馬義平 許樂(lè)平 趙 睿 楊開亮 李國(guó)祥
(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海201306;2. 上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院 上海201306)
與柴油機(jī)尾氣排放相比,LNG(liquefied natural gas)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣在SOx、CO2以及NOx排放上具有較大程度的降低[1],且LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)還能較好地燃燒LNG運(yùn)輸船舶的BOG(boiling of gas),因此,LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)際船舶開始應(yīng)用。在國(guó)內(nèi),隨著國(guó)家“氣化長(zhǎng)江”戰(zhàn)略的提出,部分內(nèi)河船舶試點(diǎn)進(jìn)行柴油機(jī)的LNG動(dòng)力改造,同時(shí)一些柴油機(jī)廠家也成功開發(fā)了部分LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。然而,自LNG應(yīng)用至今,發(fā)生了多起LNG嚴(yán)重事故[3]。為保證船舶和環(huán)境安全,《國(guó)際船舶安全營(yíng)運(yùn)和防止污染管理規(guī)則》和《中華人民共和國(guó)船舶安全營(yíng)運(yùn)和防止污染管理規(guī)則》都要求船舶關(guān)鍵性操作須有相應(yīng)的操作須知,但由于LNG動(dòng)力船舶剛剛開始,所以此類研究較少。目前主要研究有LNG動(dòng)力船加注模式研究[4-7]、加注躉船池火危險(xiǎn)距離分析[8]、LNG泄漏爆炸危險(xiǎn)后果分析[3]、槽車加注的定量分析評(píng)估[9]以及加注躉船的消防安全技術(shù)[10]等,但對(duì)LNG動(dòng)力船舶在LNG燃料加注過(guò)程中的危險(xiǎn)控制研究目前基本沒(méi)有。因此,本文擬基于LNG動(dòng)力船舶燃料加注技術(shù),對(duì)與加注過(guò)程密切相關(guān)的LNG翻滾、泄漏和火災(zāi)等部分關(guān)鍵危險(xiǎn)源進(jìn)行研究,為L(zhǎng)NG動(dòng)力船舶的安全管理體系建立提供參考。
LNG 燃料水上加注方式主要可分為五類,分別是槽車-船、岸站-船、船-船、躉船-船、海上浮式設(shè)施-船[4]。各加注方式比較和加注注意事項(xiàng)請(qǐng)見(jiàn)表1。
表1 LNG各種加注模式比較及加注注意事項(xiàng)
LNG翻滾現(xiàn)象是指兩層不同密度的LNG 在儲(chǔ)罐內(nèi)迅速上下翻動(dòng)混合, 瞬間產(chǎn)生大量氣化氣的現(xiàn)象,此時(shí)罐內(nèi)LNG 氣化量為平時(shí)自然蒸發(fā)量的10~50 倍[13],最大可達(dá)正常 BOG(boiling of gas)氣量的100 倍[14],翻滾導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)氣壓迅速上升并超過(guò)設(shè)定值, 儲(chǔ)罐超壓[13]。
當(dāng)儲(chǔ)罐底部存在儲(chǔ)滿LNG的較長(zhǎng)豎管,管內(nèi)流體受熱而產(chǎn)生蒸發(fā)氣,當(dāng)氣體產(chǎn)生的浮力足以克服LNG液柱高度產(chǎn)生的壓力時(shí),氣體就會(huì)突然噴發(fā),形成間歇泉。間歇泉也可導(dǎo)致安全閥開啟,故避免設(shè)置過(guò)長(zhǎng)管路,或關(guān)閉豎管底部的截?cái)嚅y,可避免間歇泉[12]。
表2 LNG翻滾原因及預(yù)防措施
LNG 泄漏至地面,從環(huán)境吸熱并上升擴(kuò)散,冷卻周圍空氣至0℃以下,形成一個(gè)可見(jiàn)云團(tuán)(即重氣云團(tuán))。重氣云團(tuán)比空氣重[16],不易稀釋和擴(kuò)散,增加了燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[17]。-107℃以下,云團(tuán)低處存積;-107℃以上,云團(tuán)上升漂浮[12]。當(dāng)環(huán)境提供的熱量不足以氣化泄漏LNG時(shí),便形成液池[18]。
若LNG泄漏至水面,由于熱傳遞非常高,因此LNG將會(huì)快速相變、發(fā)出巨響并發(fā)生爆炸。當(dāng)溫差懸殊的兩種液體接觸,若熱液體溫度比冷液體沸點(diǎn)溫度高1.1倍,熱液體極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以爆炸速度產(chǎn)生大量蒸汽,類似于水落在燒紅的鋼板上立即蒸發(fā)[16]??焖傧嘧兯尫拍芰肯喈?dāng)于幾千克高濃度炸藥,會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)壓,但不會(huì)造成大范圍結(jié)構(gòu)損壞[19]。
LNG泄漏的影響有兩方面,一是對(duì)船體材料低溫破壞,該破壞是已有事故的主要類型[6];二是LNG的蒸汽擴(kuò)散,可能造成燃燒或爆炸。
LNG儲(chǔ)罐下方一般設(shè)置防護(hù)堤或圍堰。GB50156 要求防護(hù)堤頂面比堤面至少高0.8 m[17],當(dāng)防護(hù)堤高度3 m 時(shí),其50% LFL(燃燒下限濃度)距離可以減小50%左右[23]。而圍堰最小體積需為儲(chǔ)罐容積的 100%[17], 當(dāng) LNG 泄漏 10 s時(shí),無(wú)圍堰和有圍堰2 m高平面上天然氣水平擴(kuò)散距離分別為60 m和19 m[24],圍堰可明顯阻擋LNG水平擴(kuò)散。關(guān)于LNG泄漏,約70%發(fā)生在管路系統(tǒng)[6]和閥門處[18],可設(shè)置接液盤、護(hù)板、水幕來(lái)降低其對(duì)甲板和舷側(cè)的低溫影響[6]。
為降低LNG擴(kuò)散影響,可鋪設(shè)低熱源介質(zhì)(如干砂)[25],但更需合理設(shè)置水幕。合理的水幕可將擴(kuò)散安全距離減小50 %以上,危害面積減小60% 以上[26]。云團(tuán)高度為儲(chǔ)罐的 1.5~2 倍時(shí),云團(tuán)才可越過(guò)儲(chǔ)罐頂部擴(kuò)散,儲(chǔ)罐的阻礙作用使儲(chǔ)罐附近云團(tuán)濃度較高,為降低此影響,水幕需安置在泄漏點(diǎn)與儲(chǔ)罐的中間,且水幕高度需在云團(tuán)2倍以上[27]。此外,從控制LNG擴(kuò)散效果來(lái)看,向上實(shí)心錐形水幕>扇形水幕>向下實(shí)心錐形,但水幕易受外界風(fēng)速干擾,風(fēng)速大于4 m/s時(shí)控制效果不好[28]。
因此, 為降低LNG泄漏影響,可預(yù)置接液盤、護(hù)板和水幕等;若泄漏發(fā)生,可視情采用貼堵法或塞堵法,同時(shí)配合使用水幕系統(tǒng)。
表3 LNG泄漏及措施
表4 LNG火災(zāi)的應(yīng)對(duì)措施
蒸汽云在可燃范圍(3.8 %~17 %[19])內(nèi)最小點(diǎn)火能為0.28 MJ[3],在點(diǎn)火源(如靜電火花、 煙頭等)存在條件下就會(huì)發(fā)生火災(zāi),繼而可能會(huì)形成池火、噴射火[10]、火球[19]或爆炸?!盎鹎颉?燃燒幾秒至幾十秒,最大熱流量約150~330 kW·m-2,遠(yuǎn)大于5 kW·m-2的人員接受標(biāo)準(zhǔn);而爆炸還可引起沖擊波破壞[29],若5 m3氣罐完全泄漏爆炸,爆炸點(diǎn)16.64 m范圍內(nèi)的人員如缺少防護(hù)將重傷或死亡。
水幕可阻隔火焰?zhèn)鞑?,使火焰溫度下降約79%[31],熱輻射值降低約1/3,水霧汽化還可窒息滅火[10]。使用帶水位控制器的水幕或手握軟管噴水,可確保LNG 蒸汽團(tuán)加速吸熱,快速上升擴(kuò)散,但禁止水幕對(duì)準(zhǔn)著火點(diǎn)[16],這是因?yàn)椋?/p>
(1)防止LNG相變爆炸;
(2)水會(huì)增大汽化速率,可使火焰高度增大6倍,輻射熱增大3倍,造成燃爆[20]。
另外,除上述原因外,禁止消防水直接沖擊罐體和泄漏部位,也可避免靜電積聚[20]。
LNG泄漏到集液池后,可采用高倍數(shù)泡沫滅火劑覆蓋,除可減少空氣與LNG接觸外,還可降低LNG的蒸發(fā)。高倍泡沫覆蓋1 800 s內(nèi),液池蒸發(fā)量減少了 6.4%[32];而 500 : 1 的高倍數(shù)泡沫更可有效降低LNG 蒸發(fā)速率90% 以上,但最小有效淹沒(méi)深度需 0.64 m[30]。
LNG火災(zāi)可用干粉系統(tǒng)滅火[10,29]。LNG池火最高溫度為945.95℃, 使用超細(xì)干粉抑制后,最高溫度降為249.57℃,降溫 696.4℃[33]。但若火災(zāi)中罐體發(fā)出嘶鳴聲,即預(yù)示將爆炸;此時(shí)應(yīng)迅速組織撤退,撤退距離至少200 m[29]。
因此,L NG火災(zāi)時(shí),可綜合運(yùn)用水幕隔離、消防冷卻、泡沫覆蓋以及干粉滅火。
首先LNG加注前,合理控制管路和罐體的冷卻速度,加注過(guò)程需重點(diǎn)關(guān)注軟管、閥件和接頭等部件的泄漏;其次為預(yù)防LNG罐內(nèi)翻滾,不同產(chǎn)地、不同氣源的LNG需分開儲(chǔ)存,同時(shí)采取合適的進(jìn)料方式; 另外需預(yù)制接液盤、水幕和護(hù)板等預(yù)防LNG泄漏,若泄漏發(fā)生時(shí),用封堵法或塞堵法止漏,同時(shí)水幕系統(tǒng)隔離;最后LNG火災(zāi)時(shí),水幕系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)和干粉系統(tǒng)應(yīng)綜合運(yùn)用。