wǎng)主柴油發(fā)電機(jī)組急停，本船進(jìn)入純電池供電模式;同時(shí)，高壓呼吸空氣瓶開始給上建4個(gè)艙室供應(yīng)呼吸空氣。

與一級(jí)指令一樣，對(duì)二級(jí)指令執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，以確認(rèn)被有效執(zhí)行。本試驗(yàn)需維持2小時(shí)，并保證全船處于微正壓，通過壓差表可讀取數(shù)值。

（4）恢復(fù)正常航行模式

通過安全防護(hù)系統(tǒng)界面接觸一、二級(jí)指令，打開全船氣密風(fēng)閘，啟動(dòng)相關(guān)風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組，并按實(shí)際備航需要依次開啟正常航行所需的相關(guān)設(shè)備。

5? ? ?結(jié)束語

本船的安全防護(hù)系統(tǒng)較為龐大，集成了很多分系統(tǒng)，有非常多的信號(hào)輸入及控制的輸出。在救援工況的設(shè)計(jì)中，需考慮各方面的影響，并通過實(shí)船檢驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)加以改進(jìn)。本文旨在拋磚引玉，為類似船舶的安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考。