特種船舶的安全防護系統設計與試驗

張樺育 李翠芳 朱慧敏

摘? ? 要：本文以我司建造的深圳海上危險品應急指揮船為依托，介紹了該船安全防護系統的設計方案及試驗內容、流程，旨在為類似船舶的安全防護系統設計和試驗提供參考。

關鍵詞：安全防護系統;設計;試驗

中圖分類號：U665.13 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Based on the Shenzhen maritime dangerous goods emergency command ship built by our company， this paper introduces the design scheme， test content and process of the ship's safety protection system， so as to provide reference for the design and test of safety protection system of similar ships.

Key words： Safety protection system; Design; Test

1? ? ?前言

深圳海上危險品應急指揮船屬于近海航區特種用途船舶，主要用于深圳東部大鵬灣水域LNG船舶航行監護、錨地監控、轄區危險品碼頭與作業水域的安全監管，并包括危險品事故應急在內的現場綜合應急指揮。本船為電力推進船，配置有全回轉吊艙推進器、首側推進器、主柴油發電機組、動力鋰電池組、危險氣體監測系統、綜合信息化系統和DP等。本船設計了安全防護系統，可用于救援工況。在危險氣體（主要是LNG）警戒區域內，可單獨由動力鋰電池組為全船動力及相關設備供電，在7 kn航速的情況下持續航行時間不低于2小時，在此期間艙內保持微正壓以保證本船的航行安全。

2? ? ?安全防護系統設計

眾所周知，LNG可燃氣體發生爆炸的條件是在空氣中濃度達到爆炸極限范圍，且在遇到明火情況下。作為能在LNG泄漏區域航行的船舶，需考慮以下問題：

（1）如何預警船外/艙內可燃氣體的濃度;

（2）如何感知LNG對船體結構的傷害;

（3）如何防護船舶不受LNG的侵入;

（4）如何防護船舶自身受外部火情影響;

（5）選擇何種電源作為維持船舶在LNG泄漏海域安全航行的動力等。

基于上面的考慮，需設計一套具備感知預警能力、主/被動防護能力以及能夠維持船舶動力的安全防護系統，建立集成感知、防護及綜合監測、控制的安全防護體系。通過安全防護系統的設計，使得本船具備較強的綜合信息處理能力，能夠承擔綜合應急現場移動指揮中心的重任;具備履行危險品作業監管與護航的能力;能夠實現對現場LNG等危險氣體的監測與預警，評估危險警戒區域范圍;具備較好的自我防護功能，可在警戒區域內安全航行。

2.1? 系統簡介

根據設計要求，安全防護系統包括：危險氣體監測系統、氣密風閘、氣密門/氣密艙口蓋、動力電池組、艙室正壓維持系統、水幕系統、低溫探測系統和二氧化碳脫除裝置等安全監測及防護設備，如表1所示。

在救援工況下，本安全防護系統設計有一級指令（定義為室外危險氣體達到一定爆炸下限百分比A%時）和二級指令（定義為室外危險氣體達到一定爆炸下限百分比B%時，B%>A%），可實現絕大多數非防爆設備的一鍵切斷，以及部分安全防護設備功能的激活。此外，為保證本船在危險氣體警戒區的航行安全，本船室外還配備了部分防爆設備，包括防爆雷達、防爆GPS、防爆燈具等。

2.2? ?系統/設備功能

2.2.1 危險氣體監測系統

主要負責在船舶外甲板、通風口、對外走道門等可能和外部發生空氣交換的關鍵位置，對危險氣體濃度（主要針對LNG氣體）進行實時監測。各危險氣體監測探頭獲取的氣體濃度信號接入綜合信息化系統，當氣體濃度升高時在駕駛室、應急指揮中心可發出聲光報警;另外，本船還配有4臺便攜式危險氣體探測設備，便于作業行走人員隨身攜帶，當檢測到人員周邊的危險氣體濃度達到設定百分比的爆炸下限時，同樣會發出聲光報警。

2.2.2 低溫探測系統

當 LNG 泄露到海上后，液態 LNG 會快速吸收環境中的熱量并迅速氣化，在這一過程中會造成周圍環境溫度的下降，如果在此過程中船的鋼板接觸到 LNG 液體，則可能發生船舶鋼板脆化崩裂的情況。為了有效感知這種特殊情況，配備了4個低溫溫度傳感器，布置在船體兩側監測當前的環境溫度。當環境溫度低于 0℃時，溫度傳感器系統發出一個低溫報警信號在綜合信息化大屏幕上綜合顯示，指揮人員收到報警后可根據現場情況盡快撤離。

2.2.3 氣密風閘

本船配備50余個氣密風閘，主要用于隔絕本船內部與外部的空氣交換。氣密風閘分布于主船體、主甲板、首樓甲板、A甲板和駕駛甲板，共配置4個氣密風閘控制箱分布于上建，該控制箱與綜合信息化系統有相關電氣接口。

在控制箱可單獨或一鍵開閉與該控制箱有電氣連接的風閘;在駕駛臺配置的氣密風閘遙控板，也可分別一鍵開閉每個控制箱的風閘;除此之外，救援工況下在綜合信息化系統還可一鍵關閉全船所有風閘（機艙風閘除外），同時可實時監測任何一個風閘的開閉狀態，只要任意一個風閘未關閉到位，綜合信息化系統便會發出聲光報警。作為應急使用，氣密風閘也可就地手動關閉。

氣密風閘的設計，還需兼顧救援工況下的船舶安全以及正常航行時的設備安全和人員安全。全船凡是軸流風機、離心風機配備的氣密風閘均設有連鎖功能，即氣密風閘關閉時風機不能起動，而正在運行的風機遇到風閘關閉時則自動停止;此外，全船除機艙、應急發電機室的氣密風閘在失電或失氣的情況下保持當前狀態外，其余區域的風閘在失電或失氣情況下會自動關閉。

2.2.4? 氣密門/氣密艙口蓋

全船所有對外開啟的門、艙口蓋均為氣密型，同時就近安裝有門行程開關，狀態信號均遠傳至綜合信息化系統，可在該系統實時觀察到門、蓋啟閉狀態。

2.2.5 艙室正壓維持系統

包括呼吸空壓機、高壓空氣瓶、減壓閥組以及閥控制系統等相關設備。主要用于當船舶所有開口封閉時可向人員聚集區域釋放新鮮空氣，改善船內空氣質量，保證人員的正常呼吸;同時保證上建生活區空氣正壓，有效阻止外界危險氣體滲入安全區;另外，本船上建設有氣鎖間，是救援工況下外出作業人員的唯一進出通道，此通道配備內外門，當外門打開時同樣也會釋放氣體以保證正壓，防止危險氣體擴散進艙內。

閥控制系統是該正壓維持系統下的控制中心。閥控制箱分本地和遙控兩種模式：本地模式可就地開閉電動蝶閥或電磁閥;而遙控模式則為受綜合信息化系統一級指令和二級指令控制的模式，其主要功能如下：

（1）送往上述四個艙室的壓縮空氣由1號電動蝶閥開閉、送往氣鎖間的壓縮空氣由2號電磁閥開閉;

（2）1號電動蝶閥可由綜合信息化系統的二級指令開啟;

（3）2號電磁閥受綜合信息化系統的一級指令激活。該閥與氣鎖間室外門的行程開關聯動，當室外門開啟時自動開啟釋放壓縮空氣;而當室外門關閉時延遲2 s關閉電磁閥;

（4）當綜合信息化系統一級指令激活的情況下，根據閥控制箱采集的門開關信號，若氣鎖間兩側的門（一個為室外門，一個為室內門）被同時打開，則就地發出聲光報警信號;

（5）救援工況下，在駕駛室、應急指揮中心、活動室及緊急醫療救助艙等4個人員聚集區域配備有CO2脫除裝置，通過化學藥劑吸收人員聚集區艙室內的CO2，防止封閉艙室內CO2含量超標，以改善艙室空氣成分;

（6）水幕系統由2臺水幕系統海水泵組成，分別布置于左右舷，水幕噴頭及管路也分左右舷兩個區。每舷海水泵自該舷海底門吸水供至該舷水幕噴頭，兩臺海水泵出口管路設常閉連通閥。實際使用時，可根據面向火場的位置選擇開啟單舷或兩舷的水幕對本船進行保護，最大限度保證船舶自身的安全;

（7）本船設置有2套動力電池組。在穿越危險氣體擴散區域時，由動力電池組代替發電機組為船用設備供電。在此模式下可以繼續使用的設備包括吊艙推進器、首側推器、外甲板防爆設備、部分艙室空調、冷卻系統、船內照明、船內通訊等。

動力電池組的容量經設計計算，在給定特定負載供電的情況及保持7 kn航速的情況下，持續航行時間不低于2小時;

（8）本系統集成信息采集、控制為一體。在救援工況下，可實現危險氣體濃度、氣密風閘/室外門/室外艙口蓋狀態信號、室外低溫信號以及室外非防爆設備電源開關狀態信號的采集;實現正壓維持系統的激活及全船氣密風閘（機艙風閘除外）的一鍵關閉;對全船室外非防爆設備、室內非必要使用設備的電源實行一鍵切斷。

對于電站管理，綜合信息化的一級指令使得電站轉換為一臺主柴油發電機組與動力電池并網的模式，同時電網可對動力電池組充電，以保證動力電池組盡可能充滿電;綜合信息化的二級指令使得電站轉換為純動力電池組供電模式，此時動力電池組為救援工況下的特定負載供電。

該安全防護系統由信息化小型一體化機房、信息化大屏、駕駛室工作站以及救援模式控制箱等組成。可實現在駕駛室、應急指揮中心以最高權限實時監測救援工況下的各類重要信息，并根據室外危險氣體濃度人為決策是否依次發出救援工況下的一級指令和二級指令;根據救援工況下對本船安全防護使用的需求，設計時整理好信號清單，作為安全防護系統設計的依據。

3? ? 安全防護系統的安裝檢驗及注意事項

系統安裝過程中，需注意以下幾點：

（1）感知設備，如危險氣體監測系統的探頭，應結合LNG氣體較輕的特點，盡可能裝于各個區域的高處，且勿裝于風口位置;對低溫探測系統中的探頭，應分布在船舶四周，且勿安裝于易產生高溫的位置或風口;

（2）被動防護設備，如氣密風閘、氣密門/蓋，除對裝置自身的密性要求外，還需在裝置安裝到位后逐個進行密性試驗;

（3）主動防護設備，如正壓維持系統，應注意高壓管路的密性驗證;水幕系統應注意噴頭出水效果是否覆蓋船體外殼構成防護水幕;

（4）針對安全航行使用的電源，即動力電池組，布置安裝時應滿足相關規范要求。

4? ? ?安全防護系統的聯調試驗

安全防護系統作為承擔本船使命任務的關鍵系統，除逐個系統的功能性報驗，還需要進行聯調，以試驗整套流程及功能的合理性和安全可靠性。

4.1? ?試驗目的

驗證本系統的一鍵切斷、一鍵激活功能是否有效;同時，也應驗證整套安全防護流程的合理性，以及是否與船東的人員配備和用船習慣相符，操作流程是否有不合理之處。

4.2? ? 試驗條件

（1）危險氣體監測系統、氣密風閘、氣密門/氣密艙口蓋、動力電池組、艙室正壓維持系統、水幕系統、低溫探測系統和二氧化碳脫除裝置等，已單獨試驗并報驗完成;

（2）綜合信息化安全防護系統界面已完善，且可在信息化大屏、駕駛室工作站顯示;救援模式控制箱作為信號采集和一/二級指令輸出的最終執行者，需仔細檢查核對每一個輸入輸出通道，包括數字信號輸入、模擬量輸入、pt100輸入和數字信號輸出等。對信息化大屏和工作站顯示的信號，需對照安全防護系統信號清單查看有無缺漏;

（3）開啟綜合信息化系統，調整至安全防護界面;開啟信號接入安全防護系統的相關設備，諸如危險氣體探測器、氣密風閘等;確保相關系統處于安全防護系統可遠程遙控的控制模式，如艙室正壓維持系統。

4.3? ?試驗流程

（1）一級指令手動操作流程

主要是手動關閉能阻止本船與室外有氣體交換的門、艙口蓋和百葉窗等;手動關閉部分不宜直接切斷電源的設備;手動關閉或開啟部分閥件;手動開啟二氧化碳脫除裝置以確保本船密閉后二氧化碳濃度上升威脅到船員安全;所有手動操作完成后應復查檢驗，如外門、艙口蓋均可在安全防護界面里查看狀態是否處于關閉。

（2）一級指令自動操作流程

在安全防護系統界面按下一級指令按鈕后，全船會有如下動作：大多數全船室外非防爆設備以及室內非必要使用設備被切斷;功率管理系統將電站轉換為單臺柴油發電機組與動力電池組并網，且動力電池處于充電模式;全船氣密風閘（機艙區除外）被關閉;正壓維持系統下的氣鎖間電磁閥功能被激活。

上述操作完成后，應根據安全防護系統信號清單實船檢查一下操作是否都被執行和反饋到位。如：相應負載的開關是否被有效切斷;在集控臺功率管理系統工作站檢查是否單臺柴油發電機組與動力電池并網且電池能被充電;以及氣密風閘（機艙區除外）是否被關閉到位等。

（3）二級指令自動操作流程

在確認一級指令操作流程被有效執行后，可進行二級指令操作流程。二級指令發出后，在網主柴油發電機組急停，本船進入純電池供電模式;同時，高壓呼吸空氣瓶開始給上建4個艙室供應呼吸空氣。

與一級指令一樣，對二級指令執行結果進行復核，以確認被有效執行。本試驗需維持2小時，并保證全船處于微正壓，通過壓差表可讀取數值。

（4）恢復正常航行模式

通過安全防護系統界面接觸一、二級指令，打開全船氣密風閘，啟動相關風機和發電機組，并按實際備航需要依次開啟正常航行所需的相關設備。

5? ? ?結束語

本船的安全防護系統較為龐大，集成了很多分系統，有非常多的信號輸入及控制的輸出。在救援工況的設計中，需考慮各方面的影響，并通過實船檢驗對設計加以改進。本文旨在拋磚引玉，為類似船舶的安全防護系統設計與試驗提供參考。