lng燃料動(dòng)力船的安全利用分析

lng燃料動(dòng)力船的安全利用分析

作為世界上公認(rèn)的清潔能源，天然氣在一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和能源結(jié)構(gòu)中的地位日益突出。過(guò)去20年，世界天然氣消費(fèi)年平均增長(zhǎng)2.4%，為同期石油增速（1.1%）的2倍多。世界天然氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展的黃金時(shí)期。在航運(yùn)界，促進(jìn)對(duì)液化天然氣（LNG）的燃料日益重視主要是由于《防止船舶造成空氣污染規(guī)則》的實(shí)施、經(jīng)濟(jì)性和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整等幾個(gè)方面的原因，基于這些主要因素，LNG作為船舶動(dòng)力用燃料得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。LNG燃料動(dòng)力船燃料利用整個(gè)環(huán)節(jié)上的安全性主要是依據(jù)LNG的相關(guān)物理特性，從根源上對(duì)其可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)進(jìn)行限制，但由于工業(yè)水平的限制以及制造成本與安全水準(zhǔn)高低的矛盾，并不能將所有的危險(xiǎn)從本質(zhì)上予以消除，為了使這些可能發(fā)生的危險(xiǎn)（例如氣體泄漏等）處于受控狀態(tài)，甚至是發(fā)生危險(xiǎn)后（例如爆炸起火）如何將危害性減至最低，這些都需要有一套針對(duì)LNG燃料利用過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)、控制和安全系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全利用LNG燃料的目標(biāo)。1燃料利用鏈條的主要設(shè)備常見(jiàn)的LNG燃料動(dòng)力船整個(gè)燃料系統(tǒng)如圖1?？梢钥闯?，整個(gè)LNG燃料利用鏈條上的主要設(shè)備為：燃料艙、熱交換器、壓縮機(jī)（一般存在于高壓燃?xì)庀到y(tǒng)或安裝有再液化裝置的系統(tǒng)）、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。因此對(duì)于整個(gè)燃料利用鏈條上的設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)主要是上述的四大部件。2監(jiān)測(cè)參數(shù)2.1燃料艙的監(jiān)測(cè)燃料艙是LNG燃料動(dòng)力船舶的燃料儲(chǔ)存裝置，是LNG燃料動(dòng)力船舶以LNG作為燃料的基礎(chǔ)，燃料艙的安全不僅關(guān)系LNG燃料船舶的動(dòng)力性安全。LNG從液態(tài)到氣態(tài)，其體積要擴(kuò)大約600倍，因此燃料艙的安全也關(guān)系到整個(gè)船舶的安全，甚至于也涉及船舶通航環(huán)境的安全。對(duì)于燃料艙的監(jiān)測(cè)主要是涉及充裝時(shí)的監(jiān)控和營(yíng)運(yùn)時(shí)的監(jiān)控，主要對(duì)其進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)和溢流保護(hù)。并要求就地顯示壓力表、液位表，以及在駕駛室或機(jī)艙有人值班的位置顯示壓力表、液位表，溫度表。壓力表上應(yīng)清晰標(biāo)明燃料艙允許的最高壓力和最低壓力。此外，高壓報(bào)警、低壓報(bào)警（如適用）、高液位報(bào)警、低液位報(bào)警應(yīng)安裝在駕駛室或機(jī)艙有人值班。高壓報(bào)警在達(dá)到壓力釋放閥調(diào)定壓力之前警報(bào)應(yīng)鳴響。2.2燃料供應(yīng)系統(tǒng)氣體燃料壓縮機(jī)在現(xiàn)在常用的LNG燃料動(dòng)力船燃料供應(yīng)系統(tǒng)并不常見(jiàn)，其主要是應(yīng)用在高壓發(fā)動(dòng)機(jī)或者安裝有BOG氣體回收再液化裝置的燃料供應(yīng)系統(tǒng)中，它的主要功用是建立初級(jí)的具有一定壓力的氣體，特別是對(duì)于高壓氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，其供氣壓力可達(dá)30MPa，為達(dá)到這么高的壓力，除了發(fā)動(dòng)機(jī)本身的增壓系統(tǒng)外，其對(duì)燃料供應(yīng)系統(tǒng)的供氣壓力也是具有較高要求的，此時(shí)就需要在燃料供應(yīng)系統(tǒng)上安裝有氣體燃料壓縮機(jī)系統(tǒng)，以提供合適的供氣壓力。壓縮機(jī)的目的主要是對(duì)氣體加壓，因此對(duì)其主要是進(jìn)行進(jìn)氣低壓、排氣低壓、排氣高壓和運(yùn)行故障的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)報(bào)警。2.3燃料出口溫度對(duì)燃料調(diào)濕的影響作為燃料利用中將天然氣從液相轉(zhuǎn)換為氣相的關(guān)鍵設(shè)備，熱交換器的關(guān)鍵性不言而喻。熱交換器不但要為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的燃料供應(yīng)，同時(shí)也要保證為發(fā)動(dòng)機(jī)所提供燃料“質(zhì)量”（溫度等）的好壞。依據(jù)對(duì)其的功能要求，主要針對(duì)熱交換器氣體燃料出口溫度進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)考慮到LNG超低溫的特性，當(dāng)熱交換器的換熱介質(zhì)的凝固點(diǎn)高于液化氣體沸點(diǎn)時(shí)，對(duì)換熱介質(zhì)的出口溫度也需要進(jìn)行監(jiān)控，并且為防止換熱介質(zhì)停止循環(huán)后造成管路超壓，也需要對(duì)其介質(zhì)的流動(dòng)性進(jìn)行監(jiān)控，一般情況下是通過(guò)監(jiān)控?zé)峤粨Q器的循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.4動(dòng)力安全性分析作為天然氣燃料利用中能量形式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備——?dú)怏w燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作狀態(tài)的監(jiān)控牽涉到整個(gè)船舶的動(dòng)力安全性。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與普通的柴油機(jī)相比，在工作狀態(tài)上主要是具備了工作狀態(tài)不同、工作模式的多樣性，因此對(duì)于氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)控要求除滿足規(guī)范對(duì)普通柴油機(jī)監(jiān)控要求外，還應(yīng)對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和工作模式進(jìn)行監(jiān)控。3燃料供應(yīng)系統(tǒng)的安全控制3.1氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)燃料充裝時(shí)常見(jiàn)的管路及閥件的布置方式如圖2所示。充裝系統(tǒng)包含氣相管路、液相管路、惰性氣體吹掃管路、連接軟管、緊急切斷閥等，對(duì)于接收船來(lái)講，其主要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于：充裝站內(nèi)閥件的氣體泄漏，充裝管路雙壁管通風(fēng)失效（當(dāng)充裝管路穿過(guò)圍蔽處所時(shí)，需要采用雙壁管的形式），雙壁管內(nèi)氣體泄漏，充裝達(dá)到了氣罐的充裝極限，燃料艙壓力高，充裝管路上的ESD閥失去動(dòng)力等。對(duì)于氣體泄漏采取報(bào)警和ESD閥關(guān)閉充裝管路的策略；對(duì)于通風(fēng)失效，由于通風(fēng)失效并不一定意味著氣體管路出現(xiàn)問(wèn)題，因此僅僅是報(bào)警，以此提示人員通風(fēng)出現(xiàn)問(wèn)題；對(duì)于燃料艙壓力異常、到達(dá)充裝極限采取報(bào)警和ESD閥關(guān)閉的安全策略3.2氣體、通風(fēng)、探火系統(tǒng)的安全控制策略燃料供應(yīng)系統(tǒng)的安全控制所涉及的對(duì)象從燃料艙一直到氣體進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)，整個(gè)鏈路上的處所、設(shè)備、管路閥件均屬于燃料供應(yīng)系統(tǒng)所涉及的對(duì)象。處所主要是：燃料艙處所、燃料艙接頭處所、壓縮機(jī)室、氣體閥件單元處所（GVU）、機(jī)器處所、其他燃料管系穿過(guò)的圍蔽處所；設(shè)備主要是：燃料艙、熱交換器、壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)；管路閥件主要是：從燃料艙至發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋前的燃?xì)夤苈泛碗p壁管及其閥件。如圖3所示，整個(gè)燃料供應(yīng)系統(tǒng)的控制策略是建立在氣體探測(cè)、通風(fēng)系統(tǒng)、探火系統(tǒng)以及其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之上的，以此為基礎(chǔ)根據(jù)不同的對(duì)象來(lái)建立不同的安全控制策略。1）對(duì)于處所的安全控制策略主要針對(duì)下述3個(gè)方面的來(lái)制定安全控制策略。氣體泄漏：依據(jù)探測(cè)濃度值的不同，采用先報(bào)警后切斷的策略。在切斷時(shí)需要依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的類型（單一氣體，雙燃料），發(fā)生泄漏的區(qū)域（主氣體燃料閥前，后），燃料供應(yīng)的布置形式（兩個(gè)氣罐分別供應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)等），切斷后船舶的動(dòng)力性等因素綜合考慮來(lái)進(jìn)行切斷操作。通風(fēng)失效：通風(fēng)失效往往不代表一定會(huì)有危險(xiǎn)發(fā)生，也不代表氣體一定泄漏，因此對(duì)于通風(fēng)失效后的控制策略的制定也需要進(jìn)行多種因素的綜合考慮。主要考慮的因素有：處所或區(qū)域的危險(xiǎn)性是否主要依賴于通風(fēng)，切斷燃料供應(yīng)后是否會(huì)影響船舶的動(dòng)力性等。火災(zāi)：對(duì)于探測(cè)到火災(zāi)后的策略，由于已經(jīng)發(fā)生了危險(xiǎn)，因此對(duì)于這類因素安全控制策略主要目的就是防止損失的進(jìn)一步擴(kuò)大，所以其往往是直接采取滅火和切斷燃?xì)夤?yīng)的策略。2）對(duì)于設(shè)備的控制策略。主要是對(duì)燃料艙、熱交換器、壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的進(jìn)出口壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，考慮安全性和船舶動(dòng)力性后采取設(shè)備關(guān)閉，燃?xì)馇袛嗟却胧?）對(duì)于管路的控制策略。管路主要是針對(duì)氣體泄漏和通風(fēng)導(dǎo)管（如采用雙壁管）內(nèi)通風(fēng)失效（或是管內(nèi)充正壓惰性氣體），來(lái)制定安全策略。其同樣需要考慮燃料供應(yīng)安全性和船舶動(dòng)力性。燃料充裝和燃料供應(yīng)時(shí)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)控制措施及手段見(jiàn)表1