LNG運輸與動力驅(qū)動船舶的安全管理

中國船級社上海分社 焦光遠(yuǎn)

一、引言

天然氣（Natural Gas，簡稱NG）作為化石中污染最少的能源，熱值相應(yīng)高于煤炭和石油，中國將大力提高NG在能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，而LNG 動力驅(qū)動船舶正借此契機快速發(fā)展。另外，隨著運輸距離的增加，海底管路與液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG，主要組成成分是甲烷，還包括有少量的乙烷和其他重烷烴）船舶運輸量正在快速增加。LNG 運輸船舶作為高經(jīng)濟附加值的船型正在得到中國造船業(yè)的重視，并且發(fā)展速度逐步加快，截止2012年中國已有16 條LNG 船投入營運。而LNG 作為易燃易爆危險品，在儲運過程中其安全性和經(jīng)濟性需要得到格外的重視和考慮?；诖耍疚膶⒎治鯨NG 運輸與動力驅(qū)動船舶儲運危險發(fā)生機理，介紹其安全防護(hù)安排，并對LNG 冷能在船舶推進(jìn)裝置上的應(yīng)用安全性做出探討。

二、LNG 運輸與動力驅(qū)動船舶儲運危險發(fā)生機理[1-3]

1.LNG儲存危險發(fā)生機理

LNG 的船舶運輸與儲存都是以常壓全冷方式運輸?shù)?，即在大氣壓下?163 ℃左右低溫儲存運輸。其儲存過程中發(fā)生的危險主要與LNG 的飽和沸騰有關(guān)。LNG 作為混合物，其沸點隨組分的不同而不同，但船舶運輸?shù)腖NG 其甲烷含量均高于85%，因此其沸點溫度大約為-160 ℃，與其存儲溫度相比，僅有3 ℃左右的過冷度，一旦發(fā)生LNG液貨艙隔熱效果降低或船舶發(fā)生劇烈搖晃，液貨艙中的LNG 會加速蒸發(fā)，甚至發(fā)生沸騰現(xiàn)象，嚴(yán)重的話會頂開甲板上的壓力釋放閥。

這是因為LNG 混合物的特性，其密度和組分的不同會引起分層，而層與層之間會產(chǎn)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，上層的液體會從下層吸收熱量進(jìn)行蒸發(fā)，從而使下層液體處于飽和甚至是過熱狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生劇烈晃動時，兩層液體迅速混合產(chǎn)生大量氣體，使液貨艙內(nèi)壓力快速升高。另外，當(dāng)LNG液貨艙隔熱效果降低時，LNG 從外界直接吸收熱量，蒸發(fā)速率加快。如果此時LNG 船舶壓力釋放裝置不能及時開啟，會有發(fā)生液貨艙爆炸的危險。

2.LNG運輸危險發(fā)生機理

LNG 船舶運輸過程中，可能由于碰撞、擱淺或操作失誤而造成LNG 液體的泄漏，而泄漏出的LNG 液體與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱蒸發(fā)沸騰成NG氣體進(jìn)行擴散。在這兩個階段中，由于不同的物質(zhì)屬性會產(chǎn)生不同的危險，下面對其進(jìn)行分別論述。

1）LNG 液體泄漏危險

當(dāng)LNG 泄漏到甲板時，-163 ℃的低溫液體能使與其接觸的低合金碳鋼發(fā)生局部冷卻，產(chǎn)生的過度的熱應(yīng)力會使船體發(fā)生自發(fā)性脆性破裂，失去延展性，從而危及整個船體結(jié)構(gòu)。同時，如果泄漏的LNG 接觸到裸露的人體皮膚時，由于LNG 汽化過程中會大量吸熱，這將引起人體皮膚的低溫?zé)齻?/p>

當(dāng)LNG 泄漏到水面時，由于LNG 的低溫特性，泄漏出的LNG 會從周圍環(huán)境吸熱，并發(fā)生沸騰相變?？赡芙?jīng)歷的沸騰方式包括有膜沸騰、過渡沸騰和核沸騰等常規(guī)沸騰形式，然而在部分關(guān)于LNG 水域排放實驗的記錄中，LNG 還發(fā)生了爆發(fā)沸騰（Explosive boiling，在瞬態(tài)高熱流作用下引發(fā)的一種超常沸騰現(xiàn)象）。比較以上四種沸騰現(xiàn)象的傳熱傳質(zhì)速率，爆發(fā)沸騰遠(yuǎn)高于其他三種沸騰現(xiàn)象，而且所產(chǎn)生的壓力沖擊波足以對周圍的環(huán)境設(shè)施產(chǎn)生破壞。在爆發(fā)沸騰過程中，大量的LNG 會以極快速的方式轉(zhuǎn)變成NG，冷的NG 會長時間地聚集在船舶或港口區(qū)域，不論對船舶還是港口設(shè)施甚至人員安全都會帶來極大的危害。即使冷的NG 在氣流的作用下得到稀釋和擴散，如果沒能得到燃燒，該部分具有一定濃度的可燃?xì)怏w會隨風(fēng)飄散到居住區(qū)，造成更大的危害。

當(dāng)LNG 泄漏到地面時，由于地面相比于水其熱傳導(dǎo)速率較低，而且地面不具有運動性，這也進(jìn)一步地限制了地面?zhèn)鬟f熱量給LNG 的速率。從而使得在地面上，LNG 只能進(jìn)行較緩慢的常規(guī)沸騰，NG 產(chǎn)生速率較低，使得沖擊波的壓力較低，NG 有相對長的時間在大氣中換熱，重氣云團影響時間較短、區(qū)域較小。簡而言之，LNG 陸域泄漏產(chǎn)生的危害小于水域泄漏。

由此可見，研究LNG 水域排放爆發(fā)沸騰的發(fā)生機理，控制爆發(fā)沸騰發(fā)生強度，使泄漏出的LNG 液體在水域以穩(wěn)定且平緩的方式進(jìn)行沸騰，從根本上預(yù)防或者杜絕災(zāi)害的發(fā)生，這對保障國民經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展，減少災(zāi)害損失有著極其重要的工程價值與社會意義。

2）NG 擴散危險

無論LNG 發(fā)生水域泄漏還是陸域泄漏，都會從外界環(huán)境吸熱而沸騰產(chǎn)生NG，蒸發(fā)沸騰出的NG 初期由于溫度較低，密度大于空氣密度，將在水面或陸面進(jìn)行擴散，形成重氣云團。進(jìn)一步換熱與空氣混合后，重氣云團擴散轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍釉茍F擴散。當(dāng)云團中NG 濃度在5.3%～15%的燃燒爆炸濃度范圍內(nèi)時，遇點火源將發(fā)生燃燒爆炸危害。

不同的泄漏方式將會產(chǎn)生不同的燃燒形式。當(dāng)在水面或陸面形成有液池后再遇點火源時，將發(fā)生池火；當(dāng)從裂口噴射出的NG 被點燃時，稱為噴射火或閃火。當(dāng)燃燒速度過快，產(chǎn)生過壓破壞時，即形成爆炸。如果燃燒發(fā)生在非限制空間，NG 不會發(fā)生過壓破壞（爆炸）。但是，當(dāng)可燃范圍內(nèi)的NG 云團橫穿或繞過某一障礙物時會被劇烈擾動，遇到高壓點火源時，將引起燃燒速率快速提升。隨著燃燒劇烈程度的增加，造成過壓損壞。如果燃燒發(fā)生在限制空間，或擴散到限制空間時，NG 云團被點燃后將發(fā)生過壓破壞，造成建筑物嚴(yán)重的損壞。燃燒和爆炸除了會引起超壓破壞，還會造成熱力學(xué)損壞，而熱力學(xué)破壞的強度與接觸時間和熱流量大小有關(guān)。

攝影：Julia Jones

三、LNG 運輸與動力驅(qū)動船舶安全防護(hù)

1.圍護(hù)系統(tǒng)安全設(shè)計

LNG 運輸船舶圍護(hù)系統(tǒng)本身的可靠性是保證LNG 安全儲運的重要前提，因此遵循標(biāo)準(zhǔn)與進(jìn)行規(guī)范設(shè)計是十分必要的。LNG 運輸船舶均采用雙層殼和雙層底結(jié)構(gòu)，滿足2G型船舶的要求，液貨艙距舷側(cè)外板的橫向距離≥760 mm；距船底板的垂向距離≥船寬1/5，最大取2 m；其他任何部位距外板的距離≥760 mm。鑒于其設(shè)計上充分考慮了安全性，在迄今為止的LNG 運輸船舶事故中，尚未發(fā)現(xiàn)有大規(guī)模的LNG 泄漏事故發(fā)生。除此之外，IMO 對液化氣船的船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備制定了一些規(guī)則，作為國際性的安全標(biāo)準(zhǔn)。

2.應(yīng)急切斷系統(tǒng)

應(yīng)急切斷系統(tǒng)（ESD）可以保證在LNG 裝卸貨期間，當(dāng)發(fā)生不當(dāng)操作或有火災(zāi)爆炸危險時，可以立即切斷或關(guān)閉LNG 輸運管線。該系統(tǒng)具有失效保護(hù)設(shè)計，當(dāng)正常控制系統(tǒng)故障或事故時，失效的可能性極小。

3.NG氣體探測系統(tǒng)

LNG 運輸船舶為處理日常蒸發(fā)的NG，大多使用雙燃料發(fā)動機推進(jìn)裝置。此類發(fā)動機基本上是一臺普通的四沖程柴油機，它可利用NG 作為燃料。這就要求在機艙中布設(shè)有NG 管線，而一旦發(fā)生管線破裂而導(dǎo)致NG 泄漏的話，將會引起機艙火災(zāi)與爆炸的危險。因此，將NG 管線做成雙層管結(jié)構(gòu)，在兩層管壁之間通入壓縮空氣，并布置有NG檢測裝置，在發(fā)生管路破裂事故時，一方面可以通過壓縮空氣流將泄漏出的NG 帶到與管線相連的煙囪處進(jìn)行排放，另一方面通過NG 檢測裝置檢測并報警，切斷NG 供給，保證機艙和全船安全。

4.消防系統(tǒng)[4]

在處理LNG 失火時，推薦使用干粉滅火器，在任何情況下均不要使用水，因為水會使LNG 汽化速率增加，從而將火焰高度增加6 倍，輻射強度增加3 倍。但在處理NG擴散的過程中，可以使用帶水位控制器的水幕或手握軟管噴水。這樣將使LNG 蒸汽云團加速吸熱，由重氣云團擴散轉(zhuǎn)變成被動擴散，增加其上浮的速率并快速擴散開來，降低了對船面上人和設(shè)備的影響。

5.人身安全保護(hù)

LNG 運輸與動力驅(qū)動船舶上的人員在接觸低溫氣體、低溫液體時，必須戴上防護(hù)面罩和皮革手套，穿上無袋的長褲和高筒靴、長袖衣服。在缺氧條件下，需佩戴呼吸裝置。面罩要求在低溫下不會破裂，衣物要求由專門的合成纖維或纖維棉制成，且要求尺寸寬大，以防止低溫液體濺落在衣物上，凍傷皮膚。決不允許人員進(jìn)入LNG 池或噴射物中，因為這些防護(hù)用具不能確保安全。只有不存在著火源且需緊急操作時才能進(jìn)入LNG 蒸氣中。

四、LNG 動力驅(qū)動船舶冷能利用安全性分析

在LNG 運輸過程中，LNG 貨物會不斷受熱產(chǎn)生貨物蒸發(fā)氣，簡稱BOG。處理BOG 的方式不同，決定了LNG 船推進(jìn)裝置的不同。目前LNG 船大部分采用將BOG 在雙燃料鍋爐中燃燒，采用蒸汽輪機推進(jìn)裝置。同時，也有部分LNG采用雙燃料發(fā)動機電力推進(jìn)裝置和裝有再液化裝置的低速柴油機推進(jìn)裝置。此外，利用BOG 作為燃料的燃?xì)廨啓C推進(jìn)裝置也在論證之中。

對于使用BOG 氣體作為燃料的推進(jìn)裝置來說，在使用過程中，根據(jù)工況的要求，還需加入強制蒸發(fā)裝置，強制蒸發(fā)部分LNG 液體，將其產(chǎn)生的NG 氣體作為補充BOG 氣體的不足。在強制蒸發(fā)的過程中LNG 冷能會被白白浪費掉。如何利用這部分冷能成為LNG 動力船舶節(jié)能發(fā)展的一個重要方向，而冷能利用的同時也會給船舶的安全管理帶來隱患，因此針對在船上實現(xiàn)LNG 冷能的利用的兩個設(shè)計進(jìn)行安全性分析，為提高其營運安全與經(jīng)濟性提供理論基礎(chǔ)。

1.對于使用燃?xì)廨啓C的LNG 船舶來說，當(dāng)船舶進(jìn)入到熱帶航行時，氣溫偏高會影響燃?xì)廨啓C的工作效率，無法達(dá)到設(shè)計條件下的功率輸出。此時，如果能將需要蒸發(fā)的LNG 的冷能轉(zhuǎn)化為對進(jìn)氣空氣的冷卻，可增加燃?xì)廨啓C功率15%～20%。

從對此設(shè)計的理論基礎(chǔ)描述可以看出，其安全隱患主要存在于在利用LNG 冷卻空氣的過程中，要確保沒有空氣泄漏入LNG 儲存空間或沒有LNG 隨空氣進(jìn)入壓氣機。如果發(fā)生前者的話，會增加LNG 存儲空間的氧氣含量，一旦未被發(fā)現(xiàn)，會有火災(zāi)爆炸的危險。后者發(fā)生的話，LNG 會吸熱汽化并隨空氣一起在壓氣機中被壓縮，這一過程類似于內(nèi)燃機的發(fā)火原理，有燃燒爆炸危險。

為避免這一安全隱患，對于進(jìn)氣冷卻的設(shè)計需要注意以下兩點：第一，冷卻的空氣在進(jìn)入到燃?xì)廨啓C壓氣機后保證不產(chǎn)生冷凝液體，否則將會對壓氣機葉輪產(chǎn)生液擊，這就要求其冷卻溫度不能低于一個最低溫度值；第二，在不低于最低溫度值的同時，要使進(jìn)氣溫度盡可能的低，但如果將LNG 直接作為制冷劑冷卻空氣，會使空氣中的水分凝固發(fā)生冰塞現(xiàn)象，另外，消除LNG 與空氣互相接觸的可能性，要求采用中間制冷劑。因此中間制冷劑的選擇既要保證冷卻效果[5]，又要保證不與LNG 或空氣發(fā)生反應(yīng)，并具有一定的惰性。

2.LNG 在蒸發(fā)沸騰過程中，其體積變化可達(dá)到600 倍，這為利用其膨脹能做功提供了便利。對于使用雙燃料發(fā)動機電力推進(jìn)的LNG 船舶，直接利用LNG 膨脹能做功推進(jìn)船舶航行顯得不合實際，但是利用其膨脹能作為廢氣渦輪增壓器額外輔助能源來推動空氣壓縮機轉(zhuǎn)動，增加單位時間進(jìn)氣量從而提高發(fā)動機效率是可以實現(xiàn)的。

在完成此項設(shè)計時，需要注意以下三點：第一，在LNG 沸騰換熱的過程中，換熱器的設(shè)計極其重要，應(yīng)能使LNG 以一穩(wěn)定的速率進(jìn)行沸騰相變，從而輸出穩(wěn)定的膨脹能；第二，LNG 沸騰換熱速率的數(shù)值模擬計算工作，這是設(shè)計換熱器的基礎(chǔ)工作；第三，換熱器的密封設(shè)計要極其嚴(yán)格，確保LNG 在發(fā)生沸騰換熱后，沒有任何的NG 外泄出來，這就要求在換熱器上布置多個氣體泄漏監(jiān)測點，一旦發(fā)現(xiàn)有泄漏應(yīng)立即切斷LNG 的供給，查找漏點消除隱患。

攝影：pgegreenenergy

五、結(jié)語

LNG 船舶雖然被定義為高危險的特種船舶，但其在儲運過程中有良好的安全記錄，這主要歸功于其嚴(yán)格的建造規(guī)范與設(shè)備設(shè)計要求。為進(jìn)一步提高LNG 船舶安全性，本文就LNG 船舶危害發(fā)生機理和安全防護(hù)管理進(jìn)行了分析。同時，為提高LNG 動力驅(qū)動船舶營運經(jīng)濟性與安全性，針對LNG 冷能在船舶上的利用的兩個設(shè)計方案進(jìn)行了安全性分析，奠定了一定的應(yīng)用理論基礎(chǔ)。

[1]裴永興.中國液化氣船舶的現(xiàn)狀與安全控制[J].世界海運,2007,30(2):20-22.

[2]張彬,吳宛青,于桂峰.液化天然氣船舶海上泄漏危害性與風(fēng)險分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報,2006,32(4):81-83.

[3]Mike Hightower,Louis Gritzo,et al.Guidance on risk analysis and safety implication of a large LNG spill over water[M].Abuquerque,New Mexico:Sandia National Laboratories,2004.

[4]劉勇.液化天然氣的危險性與安全防護(hù)[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):105-107.

[5]馬曉茜,廖艷芬.液化天然氣儲運與利用中的幾個關(guān)鍵問題[J].石油與天然氣化工,2005,34(5):363-367.