楊 進，趙 佳，姜 磊，徐曉健

應(yīng)用研究

內(nèi)河純電動旅游客船安全風(fēng)險評估

楊 進1，趙 佳1，姜 磊2，徐曉健2*

（1. 中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北宜昌 443002；2. 交通運輸部水運科學(xué)研究院，北京 100088）

為了提升船舶的整體安全性，保證純電動旅游客船在長江流域的安全可靠航行，本文基于FMEA分析對純電動旅游客船的關(guān)鍵系統(tǒng)直流組網(wǎng)系統(tǒng)和電池動力系統(tǒng)可能存在的高風(fēng)險進行了識別，并提出了相應(yīng)的建議措施，采用HAZID分析，對純電動旅游客船過升船機過程中存在的中風(fēng)險進行了分析，同時提出了降低或消除風(fēng)險的建議措施。同時，分別面向船舶、純電動旅游客船的航運企業(yè)、通航管理部門等提出了相應(yīng)的安全監(jiān)管措施進一步為純電動旅游客船的運行保駕護航。

純電動旅游客船 安全風(fēng)險 直流組網(wǎng) 電池動力系統(tǒng) 升船機

0 引言

為積極應(yīng)對全球氣候變暖，實現(xiàn)航運業(yè)溫室氣體的減排，國際海事組織（IMO）提出到2050年全球航運業(yè)溫室氣體排放總量比2008年減少至少50%[1]。在此背景下，積極發(fā)展綠色船舶，促進清潔能源在船舶的應(yīng)用具有重要意義。

純電池動力船舶以蓄電池作為船舶動力，具備能耗低、排放少、安靜低噪的特點。目前，純電池動力船舶已在豪華郵輪、客船等得到了成功應(yīng)用，如：挪威2014年建造，2015年投入運營的全球第一艘大型純電動船“Ampere”號，我國首艘大型純電動客船“君旅號”等[2, 3]，如圖1所示。

與遠洋航運航程遠、行駛環(huán)境復(fù)雜多變的特點相比，內(nèi)河運輸范圍小、航線里程短，更適合純電池動力船舶的發(fā)展。全球載電量最大的7.5 MW大容量純電動旅游客船“長江三峽1”已于2022年3月29日在湖北宜昌完成首航，如圖2所示[4]。該船的成功首航將有效填補了電動游輪領(lǐng)域內(nèi)多項技術(shù)研究應(yīng)用的空白，極大促進我國內(nèi)河純電動旅游客船的發(fā)展。

圖1 國內(nèi)外已投入運營的典型純電池動力船舶

“長江三峽1”純電動旅游客船配備了直流組網(wǎng)系統(tǒng)和大容量船舶動力電池，可適應(yīng)船舶在葛洲壩船閘、三峽船閘、三峽庫區(qū)、長江航道等區(qū)域的安全航行。為保證船舶的整體安全性，應(yīng)對純電動旅游客船進行安全風(fēng)險評估，識別船舶關(guān)鍵系統(tǒng)以及船舶營運過程中的潛在風(fēng)險因素，并提出相應(yīng)風(fēng)險控制措施。

圖2 “長江三峽1”純電動游輪

1 船舶基本信息及航線

“長江三峽1”純電動旅游客船為單體、三機三槳的電力推進船舶，主要系統(tǒng)包括：電池動力系統(tǒng)、直流組網(wǎng)系統(tǒng)、電力推進系統(tǒng)以及消防通風(fēng)系統(tǒng)等。其中：電池動力系統(tǒng)共設(shè)15組499.6 kWh磷酸鐵鋰電池單元，分布于四個電池艙，為“長江三峽1”純電動旅游客船推進及日常負(fù)荷提供電力電源。船舶采用直流組網(wǎng)方式，將船舶上的岸電電源、鋰電池組與用電負(fù)載通過變頻器組網(wǎng)連接，通過直流母線對整個電氣功率進行分配。三臺全回轉(zhuǎn)舵槳裝置和三臺推進電機安裝在尾部的舵槳艙內(nèi)。

“長江三峽1”純電動旅游客船運行于“兩壩一峽”間，兩壩一峽為從三峽大壩至葛洲壩中間長達37公里的長江航道上的天然大峽谷。該河段屬于長江干流上游河段，上起鷹子嘴，下至葛洲壩樞紐三江航道上游王家溝。兩壩間航道由于受三峽電站調(diào)峰和葛洲壩電站反調(diào)節(jié)的影響呈現(xiàn)J級航道的特點，航道長31000 m，寬400 m，深30 m以上，允許6000 t級船隊通航。

“長江三峽1”航行區(qū)間通過三峽升船機，三峽升船機是三峽工程的通航設(shè)施之一，主要作用是為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道。三峽升船機工程布置在樞紐左岸，位于雙線五級船閘右側(cè)，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等部分組成，從上游口門至下游口門升船機工程全線總長約7300 m。

2 純電動旅游客船安全能力評估方法

在對純電動旅游客船進行安全風(fēng)險評估時，主要采用失效模式與影響分析（FMEA）對“長江三峽1”的直流組網(wǎng)系統(tǒng)和電池動力系統(tǒng)進行安全能力評估，采用危險源辨識（HAZID）方法對“長江三峽1”過升船機過程中存在的安全風(fēng)險進行識別。

2.1 基于FMEA的直流組網(wǎng)系統(tǒng)和電池動力系統(tǒng)安全能力評估

FMEA是一個對相關(guān)故障模式識別并對環(huán)境、人員、設(shè)備等影響定性分析的綜合方法。在FMEA中，通過將系統(tǒng)有層次的劃分為子系統(tǒng)，對層次結(jié)構(gòu)中的每個分組進行FMEA，其分析流程如圖4所示。

根據(jù)圖4所示，純電動旅游客船的直流組網(wǎng)系統(tǒng)和電池動力系統(tǒng)的FMEA具體流程[5]：

1）確定純電動旅游客船的分析邊界，包括：船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)和電池動力系統(tǒng)。

2）識別每一系統(tǒng)/部件的故障模式，其中，船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)的故障模式主要包括：冷卻系統(tǒng)故障、功率模塊直流側(cè)故障、直流母線故障、直流組網(wǎng)控制系統(tǒng)故障等；電池動力系統(tǒng)的故障模式主要包括：主動力鋰電池系統(tǒng)故障、動力系統(tǒng)輔助系統(tǒng)故障（如：空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等）等。

3）對每一系統(tǒng)及部件的重要故障模式進行分析，分析內(nèi)容包括失效模式、失效原因、失效影響，綜合考慮故障模式的發(fā)生概率和嚴(yán)重程度確定各故障的風(fēng)險等級，并提出有助于改善失效模式的安全措施。其中故障模式的發(fā)生概率和嚴(yán)重程度劃分可參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7826-2012。

4）對上述分析內(nèi)容進行記錄。

5）對下一系統(tǒng)或部件進行分析。

圖3 FMEA分析流程

2.2 基于HAZID的船舶過升船機安全風(fēng)險識別

HAZID分析包括：識別潛在危險源，分析起因和導(dǎo)致的后果，提出建議消除、規(guī)避、控制或降低風(fēng)險。

HAZID分析主要由工作組采用“故障假設(shè)法（what-if）”來識別危險，通過假設(shè)船舶初步設(shè)計中的問題，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，并識別已有的或準(zhǔn)備設(shè)計的安全措施。然后評價風(fēng)險等級，并給出推薦做法?；贖AZID的船舶過升船機安全風(fēng)險識別流程主要包括[6,7]：

1）劃分節(jié)點。將純電動旅游客船過升船機的過程分為錨地等待、航行至升船機期間、船舶過升船機期間等節(jié)點。本文重點關(guān)注船舶過升船機期間的潛在安全風(fēng)險。

2）確定主要引導(dǎo)詞或危險源。純電動旅游客船過升船機過程中的主要引導(dǎo)詞為碰撞、火災(zāi)、沉船、觸碰、失電、船舶失控、操作不當(dāng)?shù)取?/p>

3）分析起因、后果及安全措施。對引導(dǎo)詞下的失效事件進行分析，確定該失效事件發(fā)生的起因、導(dǎo)致的后果以及既有的安全措施。

4）確定失效事件的風(fēng)險等級。綜合考慮失效事件發(fā)生的可能性和后果的嚴(yán)重程度，選用合適的風(fēng)險矩陣，確定失效事件的風(fēng)險等級，包括高、中、低風(fēng)險。船舶過升船機的風(fēng)險分析中，將事故發(fā)生可能性分為四個等級，如表1所列，將事故后果嚴(yán)重性劃分為5個等級，如表2所列，采用4×5階風(fēng)險矩陣，如表3所列。

5）根據(jù)分析結(jié)果，進一步提出建議措施。

表1 事故發(fā)生可能性分類

表2 事故后果嚴(yán)重性分類

表3 4×5階風(fēng)險矩陣

3 純電動旅游客船安全能力評估

通過FMEA分析和HAZID分析，能夠?qū)冸妱勇糜慰痛P(guān)鍵系統(tǒng)和過升船機過程中的高、中、低風(fēng)險項進行識別。根據(jù)ALARP原則，對高風(fēng)險必須采取控制措施，對于中風(fēng)險基于合理可行原則采取控制措施，對于低風(fēng)險可不采取措施。因此，本文重點對和純電動旅游客船直流組網(wǎng)系統(tǒng)、電池動力系統(tǒng)中存在的高風(fēng)險進行分析。考慮到船舶過升船機過程中未識別到高風(fēng)險項，所以對船舶過升船機過程中可能存在的中風(fēng)險進行了詳細分析。

3.1 直流組網(wǎng)系統(tǒng)安全能力評估

通過FMEA分析，直流組網(wǎng)系統(tǒng)可能發(fā)生的高風(fēng)險項主要集中在有可能引起全船失電或失去全部動力的故障，主要為冷卻系統(tǒng)集中故障、功率模塊直流側(cè)故障和直流母線故障。

1）冷卻系統(tǒng)集中故障

電池艙結(jié)構(gòu)失效的主要原因包括：電池托架的底部強度不足；底部破損進水；舷側(cè)破損進水；艙壁被爆炸能量損壞；電池托架固定不牢，艙壁受電池托架沖擊等。電池艙結(jié)構(gòu)失效可能會導(dǎo)致船舶觸礁或擱淺、船舶碰撞、電池艙內(nèi)可燃氣體爆炸以及艙壁變形破損。

為了避免冷卻系統(tǒng)集中故障的發(fā)生，建議：檢查水冷柜中是否有一段公共回路或匯流排對所有循環(huán)水柜供電，如有，水冷柜交流匯流排加裝手動能分段的裝置，至少保證故障時一定數(shù)量的水冷柜能夠繼續(xù)獲得電力；建議：水冷柜對交流匯流排增加附加措施，如防生物接近的絕緣包裹，避免交流匯流排出現(xiàn)故障。

2）功率模塊直流側(cè)故障

功率模塊直流側(cè)故障主要包括：斬波柜輸出直流側(cè)故障和逆變柜直流側(cè)故障。導(dǎo)致功率模塊直流側(cè)故障的原因主要包括：1. 支撐電容至熔斷器之間線路短路；2. 短路導(dǎo)致系統(tǒng)欠壓故障；3. 短路導(dǎo)致電壓振蕩發(fā)生過壓故障；4. 短路電流經(jīng)過IGBT反并聯(lián)二極管，造成二極管損壞。功率模塊直流側(cè)故障最嚴(yán)重的情況下可能造成大范圍停電或全船失電并失去動力。

為了避免功率模塊直流側(cè)故障的發(fā)生，建議：1. 模塊自身電容應(yīng)能夠耐受此短路電流而不發(fā)生故障或熔斷器距離支撐電容足夠近；2. 功率模塊直流側(cè)短路時，不會使得非故障支路發(fā)生欠壓或電壓欠壓故障不影響船舶發(fā)電和推進動力；3. 當(dāng)某一功率模塊直流側(cè)短路時，其他模塊直流側(cè)電壓振蕩過程中不會出發(fā)過壓保護；4. 功率模塊直流側(cè)短路時，電容不會下降到IGBT體二極管鉗位電壓以下。

3）直流母線故障

直流母線故障主要是由短路導(dǎo)致系統(tǒng)欠壓故障、短路導(dǎo)致電壓振蕩發(fā)生過壓故障或短路導(dǎo)致故障母排全部熔斷器熔斷引起的。

為避免直流母線故障的發(fā)生，建議采取的措施包括：1. 確保一側(cè)母排短路時，不會使得非故障側(cè)母排發(fā)生欠壓或電壓欠壓故障不影響船舶發(fā)電和推進動力；2. 確保一側(cè)母排短路時，非故障側(cè)母排電壓振蕩過程中不會觸發(fā)過壓保護；3. 通過指導(dǎo)手冊等文件，告知維護人員更換故障母線各設(shè)備熔斷器的方法。

3.2 電池動力系統(tǒng)安全能力評估

通過FMEA分析，電池動力系統(tǒng)可能發(fā)生的高風(fēng)險項主要包括：電池艙結(jié)構(gòu)失效，電池艙的艙壁和甲板強度不足、密封性不足或選材不當(dāng)，電池釋放易燃可燃物質(zhì)、冷卻水管路供水不足等。

1）電池艙結(jié)構(gòu)失效

電池艙結(jié)構(gòu)失效的主要原因包括：電池托架的底部強度不足；底部破損進水；舷側(cè)破損進水；艙壁被爆炸能量損壞；電池托架固定不牢，艙壁受電池托架沖擊等。電池艙結(jié)構(gòu)失效可能會導(dǎo)致船舶觸礁或擱淺、船舶碰撞、電池艙內(nèi)可燃氣體爆炸以及艙壁變形破損。

為了避免電池艙結(jié)構(gòu)失效，應(yīng)對電池及托架對底部結(jié)構(gòu)強度的影響進行校核，分析電池域發(fā)生電池倒塌后對艙壁和相鄰電池艙的影響，并對電池艙爆炸能量對艙壁的影響進行分析。

2）電池艙的艙壁和甲板強度不足、密封性不足或選材不當(dāng)

電池艙的艙壁和甲板強度不足、密封性不足或選材不當(dāng)會導(dǎo)致艙壁和甲板在火災(zāi)中變形或失去承載能力，火災(zāi)中的煙氣會蔓延至其他相鄰艙室。針對此風(fēng)險項，建議分析電池艙爆炸對艙壁的影響，從而判斷該爆炸能量對相鄰電池艙供電的影響。

3）電池釋放易燃可燃物質(zhì)

電池釋放易燃可燃物質(zhì)主要是由于H2、CO、烷烴類、煙霧顆粒、氣體有機物遇到點火源等所導(dǎo)致的?？扇家兹嘉镔|(zhì)的釋放能夠引起火災(zāi)或爆炸，為此船上通常會設(shè)置有可燃氣體探測報警系統(tǒng)、機械排風(fēng)系統(tǒng)、固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)、固定式壓力水霧滅火系統(tǒng)等。建議可燃氣體探測器數(shù)量和安裝位置應(yīng)與可燃氣體散發(fā)位置、可燃氣體密度相適應(yīng)，以能盡早探測到電池艙內(nèi)的可燃氣體。

4）冷卻水管路供水不足

冷卻水管路供水不足主要是由于管路銹蝕、管路碰撞破損、雜質(zhì)堵塞管路、管路強度和密性不足導(dǎo)致的。若冷卻水管路發(fā)生破損或堵塞，會導(dǎo)致推進電機、變頻器柜均無法正常工作，對推進和轉(zhuǎn)向造成嚴(yán)重影響，損壞推進電機和變頻器，進而使得舵槳系統(tǒng)無法工作。為防止出現(xiàn)該風(fēng)險，建議管路應(yīng)選用耐腐蝕管路或采取防腐蝕處理，并將管路安裝在船舶破損范圍外。

3.3 純電動旅游客船過升船機安全風(fēng)險分析

通過HAZID分析可知，純電動旅游客船在過升船機期間主要以中低風(fēng)險為主。低風(fēng)險主要包括碰撞、沉船、觸碰、失電、船舶失控，既有安全措施基本可應(yīng)對這些風(fēng)險。中風(fēng)險主要為火災(zāi)和操作不當(dāng)。

1）火災(zāi)

導(dǎo)致火災(zāi)的可能原因包括：1. 船舶動力系統(tǒng)引燃；2. 船上配電設(shè)備及線路短路老化；3. 船上廚房、儲物室等部位因操作不當(dāng)失火；4. 船上人員吸煙等不安全行為。純電動旅游客船過升船機時發(fā)生火災(zāi)會導(dǎo)致船舶、船廂受損，并可能造成人員受傷，導(dǎo)致財產(chǎn)損失等。

為避免火災(zāi)的發(fā)生，船舶和升船機均有相應(yīng)的安全措施，包括：1. 船舶設(shè)有防火分隔、探火和報警等措施；2. 船上已配備相應(yīng)的消防設(shè)施；3. 升船機配備相應(yīng)消防設(shè)施；4. 規(guī)定通行船舶承載人數(shù)不超過300人。建議進一步采取以下措施提升純電動旅游客船過升船機的安全性：1. 加強船舶過升船機前的安全檢查；2. 嚴(yán)格旅客的安全檢查工作；3. 對超過300人船只加強安全檢查，派駐領(lǐng)航員或安全監(jiān)督員登船，提高船舶自身安全等級；4. 加強船舶消防安全認(rèn)證，引入評估、保險等第三方機構(gòu)對通過升船機船舶進行安全監(jiān)督。

2）操作不當(dāng)

操作不當(dāng)通常由于船上人員操作經(jīng)驗不足，無證上崗，與調(diào)度室溝通不暢，未對船舶進行有效系固導(dǎo)致的。操作不當(dāng)在純電動旅游客船過升船機時可能會造成：1. 船舶與船廂門、船廂側(cè)壁發(fā)生碰撞；2. 影響升船機通航；3. 導(dǎo)致船舶或升船機設(shè)備故障；4. 造成船員受傷；5. 設(shè)備誤操作開啟或關(guān)閉。為避免由于造作不當(dāng)導(dǎo)致船舶過升船機產(chǎn)生風(fēng)險，建議加強純電動旅游客船船員的培訓(xùn)，并且補充相關(guān)的系統(tǒng)操作手冊。

4 安全監(jiān)管措施方案建議

為降低純電動旅游客船內(nèi)河航行的安全風(fēng)險，建議在安全監(jiān)管方面采取以下措施：

1）增加和完善針對純電池動力船舶的相關(guān)規(guī)定。對純電池動力船舶的航行、過閘、過升船機管理等方面進行詳細規(guī)范，或編制“純電池動力船舶航行、過閘、過升船機管理規(guī)定”。

2）嚴(yán)格落實安全主體責(zé)任。加強企業(yè)安全管理，從事純電池動力船舶運輸?shù)暮竭\企業(yè)要進一步完善船舶航行、過閘、過升船機操作規(guī)程和安全值守制度，制定針對船舶火災(zāi)、電池艙爆炸等突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案，強化船員安全操作技能和應(yīng)急處置培訓(xùn)，對純電池動力船舶實施動態(tài)監(jiān)控。

3）建立健全協(xié)調(diào)工作機制。建立健全由樞紐通航管理部門牽頭，海事、航道、公安等有關(guān)單位參與形成的聯(lián)動機制，全面協(xié)調(diào)純電動旅游客船過閘/升船機安全航行、航道養(yǎng)護、水上治安和突發(fā)事件應(yīng)急處置等工作。

4）提升應(yīng)急救援水平。樞紐通航管理部門應(yīng)針對純電池動力船舶的特點，完善船舶火災(zāi)消防設(shè)施建設(shè)，加強船閘、升船機對純電池動力船舶火災(zāi)事故、電池艙爆炸事故等的應(yīng)急處置能力建設(shè)，組織編制科學(xué)、可操作性的應(yīng)急預(yù)案。樞紐通航管理部門和航運企業(yè)結(jié)合船舶應(yīng)急管理的實際，加強應(yīng)急培訓(xùn)和演練，不斷提升應(yīng)急救助實際操作能力和水平。

5 結(jié)論

純電動旅游客船的發(fā)展符合當(dāng)前航運業(yè)節(jié)能減排的要求，適合我國內(nèi)河航運特點。“長江三峽1”純電動旅游客船的成功首航對推動我國內(nèi)河純電池動力船舶發(fā)展具有積極作用。通過FMEA分析和HAZID分析對純電動旅游客船直流組網(wǎng)系統(tǒng)、電池動力系統(tǒng)以及船舶過升船機過程開展了安全風(fēng)險評估，對主要中高風(fēng)險項進行了識別，通過相應(yīng)的風(fēng)險控制措施的有效實施，將能夠改善船舶的安全風(fēng)險，提升純電動旅游客船對水上交通風(fēng)險的防范能力。

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[2] 劉星辰, 盛進路. 內(nèi)河純電動船舶航運的適應(yīng)性及發(fā)展[J]. 船電技術(shù), 2021, 41(6): 19-22.

[3] 呂明杰, 豈興明, 尹航, 等. 淺析內(nèi)河純電動船舶發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 船電技術(shù), 2022, 42(1): 28-31.

[4] 湖北日報. 長江三峽1為什么這么牛?[EB/OL]. (2022-03-29)[2022-03-31]. http://news.hubeidaily.net/pc/697297.html.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和影響分析(FMEA)程序: GB/T 7826-2012[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013.

[6] 中國船級社. 船舶綜合安全評估應(yīng)用指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

[7] 韓彬, 周鵬, 王東軍. HAZID分析方法及應(yīng)用過程[J]. 云南化工, 2018, 45(6): 94-96.

Security risk assessment for inland electric passenger ships

Yang Jin1, Zhao Jia1, Jiang Lei2, Xu Xiaojian2

(1. China Yangtze Power Co., Ltd, Overhaul and Maintenance Factory, Yichang 443002, Hubei, China; 2. China Waterborne Transport Research Institute, Beijing 100088, China)

U664.14

A

1003-4862（2022）12-0076-05

2022-05-26

楊進(1984-)，男，高級工程師。研究方向：船舶電氣化。E-mail: yang_jin2@ctg.com.cn