田東方，賈廣付

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071)

LNG動(dòng)力船舶通風(fēng)設(shè)計(jì)與氣體監(jiān)測(cè)

田東方，賈廣付

(青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071)

傳統(tǒng)柴油機(jī)的排放已難以滿足日益嚴(yán)格的公約要求，使用清潔燃料的LNG動(dòng)力船已成為主流趨勢(shì)。LNG燃料具有儲(chǔ)量大、經(jīng)濟(jì)性好、排放污染小等特點(diǎn)，但由于其本身物理特性及船舶設(shè)計(jì)，LNG動(dòng)力船也存在著一定的危險(xiǎn)。針對(duì)天然氣漏泄引起的爆炸和著火，文章介紹了LNG動(dòng)力船舶的通風(fēng)設(shè)計(jì)和可燃性氣體的檢測(cè)，通過加強(qiáng)通風(fēng)、安裝氣體探測(cè)器、使用全熔透對(duì)焊接頭管路等措施[1]有效防止天然氣漏泄，提高船舶安全系數(shù)。

LNG 動(dòng)力船舶 爆炸與著火 加強(qiáng)通風(fēng) 可燃性氣體監(jiān)測(cè)

0 引言

近年來全球溫室效應(yīng)日益加劇，船舶排放導(dǎo)致的大氣污染已成為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)由船舶所排放的CO2、SOX和NOX分別占全球總排放量的6%、20%和30%。隨著強(qiáng)制性國(guó)際公約、規(guī)則的不斷完善，船舶排放要求也越來越高，如2013年強(qiáng)制實(shí)施的EEDI標(biāo)準(zhǔn)，2015年生效的新ECA排放標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)燃油柴油機(jī)已難以滿足要求，航運(yùn)界正積極應(yīng)對(duì)：一方面加強(qiáng)節(jié)能減排新技術(shù)的研究，例如使用低硫燃料、安裝氣體吸收裝置等，另一方面尋求綠色能源作為船舶燃料，如LNG。由于其本身特性，LNG燃料在使用中存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需在船舶設(shè)計(jì)及建造中多加注意。

1 LNG燃料特點(diǎn)

液化天然氣(LNG)作為清潔燃料，與燃油相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)污染物少。天然氣本身不含硫、碳?xì)浔壤^低，其排放物中二氧化硫幾乎為零，氮化物最多降低80%，二氧化碳降低20%左右，排放物中幾乎不含固體顆粒排[2]，能夠達(dá)到規(guī)范要求。

2)經(jīng)濟(jì)性。 與燃油相比，LNG的價(jià)格較低，僅為燃油的四分之三左右，使用LNG燃料可以節(jié)約20%的成本，大大提高了船舶的經(jīng)濟(jì)性[3]。

3)儲(chǔ)量豐富。目前世界石油儲(chǔ)量約為1.8萬億桶。如果按現(xiàn)有石油消費(fèi)水平，僅供開采46年。而目前已探明的天然氣儲(chǔ)量約170萬億立方米，遠(yuǎn)超過石油儲(chǔ)量。

2 LNG動(dòng)力船舶發(fā)展前景

早在2000年DNV船級(jí)社就已開始LNG動(dòng)力船的研究并為之制定相應(yīng)的規(guī)范，隨后MAN和瓦錫蘭相繼開始雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，目前已有多種機(jī)型裝配在船。為滿足相關(guān)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)綠色環(huán)保，LNG動(dòng)力船舶必將成為未來主流趨勢(shì)。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2015年，以LNG為燃料的新船訂單將達(dá)到500艘，到2020年將達(dá)到數(shù)千艘。LNG燃料技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)LNG的駁運(yùn)、加注、儲(chǔ)存等鏈接服務(wù)也變得越來越完善，例如我國(guó)已有多個(gè)港口具備LNG加注能力，為L(zhǎng)NG動(dòng)力船舶的正常營(yíng)運(yùn)提供了保障。

圖1 LNG與燃油排放對(duì)比

圖2 LNG動(dòng)力船發(fā)展

3 天然氣爆炸與著火

LNG作為船舶燃料具有明顯優(yōu)勢(shì)，但因其物理性質(zhì)及超低溫儲(chǔ)存等特點(diǎn)，使用過程中也存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，例如漏泄會(huì)引起低溫凍傷、低溫麻醉、窒息及冷爆炸等。其中對(duì)船舶危害最大的應(yīng)屬天然氣爆炸及著火。天然氣爆炸必須滿足兩個(gè)條件：一是與空氣混合，且比例在5%-15%之間。二是遭遇明火。在船舶設(shè)計(jì)和實(shí)際工作過程中應(yīng)注意采取措施阻斷兩個(gè)條件的發(fā)生，確保船舶安全運(yùn)營(yíng)。天然氣著火是純氣體燃燒，具有火焰溫度高、熱輻射強(qiáng)度大等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅人身和設(shè)備安全。由于LNG超低溫儲(chǔ)存特性，泄漏后會(huì)迅速蒸發(fā)擴(kuò)散，根據(jù)漏泄點(diǎn)與火源的距離分為池火和噴射火兩種。若LNG一直持續(xù)漏泄，而氣云在擴(kuò)散一段時(shí)間后才遇到火源，此時(shí)火焰可能燒回，形成池火。若在泄漏后即接觸火源，則會(huì)形成噴射火。當(dāng)著火發(fā)生在狹窄空間，氣云的擴(kuò)散被限制或遭遇加劇燃燒的物質(zhì)，燃燒有可能演變?yōu)楸?，進(jìn)一步危害船舶安全。

4 通風(fēng)與檢測(cè)

LNG動(dòng)力船的設(shè)計(jì)不同于燃油動(dòng)力船，要防止天然氣漏泄，加強(qiáng)安全保護(hù)。例如：選用增強(qiáng)安全型機(jī)艙[4]；采用雙壁管形式供氣管路；管路采用經(jīng)X射線和滲透檢測(cè)的全熔透對(duì)焊接頭；合理劃分危險(xiǎn)區(qū)域，選用符合規(guī)范的電氣設(shè)備，消除或隔離引燃源；加強(qiáng)通風(fēng)，防止可燃性氣體的堆積；加強(qiáng)可燃性氣體的監(jiān)測(cè)與報(bào)警；加強(qiáng)火警探測(cè)，完善消防措施；加強(qiáng)供氣保護(hù)[5]等。通過以上措施的實(shí)施，可有效降低LNG動(dòng)力船的事故發(fā)生率，使其安全水平達(dá)到人們的要求。以下 主要從通風(fēng)和氣體監(jiān)測(cè)兩方面進(jìn)行討論：

1)增強(qiáng)通風(fēng)，防止可燃性氣體堆積

通風(fēng)主要是為了阻止可燃性氣體的積聚，將漏泄氣體及時(shí)排除。根據(jù)DNV、CCS等要求，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該由多個(gè)獨(dú)立風(fēng)機(jī)構(gòu)成，且當(dāng)任意一組失效時(shí)其通風(fēng)能力應(yīng)能維持在50%以上。通風(fēng)管道應(yīng)相對(duì)獨(dú)立，進(jìn)出口遠(yuǎn)離火源，安裝高度符合規(guī)范要求且?guī)в蟹雷o(hù)網(wǎng)。風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)選用非火花結(jié)構(gòu)并具有良好的抗靜電性，考慮到電動(dòng)機(jī)可能產(chǎn)生的電火花形成著火源，電動(dòng)機(jī)應(yīng)安裝在通風(fēng)管外部。LNG動(dòng)力船應(yīng)從以下處所加強(qiáng)通風(fēng)：

(1)供氣管道。例如采用高壓供氣系統(tǒng)的MAN-MEGI雙燃料主機(jī)，其供氣噴射閥設(shè)在缸頭。供氣管及噴射閥集全部采用雙壁管，其環(huán)形空間要進(jìn)行抽吸式通風(fēng)，空氣可由主機(jī)掃氣出機(jī)艙處引出，流動(dòng)方向與內(nèi)管燃料相反，通風(fēng)量不小于30次/小時(shí)。為有效監(jiān)測(cè)通風(fēng)，通風(fēng)進(jìn)口處設(shè)有流量傳感器，其信號(hào)傳至主機(jī)控制系統(tǒng)。當(dāng)雙壁管無法維持正常通風(fēng)量時(shí)將主供氣閥關(guān)閉，停止燃?xì)夤?yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)從燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)為燃油模式。

采用低壓供氣系統(tǒng)的瓦錫蘭DF系列發(fā)電原動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)類似，但考慮到進(jìn)出港、裝卸貨時(shí)用電量較大，可能多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作，為確保每臺(tái)機(jī)器的通風(fēng)量都能同時(shí)滿足最低要求，可在每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)新風(fēng)入口處安裝風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。

圖3 主機(jī)供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)圖

圖4 閥箱通風(fēng)系統(tǒng)

(2)供氣室。供氣室里有多個(gè)LNG處理設(shè)備，難免發(fā)生氣體漏泄，因此供氣室需要安裝排風(fēng)機(jī)，使其密閉空間通風(fēng)量不小于30次/小時(shí)。此外泵或壓縮機(jī)可與風(fēng)機(jī)做成連鎖模式，只有在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行10分鐘后泵和壓縮機(jī)方可啟動(dòng)。

(3)閥箱。機(jī)艙內(nèi)供氣管路上設(shè)有多個(gè)閥件，所有閥件均布置在一個(gè)氣密的密封筒內(nèi)，稱為閥箱(GVU)，利于管理和監(jiān)控。閥件在長(zhǎng)時(shí)間使用后有可能密封不嚴(yán)導(dǎo)致氣體漏泄，使閥箱變?yōu)楦呶^(qū)域，為此GVU應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立通風(fēng)。

(4)曲軸箱。主機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)，曲軸箱內(nèi)無可燃性氣體，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障例如活塞環(huán)和缸套相互磨損嚴(yán)重，可燃性氣體可能漏泄至曲軸箱并形成堆積，因此曲軸箱要進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)。為減少管路的復(fù)雜性，可將風(fēng)機(jī)安裝在曲軸箱透氣管上。

(5)排煙總管。對(duì)于四沖程柴油機(jī)來說，由于氣閥重疊角的存在，排氣總管中難免存在可燃性氣體，因此需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。排氣管應(yīng)傾斜向上布置，且配有排出式風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)在停車后仍繼續(xù)工作，及時(shí)將管內(nèi)殘留的可燃性氣體排出。

2)加強(qiáng)檢測(cè)，完善報(bào)警系統(tǒng)

可燃性氣體濃度監(jiān)測(cè)是防止LNG動(dòng)力船舶事故發(fā)生的一種有效的措施。當(dāng)探頭所在區(qū)域的天然氣濃度超過設(shè)定范圍時(shí)能迅速發(fā)出聲光報(bào)警并準(zhǔn)確顯示漏泄區(qū)域，便于查找和維修。根據(jù)船級(jí)社相關(guān)規(guī)定，用于可燃性氣體探測(cè)的探頭均為獨(dú)立管線、獨(dú)立電源和獨(dú)立信號(hào)，探頭相互支持相互備份，且能夠連續(xù)性工作，確?？扇?xì)怏w探測(cè)的可靠性。LNG動(dòng)力船舶應(yīng)對(duì)以下幾處進(jìn)行可燃性氣體監(jiān)測(cè)：

(1)主機(jī)上方應(yīng)設(shè)有兩套相互獨(dú)立的氣體探測(cè)裝置，并能覆蓋整個(gè)機(jī)器處所，其聲光報(bào)警布置在駕駛室和集控室。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置，同時(shí)切斷通往機(jī)艙的氣體燃料供應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為燃油模式。

圖5 機(jī)艙頂部可燃?xì)怏w探測(cè)器

(2)由于閥箱屬于密閉空間且存在漏泄可能，故需安裝可燃?xì)怏w探測(cè)器，一般為兩個(gè)。當(dāng)任意一個(gè)探測(cè)到可燃?xì)怏w濃度高于20%LEL時(shí)，發(fā)出報(bào)警；當(dāng)兩個(gè)同時(shí)探測(cè)到可燃?xì)怏w濃度高于40%LEL時(shí)，停止燃?xì)夤?yīng)，轉(zhuǎn)為燃油模式運(yùn)行。此外該處探測(cè)器還與主機(jī)控制系統(tǒng)相連接,兼具模式轉(zhuǎn)換前的檢測(cè)功能。當(dāng)主機(jī)從燃油轉(zhuǎn)為燃?xì)饽Ｊ綍r(shí)，閥箱必須預(yù)先進(jìn)行探測(cè)，符合要求后才允許轉(zhuǎn)換。

(3)為監(jiān)測(cè)雙壁管漏泄，其通風(fēng)出口處安裝兩個(gè)相互獨(dú)立的可燃性氣體探測(cè)器。當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到漏泄時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警，主燃?xì)忾y自動(dòng)關(guān)閉，管路透氣閥開啟，主機(jī)從燃?xì)饽Ｊ睫D(zhuǎn)為燃油模式，同時(shí)向?qū)Ч軆?nèi)充注惰性氣體(干燥的氮?dú)?，通風(fēng)量自動(dòng)調(diào)整為10次/時(shí)。如圖3。

(4)儲(chǔ)罐中貯存了大量的液態(tài)天然氣，一旦發(fā)生泄漏會(huì)迅速變成高危區(qū)域，并對(duì)周邊人員造成低溫傷害，因此需在儲(chǔ)罐上方安裝可燃性氣體探測(cè)器，全天候監(jiān)測(cè)。當(dāng)漏泄發(fā)生后能及時(shí)觸發(fā)駕駛室的聲光報(bào)警，同時(shí)關(guān)閉儲(chǔ)罐上的供氣閥，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為燃油模式運(yùn)行。

圖6 儲(chǔ)罐可燃?xì)怏w探測(cè)

(5)供氣室是密閉艙室，人員出入頻繁，應(yīng)在其頂部安裝可燃性氣體探測(cè)器，當(dāng)檢測(cè)到濃度超過規(guī)定范圍時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警，觸發(fā)緊急關(guān)閉裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為燃油模式。

(6)噴入氣缸的氣體燃料有可能通過活塞環(huán)漏泄至曲軸箱，從而在曲軸箱形成積聚，因此要求曲軸箱除裝有油霧濃度探測(cè)器之外，還裝有可燃性氣體探測(cè)器，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警，并轉(zhuǎn)換為燃油模式運(yùn)行。

5 結(jié)論

通過與傳統(tǒng)燃油比較，闡述了LNG燃料的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，描繪了LNG動(dòng)力船的發(fā)展前景， 重點(diǎn)介紹了天然氣爆炸與著火的原因，并根據(jù)船級(jí)社要求，對(duì)管道、GVU、供氣室等單元進(jìn)行了合理通風(fēng)設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)了危險(xiǎn)區(qū)域的可燃性氣體監(jiān)控，并伴有聲光報(bào)警及保護(hù)措施。通過加強(qiáng)通風(fēng)能力及全方位的可燃性氣體監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏泄，防止可燃性氣體堆積，減少事故發(fā)生的可能性，為L(zhǎng)NG動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，為L(zhǎng)NG動(dòng)力船舶安全保護(hù)措施的建設(shè)指明了方向。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 天然氣燃料動(dòng)力船規(guī)范[S]. 2013.

[2] 梁時(shí)中. Wartsila dual-fuel engines[R]. Wartsila China LTD. 2012.

[3] 李博洋, 胡德棟. VLCC船LNG燃料儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)[J].船舶工程, 2015, 37(3), 20-23.

[4] 何曉聰, 周瑞平. LNG燃料動(dòng)力船機(jī)艙設(shè)計(jì)研究[J].造船技術(shù), 2013, 316(60),

[5] 李博洋, 張運(yùn)秋. 液化天然氣船貨物操作仿真器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)航海, 2014, 37(3)∶ 76-80.

[6] 國(guó)際海事組織. 國(guó)際氣體燃料船舶安全規(guī)則[S]. 2012.

Ventilation Design and Gas Detection for LNG Powered Ship

Tian Dongfang, Jia Guangfu
(Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

It is difficult for traditional diesel engine emission to meet the requirements of increasingly stringent conventions. LNG powered ship becomes a mainstream trend. As clean fuel, LNG has large reserves, good economy, low emission pollution, etc, but because of its physical properties and ship design, LNG powered ship also exists certain risk. Aimed at explosion and fire caused by gas leakage, this article introduces the LNG powered ship ventilation design and inflammable gas detection, by strengthening ventilation, installing gas detectors, using full penetration butt joint measures pipes[1]effectively prevent gas leakage, improve the safety factor of the ship.

LNG powered ship; explosion and fire; strengthen ventilation; inflammable gas detection

U 664

A

1003-4862(2015)08-0051-04

2015-05-29

田東方（1987-），男，助教。研究方向：液化氣船新技術(shù)應(yīng)用。