22000標準箱集裝箱船雙燃料系統危險識別

黃津津 龔旭誠

（中國船舶及海洋工程設計研究院 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境中占據有利地位，紛紛訂造超大型集裝箱船。由我院自主研發設計的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）的規定，也為了完全符合《巴黎協定》關于氣候變化所提出的相關目標以及IMO關于如何減少溫室氣體排放的規定，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的突破，相較于傳統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，將產生巨大的減排效應。

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設計，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燃料系統的船舶。

該型箱船總長399.9 m、型寬61.3 m、型深33.5 m、設計吃水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，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。燃氣供應系統采用的是瓦錫蘭公司的低壓燃氣系統。

2 法規要求

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則》（以下簡稱“IGF規則”），為國際航行天然氣燃料動力船舶的發展奠定了法規基礎，該規則于2017年1月1日生效。在IGF規則中，涉及到了通過風險評估結論來滿足規則要求，目前較為普遍應用的定性評估方法包括HAZID、HAZOP和FMEA等。HAZOP和FMEA應用于項目設計的較后期，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）是一種應用于項目初步設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，所謂的初步設計階段一般是指船舶布置、LNG儲供氣系統流程圖設計等。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計者進行HSE（健康、安全、環境）分析的一種方法。

HAZID的結論可以作為下一步詳細設計的輸入條件。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“故障假設法（what-if）”來識別危險，該方法通過假設船舶設備系統本身出現故障或者外部環境對其造成影響來分析其與預期正常運營的偏差。將每一個假設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，其結論可以確保：

圖2 故障假設法流程圖

（1）識別和糾正對設計意圖的偏離；

（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計階段的風險控制措施；

（4）避免設計或施工延誤并且避免過多預算；減少在調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22000箱雙燃料集裝箱船的特點，我們初步把HAZID分析的節點分為6個部分：

（1）燃氣儲存艙及接管區域；

表3 風險矩陣

（2）燃氣處理系統；

（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 節點分組

3.1 燃氣儲存艙及接管區域

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，相應的管路更長，并且由于燃料艙位于居住區下面，相應的危險區域較難布置，因而給設計帶來了一定的挑戰。

接管區域（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域。加注系統和輸送系統的管子均通過此房間接至穹頂進而與燃料艙相連。

燃料艙及其他區域位置示意圖如圖3所示。

圖3 燃料艙及其他區域位置示意圖

3.2 燃氣供應系統

燃氣處理間也位于燃料艙的正上方，與接管區域相鄰。房間內布置有BOG壓縮機、LNG蒸發器、NG加熱器、燃氣緩沖柜等設備，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。

燃氣系統主要分為三個部分：LNG通過燃料艙內的浸沒式泵把液體泵至LNG蒸發器，控制壓力溫度至許用范圍，經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。經處理后的燃氣經過位于燃氣處理間的主閥通過管弄向機艙供氣。各燃氣管路設置為滿足IGF要求的雙壁管，配備有足夠容量的通風系統及氮氣吹掃系統。燃氣在進入機艙之前，會經過一個獨立的燃氣閥間，燃氣閥間內布置有液壓驅動的隔離閥，緊急情況時可應急切斷。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規范（THE SOCIETY FOR GAS AS A MARINE FUEL）對于加注站的要求。每側加注站共有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，安裝在桅上的設備需要考慮相關危險區域的影響。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廠家推薦就地從主甲板引出，其出口設置滿足IGF要求的危險區。

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，設置為單壁管，從機艙引至機艙區域透氣桅。需要注意的是，相關的危險區域需要避開各通風的進出口。

3.6 其 他

主要考慮自然災害、碼頭加氣端或加氣船對其的影響，以及其對周圍環境及有人區域的影響。

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個節點逐個分析。前面5個節點主要是關于集裝箱船供氣系統本身的影響，第6個節點則是關于環境對其的相互影響。

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

4.1 燃料維護系統失效/失火

主要考慮LNG泄漏及NG泄漏對于各節點的影響：

（1）當LNG在各處所的閥門、法蘭或儀表處泄漏時，其溫度較低會對結構產生低溫損傷，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或者爆炸的風險；

（4）配備足夠的氮氣系統，以滿足主屏蔽、次屏蔽或者其他需要氮氣驅氣處所的要求；

（5）防止NG混入乙二醇水系統，造成結冰的可能，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；

（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 燃氣系統操作中產生的風險

主要考慮航行中操作，船對船加注中操作，船舶停靠時操作，燃氣系統首次啟動時操作，裝卸貨時操作對于各節點的影響；也考慮一些輔助系統失效，設備維護及應急情況的風險：

（1）燃氣消耗不夠民致燃料艙壓力升高，需設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）姿態變化民致的動態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生的大量的BOG的裝置，加注錯誤甲烷數的LNG，機器可自動切換至燃油模式；

（5）船舶長時間停靠時也可消耗所有的BOG；

（6）燃料艙需安裝應急排出泵，以滿足應急駁出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、ESD系統、液壓系統或PLC系統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生火花可能點燃泄漏氣體的風險，危險區域設置需要避開裝箱區域；

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

（17）考慮雨水、結冰對艏部透氣桅的影響，需要設置保護或加熱裝置；

（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生火花可能點燃泄漏氣體的風險，危險區域設置需要避開裝箱區域。

4.3 對相鄰區域的影響

主要考慮對分析節點相鄰區域的影響，比如：艙室進水、艙室失火、臨近貨艙失火、機械設備振動造成的影響，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害，如大風、暴雨、極端高低溫、結冰或巨浪對整個燃氣系統各節點的影響；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；本船發生泄漏時對大氣、海洋產生的影響，以及對碼頭、人口集聚區、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，碼頭方也非常關注這一點。

5 結 語

通過對超大型集裝箱船雙燃料系統的危險識別，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。船舶各系統在設計階段就要考慮各種有效的措施來盡可能的規避這些風險，這在需要滿足IGF要求的新船型開發中非常必要且意義重大。