LNG動力船舶通風設計與氣體監(jiān)測

田東方，賈廣付

(青島遠洋船員職業(yè)學院， 山東 青島 266071)

LNG動力船舶通風設計與氣體監(jiān)測

田東方，賈廣付

(青島遠洋船員職業(yè)學院， 山東 青島 266071)

傳統(tǒng)柴油機的排放已難以滿足日益嚴格的公約要求，使用清潔燃料的LNG動力船已成為主流趨勢。LNG燃料具有儲量大、經(jīng)濟性好、排放污染小等特點，但由于其本身物理特性及船舶設計，LNG動力船也存在著一定的危險。針對天然氣漏泄引起的爆炸和著火，文章介紹了LNG動力船舶的通風設計和可燃性氣體的檢測，通過加強通風、安裝氣體探測器、使用全熔透對焊接頭管路等措施[1]有效防止天然氣漏泄，提高船舶安全系數(shù)。

LNG 動力船舶 爆炸與著火 加強通風 可燃性氣體監(jiān)測

0 引言

近年來全球溫室效應日益加劇，船舶排放導致的大氣污染已成為重點關注對象。據(jù)統(tǒng)計由船舶所排放的CO2、SOX和NOX分別占全球總排放量的6%、20%和30%。隨著強制性國際公約、規(guī)則的不斷完善，船舶排放要求也越來越高，如2013年強制實施的EEDI標準，2015年生效的新ECA排放標準。傳統(tǒng)燃油柴油機已難以滿足要求，航運界正積極應對：一方面加強節(jié)能減排新技術的研究，例如使用低硫燃料、安裝氣體吸收裝置等，另一方面尋求綠色能源作為船舶燃料，如LNG。由于其本身特性，LNG燃料在使用中存在一定風險，需在船舶設計及建造中多加注意。

1 LNG燃料特點

液化天然氣(LNG)作為清潔燃料，與燃油相比具有以下優(yōu)點：

1)污染物少。天然氣本身不含硫、碳氫比例較低，其排放物中二氧化硫幾乎為零，氮化物最多降低80%，二氧化碳降低20%左右，排放物中幾乎不含固體顆粒排[2]，能夠達到規(guī)范要求。

2)經(jīng)濟性。 與燃油相比，LNG的價格較低，僅為燃油的四分之三左右，使用LNG燃料可以節(jié)約20%的成本，大大提高了船舶的經(jīng)濟性[3]。

3)儲量豐富。目前世界石油儲量約為1.8萬億桶。如果按現(xiàn)有石油消費水平，僅供開采46年。而目前已探明的天然氣儲量約170萬億立方米，遠超過石油儲量。

2 LNG動力船舶發(fā)展前景

早在2000年DNV船級社就已開始LNG動力船的研究并為之制定相應的規(guī)范，隨后MAN和瓦錫蘭相繼開始雙燃料發(fā)動機的研究，目前已有多種機型裝配在船。為滿足相關規(guī)范要求，實現(xiàn)航運綠色環(huán)保，LNG動力船舶必將成為未來主流趨勢。據(jù)有關機構預測到2015年，以LNG為燃料的新船訂單將達到500艘，到2020年將達到數(shù)千艘。LNG燃料技術飛速發(fā)展的同時LNG的駁運、加注、儲存等鏈接服務也變得越來越完善，例如我國已有多個港口具備LNG加注能力，為LNG動力船舶的正常營運提供了保障。

圖1 LNG與燃油排放對比

圖2 LNG動力船發(fā)展

3 天然氣爆炸與著火

LNG作為船舶燃料具有明顯優(yōu)勢，但因其物理性質及超低溫儲存等特點，使用過程中也存在著一定的風險，例如漏泄會引起低溫凍傷、低溫麻醉、窒息及冷爆炸等。其中對船舶危害最大的應屬天然氣爆炸及著火。天然氣爆炸必須滿足兩個條件：一是與空氣混合，且比例在5%-15%之間。二是遭遇明火。在船舶設計和實際工作過程中應注意采取措施阻斷兩個條件的發(fā)生，確保船舶安全運營。天然氣著火是純氣體燃燒，具有火焰溫度高、熱輻射強度大等特點，嚴重威脅人身和設備安全。由于LNG超低溫儲存特性，泄漏后會迅速蒸發(fā)擴散，根據(jù)漏泄點與火源的距離分為池火和噴射火兩種。若LNG一直持續(xù)漏泄，而氣云在擴散一段時間后才遇到火源，此時火焰可能燒回，形成池火。若在泄漏后即接觸火源，則會形成噴射火。當著火發(fā)生在狹窄空間，氣云的擴散被限制或遭遇加劇燃燒的物質，燃燒有可能演變?yōu)楸ǎM一步危害船舶安全。

4 通風與檢測

LNG動力船的設計不同于燃油動力船，要防止天然氣漏泄，加強安全保護。例如：選用增強安全型機艙[4]；采用雙壁管形式供氣管路；管路采用經(jīng)X射線和滲透檢測的全熔透對焊接頭；合理劃分危險區(qū)域，選用符合規(guī)范的電氣設備，消除或隔離引燃源；加強通風，防止可燃性氣體的堆積；加強可燃性氣體的監(jiān)測與報警；加強火警探測，完善消防措施；加強供氣保護[5]等。通過以上措施的實施，可有效降低LNG動力船的事故發(fā)生率，使其安全水平達到人們的要求。以下 主要從通風和氣體監(jiān)測兩方面進行討論：

1)增強通風，防止可燃性氣體堆積

通風主要是為了阻止可燃性氣體的積聚，將漏泄氣體及時排除。根據(jù)DNV、CCS等要求，通風系統(tǒng)應該由多個獨立風機構成，且當任意一組失效時其通風能力應能維持在50%以上。通風管道應相對獨立，進出口遠離火源，安裝高度符合規(guī)范要求且?guī)в蟹雷o網(wǎng)。風機電動機選用非火花結構并具有良好的抗靜電性，考慮到電動機可能產(chǎn)生的電火花形成著火源，電動機應安裝在通風管外部。LNG動力船應從以下處所加強通風：

(1)供氣管道。例如采用高壓供氣系統(tǒng)的MAN-MEGI雙燃料主機，其供氣噴射閥設在缸頭。供氣管及噴射閥集全部采用雙壁管，其環(huán)形空間要進行抽吸式通風，空氣可由主機掃氣出機艙處引出，流動方向與內管燃料相反，通風量不小于30次/小時。為有效監(jiān)測通風，通風進口處設有流量傳感器，其信號傳至主機控制系統(tǒng)。當雙壁管無法維持正常通風量時將主供氣閥關閉，停止燃氣供應，發(fā)動機從燃氣模式轉為燃油模式。

采用低壓供氣系統(tǒng)的瓦錫蘭DF系列發(fā)電原動機通風系統(tǒng)類似，但考慮到進出港、裝卸貨時用電量較大，可能多臺發(fā)電機并聯(lián)工作，為確保每臺機器的通風量都能同時滿足最低要求，可在每臺發(fā)動機新風入口處安裝風量調節(jié)閥。

圖3 主機供氣管路通風系統(tǒng)圖

圖4 閥箱通風系統(tǒng)

(2)供氣室。供氣室里有多個LNG處理設備，難免發(fā)生氣體漏泄，因此供氣室需要安裝排風機，使其密閉空間通風量不小于30次/小時。此外泵或壓縮機可與風機做成連鎖模式，只有在通風系統(tǒng)運行10分鐘后泵和壓縮機方可啟動。

(3)閥箱。機艙內供氣管路上設有多個閥件，所有閥件均布置在一個氣密的密封筒內，稱為閥箱(GVU)，利于管理和監(jiān)控。閥件在長時間使用后有可能密封不嚴導致氣體漏泄，使閥箱變?yōu)楦呶^(qū)域，為此GVU應進行獨立通風。

(4)曲軸箱。主機進行正常運行時，曲軸箱內無可燃性氣體，當主機出現(xiàn)故障例如活塞環(huán)和缸套相互磨損嚴重，可燃性氣體可能漏泄至曲軸箱并形成堆積，因此曲軸箱要進行機械通風。為減少管路的復雜性，可將風機安裝在曲軸箱透氣管上。

(5)排煙總管。對于四沖程柴油機來說，由于氣閥重疊角的存在，排氣總管中難免存在可燃性氣體，因此需進行特殊設計。排氣管應傾斜向上布置，且配有排出式風機。該風機在停車后仍繼續(xù)工作，及時將管內殘留的可燃性氣體排出。

2)加強檢測，完善報警系統(tǒng)

可燃性氣體濃度監(jiān)測是防止LNG動力船舶事故發(fā)生的一種有效的措施。當探頭所在區(qū)域的天然氣濃度超過設定范圍時能迅速發(fā)出聲光報警并準確顯示漏泄區(qū)域，便于查找和維修。根據(jù)船級社相關規(guī)定，用于可燃性氣體探測的探頭均為獨立管線、獨立電源和獨立信號，探頭相互支持相互備份，且能夠連續(xù)性工作，確?？扇細怏w探測的可靠性。LNG動力船舶應對以下幾處進行可燃性氣體監(jiān)測：

(1)主機上方應設有兩套相互獨立的氣體探測裝置，并能覆蓋整個機器處所，其聲光報警布置在駕駛室和集控室。當可燃氣體濃度達到設定值時，觸發(fā)報警裝置，同時切斷通往機艙的氣體燃料供應，發(fā)動機自動轉為燃油模式。

圖5 機艙頂部可燃氣體探測器

(2)由于閥箱屬于密閉空間且存在漏泄可能，故需安裝可燃氣體探測器，一般為兩個。當任意一個探測到可燃氣體濃度高于20%LEL時，發(fā)出報警；當兩個同時探測到可燃氣體濃度高于40%LEL時，停止燃氣供應，轉為燃油模式運行。此外該處探測器還與主機控制系統(tǒng)相連接,兼具模式轉換前的檢測功能。當主機從燃油轉為燃氣模式時，閥箱必須預先進行探測，符合要求后才允許轉換。

(3)為監(jiān)測雙壁管漏泄，其通風出口處安裝兩個相互獨立的可燃性氣體探測器。當探測器檢測到漏泄時能夠發(fā)出聲光報警，主燃氣閥自動關閉，管路透氣閥開啟，主機從燃氣模式轉為燃油模式，同時向導管內充注惰性氣體(干燥的氮氣)，通風量自動調整為10次/時。如圖3。

(4)儲罐中貯存了大量的液態(tài)天然氣，一旦發(fā)生泄漏會迅速變成高危區(qū)域，并對周邊人員造成低溫傷害，因此需在儲罐上方安裝可燃性氣體探測器，全天候監(jiān)測。當漏泄發(fā)生后能及時觸發(fā)駕駛室的聲光報警，同時關閉儲罐上的供氣閥，發(fā)動機轉為燃油模式運行。

圖6 儲罐可燃氣體探測

(5)供氣室是密閉艙室，人員出入頻繁，應在其頂部安裝可燃性氣體探測器，當檢測到濃度超過規(guī)定范圍時能夠發(fā)出聲光報警，觸發(fā)緊急關閉裝置，發(fā)動機轉為燃油模式。

(6)噴入氣缸的氣體燃料有可能通過活塞環(huán)漏泄至曲軸箱，從而在曲軸箱形成積聚，因此要求曲軸箱除裝有油霧濃度探測器之外，還裝有可燃性氣體探測器，當濃度超標時能夠發(fā)出報警，并轉換為燃油模式運行。

5 結論

通過與傳統(tǒng)燃油比較，闡述了LNG燃料的環(huán)保、經(jīng)濟、儲量豐富等優(yōu)點，描繪了LNG動力船的發(fā)展前景， 重點介紹了天然氣爆炸與著火的原因，并根據(jù)船級社要求，對管道、GVU、供氣室等單元進行了合理通風設計，同時加強了危險區(qū)域的可燃性氣體監(jiān)控，并伴有聲光報警及保護措施。通過加強通風能力及全方位的可燃性氣體監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)漏泄，防止可燃性氣體堆積，減少事故發(fā)生的可能性，為LNG動力船舶的設計提供了基礎，為LNG動力船舶安全保護措施的建設指明了方向。

[1] 中國船級社. 天然氣燃料動力船規(guī)范[S]. 2013.

[2] 梁時中. Wartsila dual-fuel engines[R]. Wartsila China LTD. 2012.

[3] 李博洋, 胡德棟. VLCC船LNG燃料儲罐的設計[J].船舶工程, 2015, 37(3), 20-23.

[4] 何曉聰, 周瑞平. LNG燃料動力船機艙設計研究[J].造船技術, 2013, 316(60),

[5] 李博洋, 張運秋. 液化天然氣船貨物操作仿真器的設計與實現(xiàn)[J]. 中國航海, 2014, 37(3)∶ 76-80.

[6] 國際海事組織. 國際氣體燃料船舶安全規(guī)則[S]. 2012.

Ventilation Design and Gas Detection for LNG Powered Ship

Tian Dongfang, Jia Guangfu
(Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China)

It is difficult for traditional diesel engine emission to meet the requirements of increasingly stringent conventions. LNG powered ship becomes a mainstream trend. As clean fuel, LNG has large reserves, good economy, low emission pollution, etc, but because of its physical properties and ship design, LNG powered ship also exists certain risk. Aimed at explosion and fire caused by gas leakage, this article introduces the LNG powered ship ventilation design and inflammable gas detection, by strengthening ventilation, installing gas detectors, using full penetration butt joint measures pipes[1]effectively prevent gas leakage, improve the safety factor of the ship.

LNG powered ship; explosion and fire; strengthen ventilation; inflammable gas detection

U 664

A

1003-4862(2015)08-0051-04

2015-05-29

田東方（1987-），男，助教。研究方向：液化氣船新技術應用。