內河純電動旅游客船安全風險評估

楊 進，趙 佳，姜 磊，徐曉健

應用研究

內河純電動旅游客船安全風險評估

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鍵系統直流組網系統和電池動力系統可能存在的高風險進行了識別，并提出了相應的建議措施，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險進行了分析，同時提出了降低或消除風險的建議措施。同時，分別面向船舶、純電動旅游客船的航運企業、通航管理部門等提出了相應的安全監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 安全風險 直流組網 電池動力系統 升船機

0 引言

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

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、行駛環境復雜多變的特點相比，內河運輸范圍小、航線里程短，更適合純電池動力船舶的發展。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域內多項技術研究應用的空白，極大促進我國內河純電動旅游客船的發展。

圖1 國內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系統和大容量船舶動力電池，可適應船舶在葛洲壩船閘、三峽船閘、三峽庫區、長江航道等區域的安全航行。為保證船舶的整體安全性，應對純電動旅游客船進行安全風險評估，識別船舶關鍵系統以及船舶營運過程中的潛在風險因素，并提出相應風險控制措施。

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，主要系統包括：電池動力系統、直流組網系統、電力推進系統以及消防通風系統等。其中：電池動力系統共設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荷提供電力電源。船舶采用直流組網方式，將船舶上的岸電電源、鋰電池組與用電負載通過變頻器組網連接，通過直流母線對整個電氣功率進行分配。三臺全回轉舵槳裝置和三臺推進電機安裝在尾部的舵槳艙內。

“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峰和葛洲壩電站反調節的影響呈現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”航行區間通過三峽升船機，三峽升船機是三峽工程的通航設施之一，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，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”的直流組網系統和電池動力系統進行安全能力評估，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險進行識別。

2.1 基于FMEA的直流組網系統和電池動力系統安全能力評估

FMEA是一個對相關故障模式識別并對環境、人員、設備等影響定性分析的綜合方法。在FMEA中，通過將系統有層次的劃分為子系統，對層次結構中的每個分組進行FMEA，其分析流程如圖4所示。

根據圖4所示，純電動旅游客船的直流組網系統和電池動力系統的FMEA具體流程[5]：

1）確定純電動旅游客船的分析邊界，包括：船舶直流組網系統和電池動力系統。

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

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

4）對上述分析內容進行記錄。

5）對下一系統或部件進行分析。

圖3 FMEA分析流程

2.2 基于HAZID的船舶過升船機安全風險識別

HAZID分析包括：識別潛在危險源，分析起因和導致的后果，提出建議消除、規避、控制或降低風險。

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

1）劃分節點。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點。本文重點關注船舶過升船機期間的潛在安全風險。

2）確定主要引導詞或危險源。純電動旅游客船過升船機過程中的主要引導詞為碰撞、火災、沉船、觸碰、失電、船舶失控、操作不當等。

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

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

5）根據分析結果，進一步提出建議措施。

表1 事故發生可能性分類

表2 事故后果嚴重性分類

表3 4×5階風險矩陣

3 純電動旅游客船安全能力評估

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

3.1 直流組網系統安全能力評估

通過FMEA分析，直流組網系統可能發生的高風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，主要為冷卻系統集中故障、功率模塊直流側故障和直流母線故障。

1）冷卻系統集中故障

電池艙結構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。電池艙結構失效可能會導致船舶觸礁或擱淺、船舶碰撞、電池艙內可燃氣體爆炸以及艙壁變形破損。

為了避免冷卻系統集中故障的發生，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量的水冷柜能夠繼續獲得電力；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故障。

2）功率模塊直流側故障

功率模塊直流側故障主要包括：斬波柜輸出直流側故障和逆變柜直流側故障。導致功率模塊直流側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. 短路導致系統欠壓故障；3. 短路導致電壓振蕩發生過壓故障；4. 短路電流經過IGBT反并聯二極管，造成二極管損壞。功率模塊直流側故障最嚴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故障的發生，建議：1. 模塊自身電容應能夠耐受此短路電流而不發生故障或熔斷器距離支撐電容足夠近；2. 功率模塊直流側短路時，不會使得非故障支路發生欠壓或電壓欠壓故障不影響船舶發電和推進動力；3. 當某一功率模塊直流側短路時，其他模塊直流側電壓振蕩過程中不會出發過壓保護；4. 功率模塊直流側短路時，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致系統欠壓故障、短路導致電壓振蕩發生過壓故障或短路導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生，建議采取的措施包括：1. 確保一側母排短路時，不會使得非故障側母排發生欠壓或電壓欠壓故障不影響船舶發電和推進動力；2. 確保一側母排短路時，非故障側母排電壓振蕩過程中不會觸發過壓保護；3. 通過指導手冊等文件，告知維護人員更換故障母線各設備熔斷器的方法。

3.2 電池動力系統安全能力評估

通過FMEA分析，電池動力系統可能發生的高風險項主要包括：電池艙結構失效，電池艙的艙壁和甲板強度不足、密封性不足或選材不當，電池釋放易燃可燃物質、冷卻水管路供水不足等。

1）電池艙結構失效

電池艙結構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。電池艙結構失效可能會導致船舶觸礁或擱淺、船舶碰撞、電池艙內可燃氣體爆炸以及艙壁變形破損。

為了避免電池艙結構失效，應對電池及托架對底部結構強度的影響進行校核，分析電池域發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

電池艙的艙壁和甲板強度不足、密封性不足或選材不當會導致艙壁和甲板在火災中變形或失去承載能力，火災中的煙氣會蔓延至其他相鄰艙室。針對此風險項，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

電池釋放易燃可燃物質主要是由于H2、CO、烷烴類、煙霧顆粒、氣體有機物遇到點火源等所導致的。可燃易燃物質的釋放能夠引起火災或爆炸，為此船上通常會設置有可燃氣體探測報警系統、機械排風系統、固定式七氟丙烷滅火系統、固定式壓力水霧滅火系統等。建議可燃氣體探測器數量和安裝位置應與可燃氣體散發位置、可燃氣體密度相適應，以能盡早探測到電池艙內的可燃氣體。

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、雜質堵塞管路、管路強度和密性不足導致的。若冷卻水管路發生破損或堵塞，會導致推進電機、變頻器柜均無法正常工作，對推進和轉向造成嚴重影響，損壞推進電機和變頻器，進而使得舵槳系統無法工作。為防止出現該風險，建議管路應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險為主。低風險主要包括碰撞、沉船、觸碰、失電、船舶失控，既有安全措施基本可應對這些風險。中風險主要為火災和操作不當。

1）火災

導致火災的可能原因包括：1. 船舶動力系統引燃；2. 船上配電設備及線路短路老化；3. 船上廚房、儲物室等部位因操作不當失火；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生火災會導致船舶、船廂受損，并可能造成人員受傷，導致財產損失等。

為避免火災的發生，船舶和升船機均有相應的安全措施，包括：1. 船舶設有防火分隔、探火和報警等措施；2. 船上已配備相應的消防設施；3. 升船機配備相應消防設施；4. 規定通行船舶承載人數不超過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，派駐領航員或安全監督員登船，提高船舶自身安全等級；4. 加強船舶消防安全認證，引入評估、保險等第三方機構對通過升船機船舶進行安全監督。

2）操作不當

操作不當通常由于船上人員操作經驗不足，無證上崗，與調度室溝通不暢，未對船舶進行有效系固導致的。操作不當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、船廂側壁發生碰撞；2. 影響升船機通航；3. 導致船舶或升船機設備故障；4. 造成船員受傷；5. 設備誤操作開啟或關閉。為避免由于造作不當導致船舶過升船機產生風險，建議加強純電動旅游客船船員的培訓，并且補充相關的系統操作手冊。

4 安全監管措施方案建議

為降低純電動旅游客船內河航行的安全風險，建議在安全監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規定。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范，或編制“純電池動力船舶航行、過閘、過升船機管理規定”。

2）嚴格落實安全主體責任。加強企業安全管理，從事純電池動力船舶運輸的航運企業要進一步完善船舶航行、過閘、過升船機操作規程和安全值守制度，制定針對船舶火災、電池艙爆炸等突發事件應急預案，強化船員安全操作技能和應急處置培訓，對純電池動力船舶實施動態監控。

3）建立健全協調工作機制。建立健全由樞紐通航管理部門牽頭，海事、航道、公安等有關單位參與形成的聯動機制，全面協調純電動旅游客船過閘/升船機安全航行、航道養護、水上治安和突發事件應急處置等工作。

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

5 結論

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

[1] 羅肖鋒, 吳順平, 雷偉, 等. 船舶能源低碳發展趨勢及路徑[J]. 中國遠洋海運, 2021(3): 46-51.

[2] 劉星辰, 盛進路. 內河純電動船舶航運的適應性及發展[J]. 船電技術, 2021, 41(6): 19-22.

[3] 呂明杰, 豈興明, 尹航, 等. 淺析內河純電動船舶發展現狀[J]. 船電技術, 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量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 系統可靠性分析技術失效模式和影響分析(FMEA)程序: GB/T 7826-2012[S]. 北京: 中國標準出版社, 2013.

[6] 中國船級社. 船舶綜合安全評估應用指南[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