黃津津 龔旭誠

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

近年來，世界上一些主要的集裝箱班輪航線為了在激烈的市場競爭環(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)計的22000標準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標準箱集裝箱船概述

達飛集團訂購的該型9艘22000標準箱集裝箱船由我院自主研發(fā)設(shè)計，中船集團旗下兩家船廠負責建造，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399.9 m、型寬61.3 m、型深33.5 m、設(shè)計吃水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)計航速約為22 kn，與目前航運的主流航速相當。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往返次需由專用加注船加氣一次。航線示意圖見圖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。主機采用WINGD公司的W12X92DF主機，主機最大持續(xù)功率（SMCR）為63840 kW， 副機為瓦錫蘭公司的34DF柴油機，總裝機功率約為25000 kW。在不需任何尾氣后處理措施的情況下，主副機均能夠完全滿足NOx Tier III的排放要求。燃氣供應(yīng)系統(tǒng)采用的是瓦錫蘭公司的低壓燃氣系統(tǒng)。

2 法規(guī)要求

國際海事組織（IMO）于2016年6月通過了《使用氣體或低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》（以下簡稱“IGF規(guī)則”），為國際航行天然氣燃料動力船舶的發(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，涉及到了通過風險評估結(jié)論來滿足規(guī)則要求，目前較為普遍應(yīng)用的定性評估方法包括HAZID、HAZOP和FMEA等。HAZOP和FMEA應(yīng)用于項目設(shè)計的較后期，而在項目初期階段，主要采用HAZID方法評估風險。

HAZID（Hazard Identification，危險識別）是一種應(yīng)用于項目初步設(shè)計階段的風險分析方法，以使得風險在項目早期得到避免或者降低。對于一艘LNG動力船來說，所謂的初步設(shè)計階段一般是指船舶布置、LNG儲供氣系統(tǒng)流程圖設(shè)計等。在HAZID分析中，也需要考慮外部危險源，例如船舶航行條件等，這種方法也是船東或設(shè)計者進行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設(shè)計的輸入條件。除了識別危險源外，還分析其成因、潛在后果，明確防護措施和提出降低風險的建議。HAZID通過工作組成員的“頭腦風暴”來辨識潛在危險源，頭腦風暴團隊包括船東、設(shè)計者、船級社、運營者等。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）”來識別危險，該方法通過假設(shè)船舶設(shè)備系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障或者外部環(huán)境對其造成影響來分析其與預(yù)期正常運營的偏差。將每一個假設(shè)問題的潛在后果記錄于HAZID表格中，并識別已有的安全措施；然后根據(jù)風險矩陣法評價風險等級，并給出推薦的安全措施。故障假設(shè)法流程圖見下頁圖2。

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

圖2 故障假設(shè)法流程圖

（1）識別和糾正對設(shè)計意圖的偏離；

（2）在成本投資之前，給出HSE建議；

（3）記錄危險和采取行動以避免、減緩危險或者給出在詳細設(shè)計階段的風險控制措施；

（4）避免設(shè)計或施工延誤并且避免過多預(yù)算；減少在調(diào)試和運行過程中的未知危險等。

風險概率分布以及風險重要等級分布參見表1、表2。

表1 風險概率分布

表2 風險重要等級分布

風險矩陣參見表3。在風險矩陣中，紅色風險為不可接受的高危項，涉及到的風險必須要有合理有效的措施來處理，而后風險才可降至中等或低等風險；黃色風險為中等風險，需要盡可能的采取相應(yīng)措施來降低風險；綠色風險為低等風險，通常認為是可接受的風險。

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

（1）燃氣儲存艙及接管區(qū)域；

表3 風險矩陣

（2）燃氣處理系統(tǒng)；

（3）燃氣管系（燃氣處理間至機艙燃氣閥間）；

（4）燃氣加注站及加注管系；

（5）透氣管系；

（6）其他。

3 節(jié)點分組

3.1 燃氣儲存艙及接管區(qū)域

由于超大型集裝箱船舶主副機的功率都比較大，航線也比較長，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，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，可以充分利用船上的空間，使得裝箱量達到最大。但這樣燃料艙離開機艙較遠，相應(yīng)的管路更長，并且由于燃料艙位于居住區(qū)下面，相應(yīng)的危險區(qū)域較難布置，因而給設(shè)計帶來了一定的挑戰(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)的管子均通過此房間接至穹頂進而與燃料艙相連。

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 燃氣供應(yīng)系統(tǒng)

燃氣處理間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、LNG蒸發(fā)器、NG加熱器、燃氣緩沖柜等設(shè)備，主要是為主副機提供足夠重量滿足其使用要求的氣體燃料。

燃氣系統(tǒng)主要分為三個部分：LNG通過燃料艙內(nèi)的浸沒式泵把液體泵至LNG蒸發(fā)器，控制壓力溫度至許用范圍，經(jīng)由燃氣緩沖柜輸送至主副機；BOG通過BOG壓縮機控制輸送壓力，NG加熱器控制溫度，再經(jīng)由燃氣緩沖柜輸送至主副機；BOG也可通過壓縮機輸送至雙燃料鍋爐（作為GCU的替代），緊急工況時，BOG可通過旁通路自由流動至鍋爐。

3.3 燃氣管系（燃氣處理間至機艙燃氣閥間）

燃氣處理間位于居住區(qū)下方，而燃氣用戶（主機、副機、鍋爐）位于機艙，其相距超過200 m。經(jīng)處理后的燃氣經(jīng)過位于燃氣處理間的主閥通過管弄向機艙供氣。各燃氣管路設(shè)置為滿足IGF要求的雙壁管，配備有足夠容量的通風系統(tǒng)及氮氣吹掃系統(tǒng)。燃氣在進入機艙之前，會經(jīng)過一個獨立的燃氣閥間，燃氣閥間內(nèi)布置有液壓驅(qū)動的隔離閥，緊急情況時可應(yīng)急切斷。燃氣閥間的門通向機艙，且與此隔離閥連鎖。在隔離閥開啟狀態(tài)時，該閥間的門無法打開。燃氣管系圖參見下頁圖4。

總共有三路通風式雙壁管分別為主機、副機及鍋爐供氣，且具有不同的設(shè)計壓力。為鍋爐供氣的雙壁管需要考慮燃氣自由流動的工況。

圖4 燃氣管系示意圖

3.4 燃氣加注站及加注管系

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）對于加注站的要求。每側(cè)加注站共有2個液相接頭和1個氣相接頭，液相總管及氣相總管穿過燃氣處理間等圍壁處所進入接管區(qū)域，其皆為真空式雙壁管，以滿足隔熱及可燃氣體探測的要求。

燃氣加注站及加注管系示意圖參見圖5。

圖5 燃氣加注站及加注管系示意圖

3.5 透氣管系

透氣管系主要分為兩個部分。第一部分為LNG艙以及主屏蔽及次屏蔽的透氣，參見下頁圖6。LNG艙安全閥后透氣管通過服務(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)危險區(qū)域的影響。主屏蔽的透氣管為獨立的單壁管，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要求的危險區(qū)。

第二部分為各燃氣用戶（主副機、鍋爐）GVU的透氣（參見下頁圖7），各用戶的透氣管主要用于氮氣吹掃，設(shè)置為單壁管，從機艙引至機艙區(qū)域透氣桅。需要注意的是，相關(guān)的危險區(qū)域需要避開各通風的進出口。

3.6 其 他

主要考慮自然災(zāi)害、碼頭加氣端或加氣船對其的影響，以及其對周圍環(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 機艙各用戶G V U透氣管系示意圖

4 危險識別

危險識別會議對6個節(jié)點逐個分析。前面5個節(jié)點主要是關(guān)于集裝箱船供氣系統(tǒng)本身的影響，第6個節(jié)點則是關(guān)于環(huán)境對其的相互影響。

危險識別會議確定了危險源目錄，主要關(guān)于三個方面：燃料維護系統(tǒng)失效/失火；燃氣系統(tǒng)操作中產(chǎn)生的風險；對相鄰區(qū)域的影響。

4.1 燃料維護系統(tǒng)失效/失火

主要考慮LNG泄漏及NG泄漏對于各節(jié)點的影響：

（1）當LNG在各處所的閥門、法蘭或儀表處泄漏時，其溫度較低會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低溫損傷，所以要求在可能泄漏處都有耐低溫的集液盤且有泄漏報警傳感器；

（2）LNG泄漏并氣化成NG時，封閉艙室（接管處所及燃氣處理間）的壓力會升高，需配備足夠風量的風機；

（3）需在可能存在氣體泄漏的處所安裝氣體探測傳感器，防止可燃氣體積聚增加火災(zāi)或者爆炸的風險；

（4）配備足夠的氮氣系統(tǒng)，以滿足主屏蔽、次屏蔽或者其他需要氮氣驅(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險；

（6）雙壁管及燃氣閥間需配備足夠風量的抽風系統(tǒng)；

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

（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，同時滿足保溫絕緣及危險氣體探測的要求。

4.2 燃氣系統(tǒng)操作中產(chǎn)生的風險

主要考慮航行中操作，船對船加注中操作，船舶?？繒r操作，燃氣系統(tǒng)首次啟動時操作，裝卸貨時操作對于各節(jié)點的影響；也考慮一些輔助系統(tǒng)失效，設(shè)備維護及應(yīng)急情況的風險：

（1）燃氣消耗不夠民致燃料艙壓力升高，需設(shè)置消耗多余燃氣的裝置；

（2）燃氣泵失效或者燃料艙液位過低可自動切換至燃油模式；

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

（4）加注過熱、過量的LNG，需有可以消耗額外產(chǎn)生的大量的BOG的裝置，加注錯誤甲烷數(shù)的LNG，機器可自動切換至燃油模式；

（5）船舶長時間?？繒r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）燃氣處理間需配備滿足最大備品備件吊運的吊物口；

（8）燃料艙及氮氣間需配備氧氣濃度探測儀，以防止人員進入進行檢查維修時窒息；

（9）燃氣加熱器損壞不能對下游管路及閥附件造成低溫損傷；

（10）兩臺BOG壓縮機同時故障時，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)失效時可自動切換至燃油模式；

（12）考慮雙壁管外管凝水積聚造成的影響，控制燃氣溫度，也需配備必要的泄放裝置；

（13）加氣站配備防護裝置防止航行中大浪沖擊；

（14）考慮系泊失效時，加注管能夠自動脫斷；

（15）考慮集裝箱裝卸貨時箱子掉落損壞加注管系的風險，裝箱時碰撞或摩擦產(chǎn)生火花可能點燃泄漏氣體的風險，危險區(qū)域設(shè)置需要避開裝箱區(qū)域；

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

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

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

4.3 對相鄰區(qū)域的影響

主要考慮對分析節(jié)點相鄰區(qū)域的影響，比如：艙室進水、艙室失火、臨近貨艙失火、機械設(shè)備振動造成的影響，需要在防火、探測及消防方面作出針對性的考慮。

4.4 其他影響

主要考慮各種自然災(zāi)害，如大風、暴雨、極端高低溫、結(jié)冰或巨浪對整個燃氣系統(tǒng)各節(jié)點的影響；加氣船在碼頭或海上加氣對本船的影響，整個加氣流程需要得到加氣船、碼頭方的一致認可；本船發(fā)生泄漏時對大氣、海洋產(chǎn)生的影響，以及對碼頭、人口集聚區(qū)、其他船的影響。這對船東方的運營流程也提出了嚴格的要求，碼頭方也非常關(guān)注這一點。

5 結(jié) 語

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