內(nèi)河LNG燃料動力船通過船閘的風(fēng)險(xiǎn)評估方法

李　清，甘少煒

(1.交通運(yùn)輸部 水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088； 2.中國船級社 武漢規(guī)范所，武漢 430022)

內(nèi)河LNG燃料動力船通過船閘的風(fēng)險(xiǎn)評估方法

李清1，甘少煒2

(1.交通運(yùn)輸部 水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088； 2.中國船級社 武漢規(guī)范所，武漢 430022)

摘要：針對內(nèi)河LNG燃料動力船的過閘安全性問題，對LNG供氣系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)源識別(HAZID)，基于事件樹分析方法對LNG泄漏后的災(zāi)害進(jìn)行分析，計(jì)算相應(yīng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，綜合考慮個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算結(jié)果與LNG燃料動力船過閘的具體情況，選取高等級風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行定量計(jì)算，采用三維計(jì)算流體力學(xué)軟件FLACS對LNG泄露后的災(zāi)害進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得到可燃蒸氣云擴(kuò)散范圍,火災(zāi)熱輻射范圍及爆炸沖擊波的影響范圍。

關(guān)鍵詞：LNG燃料動力船；船閘；危險(xiǎn)源識別；風(fēng)險(xiǎn)評估

我國內(nèi)河運(yùn)輸船舶保有量近15萬艘，年燃油消耗在400萬t左右，是交通運(yùn)輸行業(yè)重要的耗能領(lǐng)域[1]。隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和大氣污染治理的深入推進(jìn)，LNG作為清潔能源在船舶上的應(yīng)用得到了社會各界的關(guān)注。尤其是隨著船舶排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，LNG成為船舶燃料的主要選擇方向之一。通過近5年的試點(diǎn)實(shí)踐，船舶應(yīng)用LNG技術(shù)日漸成熟，內(nèi)河LNG燃料動力船發(fā)展前景廣闊。根據(jù)交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)院相關(guān)研究，2017～2020年間，在國家對新造內(nèi)河LNG動力船給予補(bǔ)貼的情況下，我國內(nèi)河LNG燃料動力船舶將有可能達(dá)到1萬艘[2]。

燃料動力船在內(nèi)河航運(yùn)中，船閘作為溝通水系聯(lián)系、提高航道等級的通航建筑物而被廣泛地使用。截至2012年，我國現(xiàn)有船閘864座，廣泛分布于長江干流、京杭運(yùn)河、西江干線、嘉陵江、漢江及湘江等流域[3]。LNG水上產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善將進(jìn)一步推動內(nèi)河LNG燃料動力船的發(fā)展，LNG燃料動力船通過船閘的安全性也成為亟待研究的現(xiàn)實(shí)問題。船舶過閘歷時(shí)較長且四周形成半密閉空間，一旦發(fā)生LNG氣罐安全閥起跳或泄漏事故，不利于天然氣的擴(kuò)散，存在引發(fā)更嚴(yán)重的安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對LNG 燃料動力船過閘進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估至關(guān)重要。

1研究對象

選取典型的3 000 t和5 000 t干散貨LNG燃料動力船為研究對象。通常，內(nèi)河LNG燃料動力船的氣罐布置在貨艙處、艉部甲板處，或者是機(jī)艙處所[4]，相對于布置在圍蔽處所內(nèi)的情況，LNG氣罐布置在露天甲板上對船閘構(gòu)成潛在危險(xiǎn)性較大。因此，選取LNG氣罐布置在船艉露天甲板上的情況進(jìn)行研究。

選取與上述船型相適應(yīng)的某典型船閘作為通航船閘，考慮了2種過閘方案。

1) 1閘4船。船型為典型的5 000 t干散貨船，船長約為130 m，船寬約為16.2 m，型深約為4.3 m；4艘5 000 t標(biāo)準(zhǔn)船型同時(shí)布置在船閘內(nèi)，見圖1，船舶左右舷空間所剩無幾，艏艉方向略微寬松，總體基本充滿整個(gè)船閘。船舶一致艏艉方向停泊，其LNG氣罐位置集中在兩處，一處靠近船閘門，另一處在船閘中部位置。

2) 1閘6船。船型為典型的3 000 t干散貨船，船長約為79.6 m，船寬約為13.6 m，型深約為4.05 m。6艘3 000 t標(biāo)準(zhǔn)船型同時(shí)布置在船閘內(nèi)，見圖2，船舶左右和艏艉方向整個(gè)較寬松，總體基本比較均勻。船舶一般艏艉方向停泊，其LNG氣罐位置集中在3處，1處靠近船閘門，另2處在船閘1/3位置。

圖1　4艘5 000 t船舶同時(shí)布置在船閘內(nèi)示意

圖2　6艘3 000 t船舶同時(shí)布置在船閘內(nèi)示意

LNG燃料動力船在通過船閘時(shí)，大部分時(shí)間船舶被系固在船閘內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)有船舶過閘實(shí)際操作情況，船舶主機(jī)處于備車狀態(tài)，發(fā)動機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)，LNG氣罐向機(jī)艙提供天然氣燃料。針對LNG燃料動力船通過船閘的操作與運(yùn)行模式，長時(shí)間不使用天然氣燃料，可能導(dǎo)致LNG氣罐內(nèi)BOG增多而超壓，氣罐安全閥起跳，天然氣通過透氣管釋放到船閘內(nèi)。另外，露天甲板上供氣系統(tǒng)可能發(fā)生泄漏也導(dǎo)致天然氣泄漏到船閘內(nèi)。因此，本文風(fēng)險(xiǎn)評估范圍主要針對露天甲板上LNG供氣系統(tǒng)。典型內(nèi)河標(biāo)準(zhǔn)船型LNG燃料動力船露天甲板上的LNG供氣系統(tǒng)如圖3所示，包括低溫管路、閥件、汽化器等部件[5]。

2危險(xiǎn)源分析

2.1HAZID方法

HAZID是風(fēng)險(xiǎn)分析過程的第一步。完整意義上的風(fēng)險(xiǎn)分析過程包括：危險(xiǎn)源辨識、風(fēng)險(xiǎn)分析、和風(fēng)險(xiǎn)管理3個(gè)部分[6]。目前，HAZID已經(jīng)不僅限于狹義的識別危險(xiǎn)源，而是包含了更為寬泛的內(nèi)涵，包括識別初步設(shè)計(jì)中可能的危險(xiǎn)源及其成因、后果，明確防護(hù)措施和提出降低風(fēng)險(xiǎn)的建議，并給出下一步開展定量風(fēng)險(xiǎn)評估(QRA)的場景建議。

HAZID分析通過工作組成員的“頭腦風(fēng)暴”來辨識潛在的危險(xiǎn)源。該工作在有序的引導(dǎo)下完成，HAZID分析的目標(biāo)是：①識別潛在危險(xiǎn)源；②分析起因和導(dǎo)致的后果；③提出建議來消除、規(guī)避、控制或降低風(fēng)險(xiǎn)。

2.2風(fēng)險(xiǎn)矩陣

根據(jù)ISO 17776:2000建立如表1所列的風(fēng)險(xiǎn)矩陣[7]。風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性分為A、B、C、D共4個(gè)等級，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后果分為0～5共6個(gè)等級。因目前尚無LNG燃料動力船通過船閘等類似場景的事故數(shù)據(jù)，無法通過災(zāi)害事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來分類和判別事故的嚴(yán)重性和可能性，所以，通過定性方法來確定事故的發(fā)生可能性和后果嚴(yán)重性。

表1　風(fēng)險(xiǎn)矩陣

2.3分析結(jié)果

對典型3 000、5 000 t船舶通過船閘進(jìn)行危險(xiǎn)源識別，主要從人為因素、船舶因素、環(huán)境因素和管理因素4大方面對LNG燃料供氣系統(tǒng)進(jìn)行失效分析，考慮布置與環(huán)境、設(shè)備、附件、供電、控制、運(yùn)行參數(shù)、操作等方面。通過分析，船舶過閘時(shí)LNG燃料系統(tǒng)的主要風(fēng)險(xiǎn)為管系泄漏、安全閥起跳等，LNG泄漏后可能導(dǎo)致蒸氣云擴(kuò)散，超壓安全閥排放的氣體遇到明火可能被點(diǎn)燃，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故。對典型LNG燃料供氣系統(tǒng)HAZID分析記錄表見表2。

表2　典型LNG燃料供氣系統(tǒng)HAZID記錄

3概率分析

3.1供氣系統(tǒng)信息

內(nèi)河LNG燃料動力船通常采用低壓供氣系統(tǒng)(供氣壓力小于1 MPa)，氣罐采用自增壓裝置給機(jī)艙發(fā)動機(jī)進(jìn)行供氣[8]。LNG燃料從氣罐流出后經(jīng)過強(qiáng)制蒸發(fā)器，從液相轉(zhuǎn)變成氣相，再經(jīng)過加熱器將低溫天然氣升溫至發(fā)動機(jī)需要的溫度，然后經(jīng)過調(diào)壓閥調(diào)整到發(fā)動機(jī)適用壓力范圍。整個(gè)供氣系統(tǒng)需要經(jīng)過的部件包括有液相管路、氣相管路、閥件、汽化器等。選取典型標(biāo)準(zhǔn)船型LNG燃料供氣系統(tǒng)，其在露天甲板上部件的基本信息統(tǒng)計(jì)見表3，船舶過閘時(shí)間及供氣系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間見表4。

3.2事件樹分析

事件樹分析是一種探究事故、失效或不希望出現(xiàn)事件的發(fā)展和演化的方法。本研究考慮的災(zāi)害有LNG泄漏后的低溫危害、泄露后產(chǎn)生可燃蒸氣云、遇到明火后發(fā)生火災(zāi)、同時(shí)考慮在受限空間可能發(fā)生爆炸。液相或氣相天然氣的泄漏，在不同條件下產(chǎn)生的后果不同，LNG泄漏后可能發(fā)生的災(zāi)害事件樹分析見圖4。

表3　供氣管系基本信息

表4　船舶過閘時(shí)間及供氣系統(tǒng)使用時(shí)間

圖4　LNG泄漏的事件樹

3.3風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則

通常風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則可分為個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則和社會風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，考慮到通航船閘周邊無密集居民區(qū)，船閘內(nèi)船員和作業(yè)人數(shù)最多約60人，區(qū)域內(nèi)總體人數(shù)較少，所以本研究僅考慮個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。對于個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，國外主要有英國健康、安全和環(huán)境執(zhí)行局(HSE)，國內(nèi)有《國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令》(第40號)等?？紤]到LNG燃料動力船通過船閘特殊地理環(huán)境，本文按照從嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為通航船閘屬于高敏感場所，選取的最大可容許風(fēng)險(xiǎn)為3×10-7/年。

3.4個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

采用如下方法對個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化[9]。

(1)

式中：Pf為事故發(fā)生的概率；Pd/f為個(gè)人由于事故的發(fā)生而死亡的概率。Pf包括設(shè)備失效概率、引燃概率、人員存在概率等。設(shè)備失效概率、引燃概率按照《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046—2013)[10]要求計(jì)算，人員存在概率可根據(jù)船舶過閘頻率和過閘時(shí)間進(jìn)行計(jì)算；人員死亡概率Pd/f按要求進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算，本文識別出典型內(nèi)河LNG燃料動力船過閘過程中潛在的一項(xiàng)不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，見表5。

4場景確定

4.1場景確定

根據(jù)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算結(jié)果，針對風(fēng)險(xiǎn)值超過3.0×10-7事件進(jìn)行后果模擬分析。另外，考慮LNG燃料動力船通過船閘的特殊性，LNG燃料動力船在錨地等待時(shí)間較長，氣體燃料發(fā)動機(jī)不能完全消耗掉所有的BOG氣體，本文也對LNG氣罐超壓后安全閥起跳可燃?xì)怏w的擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬。綜合考慮，選定以下場景進(jìn)行分析。

場景1氣罐容積20 m3(1.9 m×6.5 m)，氣相與液相各占50%，考慮最極端情況(所有船舶安全閥同時(shí)起跳)，安全閥起跳壓力1.10 MPa，關(guān)閉壓力0.99 MPa，流通面積為1 962 mm2，透氣管高度3 m，風(fēng)速沿船艉方向1.2 m/s。

表5　識別出的不可接受的風(fēng)險(xiǎn)

場景2供氣管路發(fā)生直徑為25 mm的破孔(最大有效泄漏面積為490 mm2)，致使LNG泄漏到集液盤發(fā)生擴(kuò)散，集液盤尺寸1 m×1 m，風(fēng)速沿船艉方向1.2 m/s，泄漏時(shí)間90 s。(泄漏持續(xù)時(shí)間選取90 s主要考慮到通常探測到氣體泄漏的最長時(shí)間為60 s，ESD切斷時(shí)間為30 s。)

場景3由于供氣管路發(fā)生破裂，LNG泄漏到集液盤，發(fā)生低溫蒸汽擴(kuò)散過程中遇到明火，火焰燒回集液池形成池火，假定集液盤內(nèi)LNG擴(kuò)散后90 s被點(diǎn)燃。

場景4由于供氣管路發(fā)生破損，LNG泄漏到船上集液盤內(nèi)，在船閘內(nèi)發(fā)生低溫?cái)U(kuò)散，經(jīng)過90 s擴(kuò)散后遇到明火發(fā)生爆炸。(考慮船閘內(nèi)相對圍蔽，有可能發(fā)生爆炸。)

4.2氣象條件

假定通航船閘地區(qū)的基本氣象數(shù)據(jù)如下：年平均風(fēng)速1.2 m/s，年平均溫度16.8 ℃，大氣壓力101 kPa，相對濕度75%，太陽輻射強(qiáng)度380 W/m2，大氣穩(wěn)定度D級。

5模擬場景計(jì)算

CFD后果分析采用FLACS軟件進(jìn)行[11]。

5.1場景1

假定安全閥0 s起跳，6.5 s回落，其計(jì)算結(jié)果見圖5、6。

圖5　1閘6船

圖6　1閘4船

由計(jì)算結(jié)果可知，有風(fēng)時(shí)，可燃?xì)怏w云消散速度更快，從安全閥起跳開始，大概10 s后所有可燃?xì)怏w云均已消散；在無風(fēng)情況下，透氣管釋放NG擴(kuò)散的最大距離約為30 m；可燃?xì)怏w云存在時(shí)間短，擴(kuò)散范圍僅在閘內(nèi)，基本不會造成危害。

5.2場景2

假定管路泄漏速率為8.98 kg/s，泄漏時(shí)間為90 s，設(shè)有集液盤，計(jì)算結(jié)果示于圖7、8。

圖7　1閘6船可燃蒸氣云范圍

圖8　1閘4船可燃蒸氣云范圍

假定集液盤尺寸為1 m×1 m×0.8 m，算得低溫液體最高深度為0.772 2 m，已非常接近盤口，建議集液盤的尺寸設(shè)置為1 m×1 m×1 m；假定供氣管路發(fā)生直徑為25 mm的破孔，LNG泄漏后的蒸氣云擴(kuò)散范圍約為52.4 m；應(yīng)嚴(yán)禁可燃?xì)怏w云范圍內(nèi)出現(xiàn)點(diǎn)火燃。

5.3場景3

假定液相管路泄漏90 s后被點(diǎn)燃，并發(fā)生池火的情況，計(jì)算結(jié)果示于圖9、10。

圖9　集液盤池火熱輻射(大于5 kW/m2)

圖10　集液盤池火溫度(>400 K)

由計(jì)算結(jié)果可知，集液盤發(fā)生池火對人員熱輻射的波及范圍約為31.3 m；集液盤發(fā)生池火后波及范圍有限，人員撤離時(shí)間可控制在30 s內(nèi)。

5.4場景4

泄漏90 s可燃蒸氣云被點(diǎn)燃形成爆炸，爆炸情況的計(jì)算結(jié)果示于圖11～12。

圖11　結(jié)構(gòu)物承受的爆炸沖擊力

圖12　爆炸沖擊波空間示意

由計(jì)算結(jié)果可知，爆炸對閘室的沖擊波約為33 kPa，最大波及范圍約36.5 m。船閘內(nèi)應(yīng)盡量保持空氣流暢，嚴(yán)禁構(gòu)成圍蔽空間。

6結(jié)論

1) 當(dāng)LNG氣罐內(nèi)因BOG增多而超壓，引發(fā)安全閥起跳時(shí)，在有風(fēng)情況下，可燃?xì)怏w云的消散時(shí)間約為10 s；在無風(fēng)情況下，透氣管釋放NG擴(kuò)散的最大距離約為30 m。

2) 當(dāng)供氣管路發(fā)生直徑為25 mm的破孔時(shí)，LNG泄漏后的蒸氣云擴(kuò)散范圍約為52.4 m；LNG泄漏引發(fā)的集液盤池火對人員熱輻射的波及范圍約為31.3 m。

3) 當(dāng)供氣管路發(fā)生直徑為25 mm的破孔，LNG在船閘內(nèi)低溫?cái)U(kuò)散90 s后遇明火發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸對閘室的沖擊波壓力約為33 kPa，最大波及范圍約36.5 m。該爆炸壓力與波及范圍對鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)造成的損害需要結(jié)合船閘的設(shè)計(jì)抗爆值和運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行校核與評估。

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Study on Risk Assessment for Lock Transiting of Inland LNG-powered Vessels

LI Qing1, GAN Shao-wei2

(1 Waterborne Transportation Institute, Ministry of Transportation, Beijing 100088, China;2 Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)

Abstract:In order to assess the safety of lock transiting of inland LNG-powered vessels, the hazard identification (HAZID) for LNG supply system of typical inland LNG-powered vessels during lock transiting is performed. The hazards caused by LNG leakages are analyzed based on event tree analysis technique, and the respective individual risks are calculated. Considering both the individual risks and the lock transiting circumstances of LNG-powered vessels, hazard sources with high risk level are identified for quantitative calculation. Hazards caused by LNG leakages are simulated FLACS software to get the diffusion range of flammable vapor cloud, fire radiation range as well as scope of blast.

Key words:LNG-powered vessel; ship lock; HAZID; risk assessment

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.002

收稿日期：2016-01-05

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部水運(yùn)工程標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目

第一作者簡介：李清(1979—)，男，碩士，副研究員

中圖分類號：U674.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0006-06

修回日期：2016-02-15

(JTSBD2015-07-177)

研究方向:船舶清潔能源應(yīng)用技術(shù)

E-mail:liqing@wti.ac.cn