LNG燃料船舶燃氣泄漏管理

王志敏 劉文朝 施 政

（滬東中華造船（集團）有限公司 上海200129）

引 言

天然氣是一種高效清潔的優質低碳能源，可與核能及可再生能源等其他低排放能源形成良性互補，是能源供應清潔化的最現實選擇。與柴油機相比，天然氣發動機可以減低80%以上NOx、100%SOx和PM、20%以上CO2等有害氣體排放，滿足日益嚴格的排放法規要求［1］，天然氣低于柴油的價格也可以直接降低船東的運營成本，船舶應用LNG作為燃料已日益受到政府和船東的關注。

隨著燃氣系統的逐步應用，其安全性也越來越受到重視。由于LNG具有低溫、易燃、易爆等固有的特殊危險性，其發生泄漏后的危險性極大。研究天然氣發生泄漏后的應對措施是研究天然氣安全問題的重要一環，目的在于即便天然氣發生泄漏，也可采取一定的安全應對措施消除其危險性［2］。這些安全措施可以給天然氣的使用提供可靠的安全保障。

1 LNG燃料船舶燃氣系統介紹及燃氣系統相關規范要求

1.1 LNG燃料船舶燃氣系統介紹

根據天然氣供給系統不同的功能，天然氣供給系統可以劃分為以下幾個模塊：

（1）LNG存儲模塊

LNG儲罐，用于存儲LNG；LNG運輸船，存儲模塊則指LNG貨艙。

（2）LNG加注模塊

用于LNG存儲模塊的加注，包括通岸接頭、低溫管等部件［3］。

（3）惰性氣體模塊

可生成惰性氣體，為系統提供惰性氣體源，供天然氣管路和主機等設施的吹洗。

（4）LNG輸送模塊

即LNG輸送泵，用于將LNG加壓到雙燃料發動機要求的天然氣壓力。

（5）LNG氣化模塊

包括LNG氣化器以及乙二醇循環模塊，用于將加壓后的LNG等壓氣化為要求溫度范圍的天然氣。

（6）閥組單元

實現對燃氣的供應和切斷，以及惰性氣體吹掃的控制。

（7）通風系統

用于保持主機及機艙內雙層燃氣管的通風，實時監測是否出現燃氣泄漏。

（8）燃燒單元

為LNG氣化模塊提供熱源。

（9）控制系統

用于整個供氣系統的控制與監測。

本文所描述的與燃氣泄露相關的模塊主要有閥組單元、通風系統、燃燒單元等；主要的泄露點有雙燃料發動機、燃氣管、燃氣閥組等部件［4］。

1.2 LNG燃料船舶燃氣系統相關規范要求

IMO規范對于LNG燃料船舶燃氣系統的要求主要體現在IGC CODE［5］和IGF CODE［6］。

IGC CODE的第16.2章規定應對使用氣體燃料的處所裝置機械通風系統，并應將該處所布置成能防止形成死角，應將上述通風系統與其他處所的通風系統分開。在使用雙燃料發電機的電力推進項目上，我們為主發電機室與GVU房間設置單獨的房間，并為它們設計獨立的通風系統與機艙通風系統分開；在使用雙燃料低速機的項目上，使用氣體燃料處所的機械通風系統與機艙通風系統一體，與居住區的通風系統分開。雙燃料發電機室與機艙在布置時應充分考慮空氣的流通以防止形成死角。

IGC CODE的第16.3章規定氣體燃料管應被安裝在通風管或管道內，在氣體燃料管和通風管或管道內壁之間的空間，應設置機械抽風設備，其排量至少為30次/h；應將通風系統布置成能維持其壓力低于大氣壓力。本文所述通風系統為燃氣管的雙壁管設置了抽氣風機，并推薦了雙壁管通風空間容積與氣壓差值的關系，以滿足30次/h的通風要求，介紹了各主要處所的大氣壓力設定情況。

IGC CODE的第13章規定對于每套探測設備，在確定固定取樣器的位置時，應適當考慮似運載貨物的燃氣密度以及由于艙室內換氣或通風所造成的稀釋度。本文描述了如何通過燃氣泄露的模擬計算和實際的煙霧模擬來確定固定取樣器的位置。

2 燃氣系統的泄漏風險管理

甲板區域暴露于大氣中，一般會被定義為危險區域。燃氣在甲板區域泄漏后會直接稀釋進入大氣中，危險性較小；而機艙屬于封閉區域，且熱源較多，一旦燃氣泄漏到機艙，危險極大。本文主要對機艙區域的燃氣泄漏進行分析，并討論相應的管理措施。

2.1 通風系統的設計

通風系統設計的宗旨是保證當燃氣發生泄漏后能被快速地稀釋。甲烷與空氣混合后的爆炸極限為4.9%，當甲烷值低于這個值時不能燃燒，故可通過快速稀釋掉泄漏后的天然氣來防范天然氣爆炸的風險。因此有必要為燃氣系統設計不間斷的通風系統［7-8］。暴露在機艙內與燃氣相關的主要部件有燃氣管、燃氣閥組、雙燃料發動機等，通風系統的布置參見圖1。

圖1 燃氣供給系統布置

為保證通風效果，圖1中幾個處所的壓力設置為：發電機室氣壓P1＞ 機艙外大氣壓力P0＞ 燃氣閥組室氣壓P2。

上述的發電機室與燃氣閥組室均布置在機艙內，并都布置了單獨的房間與通風系統。雙壁管的外管一頭通過膨脹節與發電機連接，一頭與燃氣閥組室艙壁連接，與艙壁的連接處為敞開狀態；雙壁管的內管一頭通過膨脹節與發電機連接，一頭與燃氣閥組連接。

發動機室通過供風機保持其壓力大于外界大氣壓力，而燃氣閥組室通過抽風機保持其壓力小于外界大氣壓力。其中發電機室氣壓P1與燃氣閥組室氣壓P2的差值跟雙壁管通風空間（即雙壁管內管與外管之間的空間區域）容積成正比關系，雙壁管通風空間容積與氣壓差值的關系如圖2所示。

圖2 雙壁管通風空間容積與氣壓差值關系圖

在此壓力設置下，空氣流通的路徑一般分為兩路：一路從主機缸頭進入；一路從燃氣管與機艙的連接口進入。其流向如下：

（1）空氣從主機缸套進入的路徑如圖3所示。

圖3 空氣進入主機缸套的流向圖

新風由機艙風機提供，進入主機缸頭雙層空間的位置如圖4所示。

新風進入主機后，經由雙壁管的外管進入到燃氣閥組室，然后由連接燃氣閥組室的抽氣風機抽到艙外安全區域。

（2）空氣從燃氣管與機艙的連接口進入的路徑如圖5所示。

由于機艙外大氣壓力P0大于燃氣閥組室氣壓P2，新風會從艙外被吸入燃氣閥組室，然后再由燃氣閥組室的抽氣風機抽至艙外完全區域。

圖4 新風進入主機缸頭雙層通風空間內

圖5 空氣從燃氣管與機艙的連接口進入的流向圖

燃氣系統通風系統的設計要保證對機艙內燃氣管的全覆蓋，只要有天然氣經過且有可能發生泄漏的區域都需要設計合適的通風系統。不同的船型對于燃氣系統的設計也不盡相同，而通風系統是基于燃氣供給系統而設計；所以不同船型的通風系統設計也會有較大差別；但設計宗旨相同，都是為快速稀釋掉可能泄漏出來的天然氣。

2.2 可燃氣體探測布置

在機艙內為燃氣系統設置充分的通風系統后，還需要在可能發生泄漏的區域設置可燃氣體探測裝置，以便在發生燃氣泄漏后能及時檢測并報警。一般會在如下區域布置合適的可燃氣體探測裝置：

（2）氮氣發生器的干燥器出口；

（3）機艙進風口；

（4）機艙出風口；

（5）雙燃料發動機的燃氣閥組房間；

（6）雙燃料發動機燃氣閥組房間的通風風管出口；

（7）LNG艙的貨物機械室；

（8）雙燃料發動機房間的通風進口；

（9）雙燃料發動機房間的通風出口；

（10）燃氣管路的進風口；

[13]胡志丁、曹原、劉玉立、葛岳靜：《我國政治地理學研究的新發展：地緣環境探索》，《人文地理》2013年第5期。

（11）雙燃料發動機上方；

（12）雙燃料發動機的曲軸箱透氣管；

（13）雙燃料發動機的低溫冷卻水膨脹水箱；

（14）應急發電機室。

以上這些區域建議各設置1個或者2個可燃氣體探頭作為監測點。可燃氣體探測的設置不僅考慮機艙內部燃氣系統可能發生的泄漏，也要考慮燃氣可能由機艙外部進入的可能性；所以在與外部空間接觸的機艙棚和機艙進風口等區域也應設置燃氣探測點。

在設置可燃氣體探測的時候要注意將可燃氣體探測點布置在燃氣最容易出現的地方，需充分考慮氣體的流動軌跡，根據氣體的流動軌跡判斷可燃氣體探測的最佳安裝位置；氣體的流動軌跡可通過泄漏擴散計算來獲得，也可使用煙霧來模擬燃氣發生泄漏后的實際流動軌跡獲得，借此找到最佳安裝點，以降低出現燃氣泄漏后可燃氣體探測裝置無法探測到燃氣并報警的風險。

2.2.1 泄漏擴散模擬計算

圖6是以雙燃料發電機室某機6號缸連接點處發生泄漏后進行模擬計算的示例。根據模擬計算得出的結論判斷燃氣發生泄漏后最先出現的區域，然后在合適的位置安裝可燃氣體探測點。

圖6 某機6號缸連接點發生連續泄漏，發電機室內部不同時刻的天然氣摩爾濃度分布圖

2.2.2 實際煙霧模擬

在使用模擬計算找出可燃氣體探測的最佳安裝點后，可再使用煙霧桶檢驗房間內氣體的流通軌跡；先在需測量的房間內選取一處最易發生燃氣泄漏的點，然后在該處放置一個煙霧測試桶，在正常運行工況下釋放煙霧，然后觀察煙霧是否最易到達可燃氣體探測點，通過觀察煙霧流動軌跡可檢驗出可燃氣體探測的放置點是否合理。

2.3 可燃氣體探測布置的難點

根據實際運行經驗，在所有布置的可燃氣體探測點中，布置在雙燃料發動機的冷卻水膨脹水箱和曲軸箱透氣管上的探測點出現的問題最多，需要重點考慮。

2.3.1 冷卻水膨脹水箱上的可燃氣體探測

雙燃料發動機的高溫冷卻水系統與低溫冷卻水系統是集成在一起的，共用一個冷卻水膨脹水箱，獨立于機艙的中央冷卻水系統；如果雙燃料發動機的缸套發生泄露，那么燃氣就有可能混入發動機的缸套水中，從而進入冷卻水系統，并流入冷卻水膨脹水箱。因此需要在冷卻水膨脹水箱上布置可燃氣體探測裝置。

在初始設計的時候可燃氣體探測裝置直接安水膨脹水箱上面的透氣管側面，如圖7所示，只是在安裝探測點的位置把透氣管加粗至DN150以方便安裝。

圖7 可燃氣體探測直接安裝于膨脹水箱透氣管上

這種安裝方式的好處是可燃氣體探測頭可通過透氣管直接探測到膨脹水箱里面的氣體，監測方式更為直接。不過，由于膨脹水箱內水汽太多，導致透氣管內的濕度太高，可燃氣體的探測頭在高濕度下又極易生銹，因而在實際使用過程中，發生多次可燃氣體探測頭因生銹而損壞的事故。

一方面要對膨脹水箱內的空氣進行探測，另一方面又要避免膨脹水箱內水汽對探頭的腐蝕。在這種條件下，就需要選擇一種更為復雜的探測方式。

改進后的方案如圖8所示，在膨脹水箱上面的DN50透氣管上開一路8 mm的支管，然后用一個抽氣風機將要探測的氣體從該處支管吸入可燃氣體探測器，在可燃氣體探測器之前布置一個空氣干燥器，將水汽從需要探測的氣體中先過濾出來，這樣就避免了膨脹水箱內水汽對探頭的腐蝕。

2.3.2 曲軸箱透氣管上的可燃氣體探測

根據IGC CODE第16章的規定，曲軸箱應裝設氣體探測器或等效設備以及惰性氣體注入設施。在設計時，曲軸箱的氣體探測應設置在曲軸箱的透氣管上，通過探測透氣管上的燃氣濃度來間接檢測曲軸箱內的燃氣濃度。

雙燃料發動機曲軸箱的可燃氣體探測布置如圖9所示。

圖8 帶風機的抽吸式可燃氣體探測裝置

圖9 雙燃料發動機曲軸箱的可燃氣體探測

曲軸箱內部水汽雖然不多，不會銹蝕到可燃氣體探測頭，但是曲軸箱內部的油氣濃度極高，在實船測量時會嚴重影響可燃氣體探頭對燃氣的測量精度；在氣體運行模式下，曲軸箱內氣體的LEL數值會從10%左右持續上升至110%左右，而通過取樣檢測的方式測出的LEL數值并沒有持續升高。這兩種結果的不同主要歸咎于可燃氣體探測的類型不同，曲軸箱內的油氣對催化型可燃氣體探測器的影響較大，而對半導體可燃氣體探測器的影響較小。所以在選擇可燃氣體探測器的類型與形式的時候一定要注意周圍環境對其影響。

3 結 論

在設計雙燃料船舶的燃氣系統時，其安全性需要著重考慮，不僅要考慮如何防范燃氣發生泄漏，而且燃氣發生泄漏后的應對措施也是系統設計的重點。本文所述通風系統的設計和可燃氣體探頭的選型與布置均為燃氣發生泄漏后的應對措施。其設計原理與設計思路可供設計人員在設計各類雙燃料船舶燃氣安全系統時參考。