中國(guó)船級(jí)社上海分社 焦光遠(yuǎn)

一、引言

天然氣（Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)NG）作為化石中污染最少的能源，熱值相應(yīng)高于煤炭和石油，中國(guó)將大力提高NG在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重，而LNG 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶正借此契機(jī)快速發(fā)展。另外，隨著運(yùn)輸距離的增加，海底管路與液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG，主要組成成分是甲烷，還包括有少量的乙烷和其他重烷烴）船舶運(yùn)輸量正在快速增加。LNG 運(yùn)輸船舶作為高經(jīng)濟(jì)附加值的船型正在得到中國(guó)造船業(yè)的重視，并且發(fā)展速度逐步加快，截止2012年中國(guó)已有16 條LNG 船投入營(yíng)運(yùn)。而LNG 作為易燃易爆危險(xiǎn)品，在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中其安全性和經(jīng)濟(jì)性需要得到格外的重視和考慮?；诖?，本文將分析LNG 運(yùn)輸與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶儲(chǔ)運(yùn)危險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理，介紹其安全防護(hù)安排，并對(duì)LNG 冷能在船舶推進(jìn)裝置上的應(yīng)用安全性做出探討。

二、LNG 運(yùn)輸與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶儲(chǔ)運(yùn)危險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理[1-3]

1.LNG儲(chǔ)存危險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理

LNG 的船舶運(yùn)輸與儲(chǔ)存都是以常壓全冷方式運(yùn)輸?shù)?，即在大氣壓下?163 ℃左右低溫儲(chǔ)存運(yùn)輸。其儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生的危險(xiǎn)主要與LNG 的飽和沸騰有關(guān)。LNG 作為混合物，其沸點(diǎn)隨組分的不同而不同，但船舶運(yùn)輸?shù)腖NG 其甲烷含量均高于85%，因此其沸點(diǎn)溫度大約為-160 ℃，與其存儲(chǔ)溫度相比，僅有3 ℃左右的過(guò)冷度，一旦發(fā)生LNG液貨艙隔熱效果降低或船舶發(fā)生劇烈搖晃，液貨艙中的LNG 會(huì)加速蒸發(fā)，甚至發(fā)生沸騰現(xiàn)象，嚴(yán)重的話會(huì)頂開(kāi)甲板上的壓力釋放閥。

這是因?yàn)長(zhǎng)NG 混合物的特性，其密度和組分的不同會(huì)引起分層，而層與層之間會(huì)產(chǎn)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，上層的液體會(huì)從下層吸收熱量進(jìn)行蒸發(fā)，從而使下層液體處于飽和甚至是過(guò)熱狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生劇烈晃動(dòng)時(shí)，兩層液體迅速混合產(chǎn)生大量氣體，使液貨艙內(nèi)壓力快速升高。另外，當(dāng)LNG液貨艙隔熱效果降低時(shí)，LNG 從外界直接吸收熱量，蒸發(fā)速率加快。如果此時(shí)LNG 船舶壓力釋放裝置不能及時(shí)開(kāi)啟，會(huì)有發(fā)生液貨艙爆炸的危險(xiǎn)。

2.LNG運(yùn)輸危險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理

LNG 船舶運(yùn)輸過(guò)程中，可能由于碰撞、擱淺或操作失誤而造成LNG 液體的泄漏，而泄漏出的LNG 液體與周?chē)h(huán)境進(jìn)行換熱蒸發(fā)沸騰成NG氣體進(jìn)行擴(kuò)散。在這兩個(gè)階段中，由于不同的物質(zhì)屬性會(huì)產(chǎn)生不同的危險(xiǎn)，下面對(duì)其進(jìn)行分別論述。

1）LNG 液體泄漏危險(xiǎn)

當(dāng)LNG 泄漏到甲板時(shí)，-163 ℃的低溫液體能使與其接觸的低合金碳鋼發(fā)生局部冷卻，產(chǎn)生的過(guò)度的熱應(yīng)力會(huì)使船體發(fā)生自發(fā)性脆性破裂，失去延展性，從而危及整個(gè)船體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，如果泄漏的LNG 接觸到裸露的人體皮膚時(shí)，由于LNG 汽化過(guò)程中會(huì)大量吸熱，這將引起人體皮膚的低溫?zé)齻?/p>

當(dāng)LNG 泄漏到水面時(shí)，由于LNG 的低溫特性，泄漏出的LNG 會(huì)從周?chē)h(huán)境吸熱，并發(fā)生沸騰相變?？赡芙?jīng)歷的沸騰方式包括有膜沸騰、過(guò)渡沸騰和核沸騰等常規(guī)沸騰形式，然而在部分關(guān)于LNG 水域排放實(shí)驗(yàn)的記錄中，LNG 還發(fā)生了爆發(fā)沸騰（Explosive boiling，在瞬態(tài)高熱流作用下引發(fā)的一種超常沸騰現(xiàn)象）。比較以上四種沸騰現(xiàn)象的傳熱傳質(zhì)速率，爆發(fā)沸騰遠(yuǎn)高于其他三種沸騰現(xiàn)象，而且所產(chǎn)生的壓力沖擊波足以對(duì)周?chē)沫h(huán)境設(shè)施產(chǎn)生破壞。在爆發(fā)沸騰過(guò)程中，大量的LNG 會(huì)以極快速的方式轉(zhuǎn)變成NG，冷的NG 會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地聚集在船舶或港口區(qū)域，不論對(duì)船舶還是港口設(shè)施甚至人員安全都會(huì)帶來(lái)極大的危害。即使冷的NG 在氣流的作用下得到稀釋和擴(kuò)散，如果沒(méi)能得到燃燒，該部分具有一定濃度的可燃?xì)怏w會(huì)隨風(fēng)飄散到居住區(qū)，造成更大的危害。

當(dāng)LNG 泄漏到地面時(shí)，由于地面相比于水其熱傳導(dǎo)速率較低，而且地面不具有運(yùn)動(dòng)性，這也進(jìn)一步地限制了地面?zhèn)鬟f熱量給LNG 的速率。從而使得在地面上，LNG 只能進(jìn)行較緩慢的常規(guī)沸騰，NG 產(chǎn)生速率較低，使得沖擊波的壓力較低，NG 有相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間在大氣中換熱，重氣云團(tuán)影響時(shí)間較短、區(qū)域較小。簡(jiǎn)而言之，LNG 陸域泄漏產(chǎn)生的危害小于水域泄漏。

由此可見(jiàn)，研究LNG 水域排放爆發(fā)沸騰的發(fā)生機(jī)理，控制爆發(fā)沸騰發(fā)生強(qiáng)度，使泄漏出的LNG 液體在水域以穩(wěn)定且平緩的方式進(jìn)行沸騰，從根本上預(yù)防或者杜絕災(zāi)害的發(fā)生，這對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，減少災(zāi)害損失有著極其重要的工程價(jià)值與社會(huì)意義。

2）NG 擴(kuò)散危險(xiǎn)

無(wú)論LNG 發(fā)生水域泄漏還是陸域泄漏，都會(huì)從外界環(huán)境吸熱而沸騰產(chǎn)生NG，蒸發(fā)沸騰出的NG 初期由于溫度較低，密度大于空氣密度，將在水面或陸面進(jìn)行擴(kuò)散，形成重氣云團(tuán)。進(jìn)一步換熱與空氣混合后，重氣云團(tuán)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?dòng)云團(tuán)擴(kuò)散。當(dāng)云團(tuán)中NG 濃度在5.3%～15%的燃燒爆炸濃度范圍內(nèi)時(shí)，遇點(diǎn)火源將發(fā)生燃燒爆炸危害。

不同的泄漏方式將會(huì)產(chǎn)生不同的燃燒形式。當(dāng)在水面或陸面形成有液池后再遇點(diǎn)火源時(shí)，將發(fā)生池火；當(dāng)從裂口噴射出的NG 被點(diǎn)燃時(shí)，稱(chēng)為噴射火或閃火。當(dāng)燃燒速度過(guò)快，產(chǎn)生過(guò)壓破壞時(shí)，即形成爆炸。如果燃燒發(fā)生在非限制空間，NG 不會(huì)發(fā)生過(guò)壓破壞（爆炸）。但是，當(dāng)可燃范圍內(nèi)的NG 云團(tuán)橫穿或繞過(guò)某一障礙物時(shí)會(huì)被劇烈擾動(dòng)，遇到高壓點(diǎn)火源時(shí)，將引起燃燒速率快速提升。隨著燃燒劇烈程度的增加，造成過(guò)壓損壞。如果燃燒發(fā)生在限制空間，或擴(kuò)散到限制空間時(shí)，NG 云團(tuán)被點(diǎn)燃后將發(fā)生過(guò)壓破壞，造成建筑物嚴(yán)重的損壞。燃燒和爆炸除了會(huì)引起超壓破壞，還會(huì)造成熱力學(xué)損壞，而熱力學(xué)破壞的強(qiáng)度與接觸時(shí)間和熱流量大小有關(guān)。

攝影：Julia Jones

三、LNG 運(yùn)輸與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶安全防護(hù)

1.圍護(hù)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

LNG 運(yùn)輸船舶圍護(hù)系統(tǒng)本身的可靠性是保證LNG 安全儲(chǔ)運(yùn)的重要前提，因此遵循標(biāo)準(zhǔn)與進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)是十分必要的。LNG 運(yùn)輸船舶均采用雙層殼和雙層底結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足2G型船舶的要求，液貨艙距舷側(cè)外板的橫向距離≥760 mm；距船底板的垂向距離≥船寬1/5，最大取2 m；其他任何部位距外板的距離≥760 mm。鑒于其設(shè)計(jì)上充分考慮了安全性，在迄今為止的LNG 運(yùn)輸船舶事故中，尚未發(fā)現(xiàn)有大規(guī)模的LNG 泄漏事故發(fā)生。除此之外，IMO 對(duì)液化氣船的船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備制定了一些規(guī)則，作為國(guó)際性的安全標(biāo)準(zhǔn)。

2.應(yīng)急切斷系統(tǒng)

應(yīng)急切斷系統(tǒng)（ESD）可以保證在LNG 裝卸貨期間，當(dāng)發(fā)生不當(dāng)操作或有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)時(shí)，可以立即切斷或關(guān)閉LNG 輸運(yùn)管線。該系統(tǒng)具有失效保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)正?？刂葡到y(tǒng)故障或事故時(shí)，失效的可能性極小。

3.NG氣體探測(cè)系統(tǒng)

LNG 運(yùn)輸船舶為處理日常蒸發(fā)的NG，大多使用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)裝置。此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)基本上是一臺(tái)普通的四沖程柴油機(jī)，它可利用NG 作為燃料。這就要求在機(jī)艙中布設(shè)有NG 管線，而一旦發(fā)生管線破裂而導(dǎo)致NG 泄漏的話，將會(huì)引起機(jī)艙火災(zāi)與爆炸的危險(xiǎn)。因此，將NG 管線做成雙層管結(jié)構(gòu)，在兩層管壁之間通入壓縮空氣，并布置有NG檢測(cè)裝置，在發(fā)生管路破裂事故時(shí)，一方面可以通過(guò)壓縮空氣流將泄漏出的NG 帶到與管線相連的煙囪處進(jìn)行排放，另一方面通過(guò)NG 檢測(cè)裝置檢測(cè)并報(bào)警，切斷NG 供給，保證機(jī)艙和全船安全。

4.消防系統(tǒng)[4]

在處理LNG 失火時(shí)，推薦使用干粉滅火器，在任何情況下均不要使用水，因?yàn)樗畷?huì)使LNG 汽化速率增加，從而將火焰高度增加6 倍，輻射強(qiáng)度增加3 倍。但在處理NG擴(kuò)散的過(guò)程中，可以使用帶水位控制器的水幕或手握軟管?chē)娝?。這樣將使LNG 蒸汽云團(tuán)加速吸熱，由重氣云團(tuán)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成被動(dòng)擴(kuò)散，增加其上浮的速率并快速擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，降低了對(duì)船面上人和設(shè)備的影響。

5.人身安全保護(hù)

LNG 運(yùn)輸與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶上的人員在接觸低溫氣體、低溫液體時(shí)，必須戴上防護(hù)面罩和皮革手套，穿上無(wú)袋的長(zhǎng)褲和高筒靴、長(zhǎng)袖衣服。在缺氧條件下，需佩戴呼吸裝置。面罩要求在低溫下不會(huì)破裂，衣物要求由專(zhuān)門(mén)的合成纖維或纖維棉制成，且要求尺寸寬大，以防止低溫液體濺落在衣物上，凍傷皮膚。決不允許人員進(jìn)入LNG 池或噴射物中，因?yàn)檫@些防護(hù)用具不能確保安全。只有不存在著火源且需緊急操作時(shí)才能進(jìn)入LNG 蒸氣中。

四、LNG 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶冷能利用安全性分析

在LNG 運(yùn)輸過(guò)程中，LNG 貨物會(huì)不斷受熱產(chǎn)生貨物蒸發(fā)氣，簡(jiǎn)稱(chēng)BOG。處理BOG 的方式不同，決定了LNG 船推進(jìn)裝置的不同。目前LNG 船大部分采用將BOG 在雙燃料鍋爐中燃燒，采用蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置。同時(shí)，也有部分LNG采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電力推進(jìn)裝置和裝有再液化裝置的低速柴油機(jī)推進(jìn)裝置。此外，利用BOG 作為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)裝置也在論證之中。

對(duì)于使用BOG 氣體作為燃料的推進(jìn)裝置來(lái)說(shuō)，在使用過(guò)程中，根據(jù)工況的要求，還需加入強(qiáng)制蒸發(fā)裝置，強(qiáng)制蒸發(fā)部分LNG 液體，將其產(chǎn)生的NG 氣體作為補(bǔ)充BOG 氣體的不足。在強(qiáng)制蒸發(fā)的過(guò)程中LNG 冷能會(huì)被白白浪費(fèi)掉。如何利用這部分冷能成為L(zhǎng)NG 動(dòng)力船舶節(jié)能發(fā)展的一個(gè)重要方向，而冷能利用的同時(shí)也會(huì)給船舶的安全管理帶來(lái)隱患，因此針對(duì)在船上實(shí)現(xiàn)LNG 冷能的利用的兩個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行安全性分析，為提高其營(yíng)運(yùn)安全與經(jīng)濟(jì)性提供理論基礎(chǔ)。

1.對(duì)于使用燃?xì)廨啓C(jī)的LNG 船舶來(lái)說(shuō)，當(dāng)船舶進(jìn)入到熱帶航行時(shí)，氣溫偏高會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的工作效率，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)條件下的功率輸出。此時(shí)，如果能將需要蒸發(fā)的LNG 的冷能轉(zhuǎn)化為對(duì)進(jìn)氣空氣的冷卻，可增加燃?xì)廨啓C(jī)功率15%～20%。

從對(duì)此設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)描述可以看出，其安全隱患主要存在于在利用LNG 冷卻空氣的過(guò)程中，要確保沒(méi)有空氣泄漏入LNG 儲(chǔ)存空間或沒(méi)有LNG 隨空氣進(jìn)入壓氣機(jī)。如果發(fā)生前者的話，會(huì)增加LNG 存儲(chǔ)空間的氧氣含量，一旦未被發(fā)現(xiàn)，會(huì)有火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)。后者發(fā)生的話，LNG 會(huì)吸熱汽化并隨空氣一起在壓氣機(jī)中被壓縮，這一過(guò)程類(lèi)似于內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火原理，有燃燒爆炸危險(xiǎn)。

為避免這一安全隱患，對(duì)于進(jìn)氣冷卻的設(shè)計(jì)需要注意以下兩點(diǎn)：第一，冷卻的空氣在進(jìn)入到燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)后保證不產(chǎn)生冷凝液體，否則將會(huì)對(duì)壓氣機(jī)葉輪產(chǎn)生液擊，這就要求其冷卻溫度不能低于一個(gè)最低溫度值；第二，在不低于最低溫度值的同時(shí)，要使進(jìn)氣溫度盡可能的低，但如果將LNG 直接作為制冷劑冷卻空氣，會(huì)使空氣中的水分凝固發(fā)生冰塞現(xiàn)象，另外，消除LNG 與空氣互相接觸的可能性，要求采用中間制冷劑。因此中間制冷劑的選擇既要保證冷卻效果[5]，又要保證不與LNG 或空氣發(fā)生反應(yīng)，并具有一定的惰性。

2.LNG 在蒸發(fā)沸騰過(guò)程中，其體積變化可達(dá)到600 倍，這為利用其膨脹能做功提供了便利。對(duì)于使用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電力推進(jìn)的LNG 船舶，直接利用LNG 膨脹能做功推進(jìn)船舶航行顯得不合實(shí)際，但是利用其膨脹能作為廢氣渦輪增壓器額外輔助能源來(lái)推動(dòng)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，增加單位時(shí)間進(jìn)氣量從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率是可以實(shí)現(xiàn)的。

在完成此項(xiàng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下三點(diǎn)：第一，在LNG 沸騰換熱的過(guò)程中，換熱器的設(shè)計(jì)極其重要，應(yīng)能使LNG 以一穩(wěn)定的速率進(jìn)行沸騰相變，從而輸出穩(wěn)定的膨脹能；第二，LNG 沸騰換熱速率的數(shù)值模擬計(jì)算工作，這是設(shè)計(jì)換熱器的基礎(chǔ)工作；第三，換熱器的密封設(shè)計(jì)要極其嚴(yán)格，確保LNG 在發(fā)生沸騰換熱后，沒(méi)有任何的NG 外泄出來(lái)，這就要求在換熱器上布置多個(gè)氣體泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)有泄漏應(yīng)立即切斷LNG 的供給，查找漏點(diǎn)消除隱患。

攝影：pgegreenenergy

五、結(jié)語(yǔ)

LNG 船舶雖然被定義為高危險(xiǎn)的特種船舶，但其在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中有良好的安全記錄，這主要?dú)w功于其嚴(yán)格的建造規(guī)范與設(shè)備設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步提高LNG 船舶安全性，本文就LNG 船舶危害發(fā)生機(jī)理和安全防護(hù)管理進(jìn)行了分析。同時(shí)，為提高LNG 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性與安全性，針對(duì)LNG 冷能在船舶上的利用的兩個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了安全性分析，奠定了一定的應(yīng)用理論基礎(chǔ)。

[1]裴永興.中國(guó)液化氣船舶的現(xiàn)狀與安全控制[J].世界海運(yùn),2007,30(2):20-22.

[2]張彬,吳宛青,于桂峰.液化天然氣船舶海上泄漏危害性與風(fēng)險(xiǎn)分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2006,32(4):81-83.

[3]Mike Hightower,Louis Gritzo,et al.Guidance on risk analysis and safety implication of a large LNG spill over water[M].Abuquerque,New Mexico:Sandia National Laboratories,2004.

[4]劉勇.液化天然氣的危險(xiǎn)性與安全防護(hù)[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):105-107.

[5]馬曉茜,廖艷芬.液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)與利用中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J].石油與天然氣化工,2005,34(5):363-367.