內河LNG燃料動力船通過船閘的風險評估方法

李　清，甘少煒

(1.交通運輸部 水運科學研究院，北京 100088； 2.中國船級社 武漢規范所，武漢 430022)

內河LNG燃料動力船通過船閘的風險評估方法

李清1，甘少煒2

(1.交通運輸部 水運科學研究院，北京 100088； 2.中國船級社 武漢規范所，武漢 430022)

摘要：針對內河LNG燃料動力船的過閘安全性問題，對LNG供氣系統進行危險源識別(HAZID)，基于事件樹分析方法對LNG泄漏后的災害進行分析，計算相應的個人風險值，綜合考慮個人風險值的計算結果與LNG燃料動力船過閘的具體情況，選取高等級風險源進行定量計算，采用三維計算流體力學軟件FLACS對LNG泄露后的災害進行仿真分析，計算得到可燃蒸氣云擴散范圍,火災熱輻射范圍及爆炸沖擊波的影響范圍。

關鍵詞：LNG燃料動力船；船閘；危險源識別；風險評估

我國內河運輸船舶保有量近15萬艘，年燃油消耗在400萬t左右，是交通運輸行業重要的耗能領域[1]。隨著國家能源結構調整和大氣污染治理的深入推進，LNG作為清潔能源在船舶上的應用得到了社會各界的關注。尤其是隨著船舶排放標準的提高，LNG成為船舶燃料的主要選擇方向之一。通過近5年的試點實踐，船舶應用LNG技術日漸成熟，內河LNG燃料動力船發展前景廣闊。根據交通運輸部水運科學院相關研究，2017～2020年間，在國家對新造內河LNG動力船給予補貼的情況下，我國內河LNG燃料動力船舶將有可能達到1萬艘[2]。

燃料動力船在內河航運中，船閘作為溝通水系聯系、提高航道等級的通航建筑物而被廣泛地使用。截至2012年，我國現有船閘864座，廣泛分布于長江干流、京杭運河、西江干線、嘉陵江、漢江及湘江等流域[3]。LNG水上產業鏈的逐步完善將進一步推動內河LNG燃料動力船的發展，LNG燃料動力船通過船閘的安全性也成為亟待研究的現實問題。船舶過閘歷時較長且四周形成半密閉空間，一旦發生LNG氣罐安全閥起跳或泄漏事故，不利于天然氣的擴散，存在引發更嚴重的安全事故的風險。因此，對LNG 燃料動力船過閘進行風險評估至關重要。

1研究對象

選取典型的3 000 t和5 000 t干散貨LNG燃料動力船為研究對象。通常，內河LNG燃料動力船的氣罐布置在貨艙處、艉部甲板處，或者是機艙處所[4]，相對于布置在圍蔽處所內的情況，LNG氣罐布置在露天甲板上對船閘構成潛在危險性較大。因此，選取LNG氣罐布置在船艉露天甲板上的情況進行研究。

選取與上述船型相適應的某典型船閘作為通航船閘，考慮了2種過閘方案。

1) 1閘4船。船型為典型的5 000 t干散貨船，船長約為130 m，船寬約為16.2 m，型深約為4.3 m；4艘5 000 t標準船型同時布置在船閘內，見圖1，船舶左右舷空間所剩無幾，艏艉方向略微寬松，總體基本充滿整個船閘。船舶一致艏艉方向停泊，其LNG氣罐位置集中在兩處，一處靠近船閘門，另一處在船閘中部位置。

2) 1閘6船。船型為典型的3 000 t干散貨船，船長約為79.6 m，船寬約為13.6 m，型深約為4.05 m。6艘3 000 t標準船型同時布置在船閘內，見圖2，船舶左右和艏艉方向整個較寬松，總體基本比較均勻。船舶一般艏艉方向停泊，其LNG氣罐位置集中在3處，1處靠近船閘門，另2處在船閘1/3位置。

圖1　4艘5 000 t船舶同時布置在船閘內示意

圖2　6艘3 000 t船舶同時布置在船閘內示意

LNG燃料動力船在通過船閘時，大部分時間船舶被系固在船閘內。根據現有船舶過閘實際操作情況，船舶主機處于備車狀態，發動機處于正常運轉，LNG氣罐向機艙提供天然氣燃料。針對LNG燃料動力船通過船閘的操作與運行模式，長時間不使用天然氣燃料，可能導致LNG氣罐內BOG增多而超壓，氣罐安全閥起跳，天然氣通過透氣管釋放到船閘內。另外，露天甲板上供氣系統可能發生泄漏也導致天然氣泄漏到船閘內。因此，本文風險評估范圍主要針對露天甲板上LNG供氣系統。典型內河標準船型LNG燃料動力船露天甲板上的LNG供氣系統如圖3所示，包括低溫管路、閥件、汽化器等部件[5]。

2危險源分析

2.1HAZID方法

HAZID是風險分析過程的第一步。完整意義上的風險分析過程包括：危險源辨識、風險分析、和風險管理3個部分[6]。目前，HAZID已經不僅限于狹義的識別危險源，而是包含了更為寬泛的內涵，包括識別初步設計中可能的危險源及其成因、后果，明確防護措施和提出降低風險的建議，并給出下一步開展定量風險評估(QRA)的場景建議。

HAZID分析通過工作組成員的“頭腦風暴”來辨識潛在的危險源。該工作在有序的引導下完成，HAZID分析的目標是：①識別潛在危險源；②分析起因和導致的后果；③提出建議來消除、規避、控制或降低風險。

2.2風險矩陣

根據ISO 17776:2000建立如表1所列的風險矩陣[7]。風險發生可能性分為A、B、C、D共4個等級，風險發生后果分為0～5共6個等級。因目前尚無LNG燃料動力船通過船閘等類似場景的事故數據，無法通過災害事故數據統計來分類和判別事故的嚴重性和可能性，所以，通過定性方法來確定事故的發生可能性和后果嚴重性。

表1　風險矩陣

2.3分析結果

對典型3 000、5 000 t船舶通過船閘進行危險源識別，主要從人為因素、船舶因素、環境因素和管理因素4大方面對LNG燃料供氣系統進行失效分析，考慮布置與環境、設備、附件、供電、控制、運行參數、操作等方面。通過分析，船舶過閘時LNG燃料系統的主要風險為管系泄漏、安全閥起跳等，LNG泄漏后可能導致蒸氣云擴散，超壓安全閥排放的氣體遇到明火可能被點燃，導致火災或爆炸事故。對典型LNG燃料供氣系統HAZID分析記錄表見表2。

表2　典型LNG燃料供氣系統HAZID記錄

3概率分析

3.1供氣系統信息

內河LNG燃料動力船通常采用低壓供氣系統(供氣壓力小于1 MPa)，氣罐采用自增壓裝置給機艙發動機進行供氣[8]。LNG燃料從氣罐流出后經過強制蒸發器，從液相轉變成氣相，再經過加熱器將低溫天然氣升溫至發動機需要的溫度，然后經過調壓閥調整到發動機適用壓力范圍。整個供氣系統需要經過的部件包括有液相管路、氣相管路、閥件、汽化器等。選取典型標準船型LNG燃料供氣系統，其在露天甲板上部件的基本信息統計見表3，船舶過閘時間及供氣系統運行時間見表4。

3.2事件樹分析

事件樹分析是一種探究事故、失效或不希望出現事件的發展和演化的方法。本研究考慮的災害有LNG泄漏后的低溫危害、泄露后產生可燃蒸氣云、遇到明火后發生火災、同時考慮在受限空間可能發生爆炸。液相或氣相天然氣的泄漏，在不同條件下產生的后果不同，LNG泄漏后可能發生的災害事件樹分析見圖4。

表3　供氣管系基本信息

表4　船舶過閘時間及供氣系統使用時間

圖4　LNG泄漏的事件樹

3.3風險可接受準則

通常風險接受準則可分為個人風險接受準則和社會風險接受準則，考慮到通航船閘周邊無密集居民區，船閘內船員和作業人數最多約60人，區域內總體人數較少，所以本研究僅考慮個人風險。對于個人風險接受準則，國外主要有英國健康、安全和環境執行局(HSE)，國內有《國家安全生產監督管理總局令》(第40號)等。考慮到LNG燃料動力船通過船閘特殊地理環境，本文按照從嚴標準，認為通航船閘屬于高敏感場所，選取的最大可容許風險為3×10-7/年。

3.4個人風險值計算

采用如下方法對個人風險進行量化[9]。

(1)

式中：Pf為事故發生的概率；Pd/f為個人由于事故的發生而死亡的概率。Pf包括設備失效概率、引燃概率、人員存在概率等。設備失效概率、引燃概率按照《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T 3046—2013)[10]要求計算，人員存在概率可根據船舶過閘頻率和過閘時間進行計算；人員死亡概率Pd/f按要求進行計算。

根據個人風險值的計算，本文識別出典型內河LNG燃料動力船過閘過程中潛在的一項不可接受的風險，見表5。

4場景確定

4.1場景確定

根據個人風險值計算結果，針對風險值超過3.0×10-7事件進行后果模擬分析。另外，考慮LNG燃料動力船通過船閘的特殊性，LNG燃料動力船在錨地等待時間較長，氣體燃料發動機不能完全消耗掉所有的BOG氣體，本文也對LNG氣罐超壓后安全閥起跳可燃氣體的擴散情況進行模擬。綜合考慮，選定以下場景進行分析。

場景1氣罐容積20 m3(1.9 m×6.5 m)，氣相與液相各占50%，考慮最極端情況(所有船舶安全閥同時起跳)，安全閥起跳壓力1.10 MPa，關閉壓力0.99 MPa，流通面積為1 962 mm2，透氣管高度3 m，風速沿船艉方向1.2 m/s。

表5　識別出的不可接受的風險

場景2供氣管路發生直徑為25 mm的破孔(最大有效泄漏面積為490 mm2)，致使LNG泄漏到集液盤發生擴散，集液盤尺寸1 m×1 m，風速沿船艉方向1.2 m/s，泄漏時間90 s。(泄漏持續時間選取90 s主要考慮到通常探測到氣體泄漏的最長時間為60 s，ESD切斷時間為30 s。)

場景3由于供氣管路發生破裂，LNG泄漏到集液盤，發生低溫蒸汽擴散過程中遇到明火，火焰燒回集液池形成池火，假定集液盤內LNG擴散后90 s被點燃。

場景4由于供氣管路發生破損，LNG泄漏到船上集液盤內，在船閘內發生低溫擴散，經過90 s擴散后遇到明火發生爆炸。(考慮船閘內相對圍蔽，有可能發生爆炸。)

4.2氣象條件

假定通航船閘地區的基本氣象數據如下：年平均風速1.2 m/s，年平均溫度16.8 ℃，大氣壓力101 kPa，相對濕度75%，太陽輻射強度380 W/m2，大氣穩定度D級。

5模擬場景計算

CFD后果分析采用FLACS軟件進行[11]。

5.1場景1

假定安全閥0 s起跳，6.5 s回落，其計算結果見圖5、6。

圖5　1閘6船

圖6　1閘4船

由計算結果可知，有風時，可燃氣體云消散速度更快，從安全閥起跳開始，大概10 s后所有可燃氣體云均已消散；在無風情況下，透氣管釋放NG擴散的最大距離約為30 m；可燃氣體云存在時間短，擴散范圍僅在閘內，基本不會造成危害。

5.2場景2

假定管路泄漏速率為8.98 kg/s，泄漏時間為90 s，設有集液盤，計算結果示于圖7、8。

圖7　1閘6船可燃蒸氣云范圍

圖8　1閘4船可燃蒸氣云范圍

假定集液盤尺寸為1 m×1 m×0.8 m，算得低溫液體最高深度為0.772 2 m，已非常接近盤口，建議集液盤的尺寸設置為1 m×1 m×1 m；假定供氣管路發生直徑為25 mm的破孔，LNG泄漏后的蒸氣云擴散范圍約為52.4 m；應嚴禁可燃氣體云范圍內出現點火燃。

5.3場景3

假定液相管路泄漏90 s后被點燃，并發生池火的情況，計算結果示于圖9、10。

圖9　集液盤池火熱輻射(大于5 kW/m2)

圖10　集液盤池火溫度(>400 K)

由計算結果可知，集液盤發生池火對人員熱輻射的波及范圍約為31.3 m；集液盤發生池火后波及范圍有限，人員撤離時間可控制在30 s內。

5.4場景4

泄漏90 s可燃蒸氣云被點燃形成爆炸，爆炸情況的計算結果示于圖11～12。

圖11　結構物承受的爆炸沖擊力

圖12　爆炸沖擊波空間示意

由計算結果可知，爆炸對閘室的沖擊波約為33 kPa，最大波及范圍約36.5 m。船閘內應盡量保持空氣流暢，嚴禁構成圍蔽空間。

6結論

1) 當LNG氣罐內因BOG增多而超壓，引發安全閥起跳時，在有風情況下，可燃氣體云的消散時間約為10 s；在無風情況下，透氣管釋放NG擴散的最大距離約為30 m。

2) 當供氣管路發生直徑為25 mm的破孔時，LNG泄漏后的蒸氣云擴散范圍約為52.4 m；LNG泄漏引發的集液盤池火對人員熱輻射的波及范圍約為31.3 m。

3) 當供氣管路發生直徑為25 mm的破孔，LNG在船閘內低溫擴散90 s后遇明火發生爆炸時，爆炸對閘室的沖擊波壓力約為33 kPa，最大波及范圍約36.5 m。該爆炸壓力與波及范圍對鋼結構和混凝土結構造成的損害需要結合船閘的設計抗爆值和運行現狀進行校核與評估。

參考文獻

[1] 宋亞楠.內河和近海船舶排放特性及排放清單研究[D].北京:北京理工大學,2015.

[2] 汪珺.LNG動力船市場迎來“春天”[N].中國水運報,2013-07-01(2).

[3] 交通運輸部綜合規劃司.2012年公路水路交通運輸行業發展統計公報[N].中國交通報,2013-04-23(2).

[4] 陳峰,李岳洋.內河雙燃料船LNG儲氣罐位置的確定[J].江蘇船舶,2013,30(2):1-4.

[5] 多英全.液化天然氣燃料動力船舶定量風險分析[J].中國安全生產科學技術,2013,9(12):90-94.

[6] 舒小芹,邱少林.HAZID方法淺析[J].中國安全生產科學技術,2011,7(5):171-175.

[7] ISO 17776:2000. Petroleum and natural gas industries-offshore production installations-guidelines on tools and techniques for hazard identification and risk assessment[S].2000.

[8] 周志賢,楊令康,吳海榮.LNG雙燃料動力船舶設計探討[J].船海工程,2014,43(2):154-156.

[9] 劉茂.事故風險分析理論與方法[M].北京:北京大學出版社,2011.

[10] 國家安全生產監督管理總局.AQ/T 3046—2013化工企業定量風險評價導則[S].2013.

[11] 程康,金全洲,范洪軍.基于FLACS的水上LNG泄漏事故數值模擬分析[J].船海工程,2015,44(3):169-171.

Study on Risk Assessment for Lock Transiting of Inland LNG-powered Vessels

LI Qing1, GAN Shao-wei2

(1 Waterborne Transportation Institute, Ministry of Transportation, Beijing 100088, China;2 Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)

Abstract:In order to assess the safety of lock transiting of inland LNG-powered vessels, the hazard identification (HAZID) for LNG supply system of typical inland LNG-powered vessels during lock transiting is performed. The hazards caused by LNG leakages are analyzed based on event tree analysis technique, and the respective individual risks are calculated. Considering both the individual risks and the lock transiting circumstances of LNG-powered vessels, hazard sources with high risk level are identified for quantitative calculation. Hazards caused by LNG leakages are simulated FLACS software to get the diffusion range of flammable vapor cloud, fire radiation range as well as scope of blast.

Key words:LNG-powered vessel; ship lock; HAZID; risk assessment

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.002

收稿日期：2016-01-05

基金項目：交通運輸部水運工程標準項目

第一作者簡介：李清(1979—)，男，碩士，副研究員

中圖分類號：U674.13

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0006-06

修回日期：2016-02-15

(JTSBD2015-07-177)

研究方向:船舶清潔能源應用技術

E-mail:liqing@wti.ac.cn