貨滾船輔助電池系統(tǒng)風險評估分析與應用

李國榮，方向飛，曹大友

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,江蘇 南京 210015)

0 引言

近年來，在綠色環(huán)保、節(jié)能減排大環(huán)境下，港口排放控制越加嚴格，因此越來越多的船東開始尋找新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動力推進和電力供給，以期達到船舶在運營時占有主導優(yōu)勢。新能源中主要以風能、太陽能和電池應用較為廣泛。電池系統(tǒng)以其能夠大容量儲能、及時能量供給和持續(xù)供能時間長等優(yōu)勢受到青睞，但是由于電池本身的特性以及對環(huán)境的苛刻要求，其安全性顯得尤其重要。而電池系統(tǒng)風險評估可以預報所有潛在的風險源，并擬定采取適合的風控措施，從而將風險控制在最低或者可接受的程度上。

某新一代環(huán)境友好型貨物滾裝船裝配5 MW的電池系統(tǒng)，用于全船電力輸出調峰(PTO)、動力輸入助推(PTI)、港口裝卸貨模式供電，做到了港口零排放，實現了節(jié)能減排和綠色環(huán)保的目的。目前國內安裝如此大容量電池的船舶幾乎沒有，電池系統(tǒng)的安裝和運行的安全性和穩(wěn)定性就顯得特別重要。本文介紹了電池系統(tǒng)的構成，利用假設分析法和FMECA分析法，列出了電池系統(tǒng)以及安裝布置上所有潛在的風險源、采取的風控措施以及最終的風險等級，形成了完整的風險評估報告。

1 電池系統(tǒng)配置

電池系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

(1)電池：該系統(tǒng)總共有14組電池，每組電量為359.5 kWh，合計電量為5 033.0 kWh。

(2)電池管理系統(tǒng)(BMS)：監(jiān)測和控制每個電池組狀態(tài)，控制電池模塊之間電壓平衡，確保電池組原則上可以安全可靠運行，也可以理解為安保系統(tǒng)。

(3)能量管理系統(tǒng)(EMS)：管理電池的電能，PTI和PTO功能轉換，充電和放電模式的管理。

(4)火警監(jiān)測和消防系統(tǒng)：監(jiān)測電池柜區(qū)域的火災，及時給出預報警和熄滅火災的裝置。

(5)電池冷卻系統(tǒng)：根據對電池內部溫度的監(jiān)測，通過水冷單元將電池工作的環(huán)境溫度調節(jié)在設定的范圍內，確保電池組額定放電容量。

(6)監(jiān)測和報警系統(tǒng)：監(jiān)測電池系統(tǒng)正常運行，對于異常狀態(tài)和故障進行預報警，值班人員可以及時處理和修復故障。

2 圖紙送審

某貨物滾裝船入意大利船級社(RINA)。根據規(guī)范Part C, Ch2, APP 2的要求，共計13份圖紙或文件需要送審，其中：除了電池系統(tǒng)風險評估報告外，其他圖紙或者文件還是比較常規(guī)或者常見的。風險評估報告是需要船級社、電池系統(tǒng)廠家、船東和船廠等所有風險承擔者共同完成的一份報告，該報告一般需要在詳細設計圖紙認可之前提交船級社。

3 電池系統(tǒng)風險評估

3.1 目的

風險評估是根據現有的電池系統(tǒng)設計，評估系統(tǒng)在發(fā)生任何潛在故障事件時的風險等級，通過增加額外的風控措施或者改良現有的風控方案，把系統(tǒng)故障發(fā)生時的風險降低到可接受的等級，從而達到了確保電池系統(tǒng)安全可靠運行的目的。

3.2 流程

風險評估可根據RINA船級社的風險分析指導文件，由電池廠家、船級社、船東和船廠協作討論完成，過程大體上可以分為3個階段：

(1)基礎信息：這個階段主要是充分熟悉和了解電池系統(tǒng)的工作原理、控制邏輯、安保系統(tǒng)等所有信息。

(2)風險源識別：依據風險源分析方法，盡可能地列出所有潛在的風險源。

(3)風險等級評估：根據上述第二階段列出的風險源，結合風險源發(fā)生的概率以及造成的危害性，對每個風險源進行風險等級評估。

3.3 評估方法

3.3.1 假設分析法

假設分析法(What-If Analysis)是一種通用并靈活的方法。在風險評估初始階段能夠快速列出潛在的風險源，但是此方法在很大程度上需要依賴于評估團隊成員的經驗。

當假設風險源被某一成員提出，相關成員應針對此風險源陳述目前設計中已有的風控措施，再結合此風險源發(fā)生的概率和影響程度，評估一個風險等級。假設分析法見表1。

3.3.2 故障模式分析法

故障模式、影響和嚴重性分析法(FMECA)是分析電池系統(tǒng)中每一個產品或子系統(tǒng)所有可能產生的故障模式及其對電池系統(tǒng)造成的所有可能影響，并對每個單一故障模式的影響程度及其發(fā)生概率確定其危害性。這是一個系統(tǒng)的、全面的和標準化的方法，在電氣和輪機系統(tǒng)的風險評估報告里經常采用。FMECA分析法見表2。

表1 假設分析法

表2 FMECA分析法

3.3.3 其他分析法

危害和可操作性分析法(HAZOP Analysis)是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程中危害及操作性問題的結構化、系統(tǒng)化分析方法。根據存在的缺陷或危害提出改進意見和建議，以提高安全性和可操作性。裝卸貨系統(tǒng)的危險評估經常采用此分析法。

故障樹分析法(FTA)是一種由上往下的演繹式失效分析法，利用布林邏輯組合低階事件，分析系統(tǒng)中不希望出現的狀態(tài)，了解系統(tǒng)失效的原因，找到最好的方式來降低風險。

事件樹分析法(ETA)是以一初始事件為起點，按照事件的發(fā)展順序分成階段，逐步進行分析，每一事件可能的后續(xù)事件只能取完全對立的兩種狀態(tài)(成功或失敗、正?；蚬收?、安全或危險等)之一的原則，逐步向結果方向發(fā)展，直到系統(tǒng)故障為止。

3.4 風險矩陣圖

某貨物滾裝船電池系統(tǒng)風險評估采用了假設分析法和FMECA分析法。對于電池系統(tǒng)自身的故障，主要依賴于FMECA分析法。而對于電池系統(tǒng)之外的故障，如蓄電池間失火、蓄電池臨近區(qū)域失火、蓄電池間溫度過高等主要依賴于假設分析法，其中：風險矩陣圖是評估報告里重要圖表之一，主要由事故影響程度等級、事故發(fā)生概率等級這兩個參數組成。

根據上述兩個參數，可以初步評估一個風險等級，見表3。風險可以分為3個等級，每個等級評判標準如下：

高級：不能容忍，風險不能被接受，必須采取措施將風險降低。

中級：可以容忍，當二拉平(ALARP)原則被采用時，風險是可以被接受的?；贏LARP原則可容忍的風險必須能夠證明進一步降低風險所付出的代價和所得到的益處是極不相稱或嚴重不成比例的，即風險需要被降低到不能再繼續(xù)降低為止。

低級：大體上可以接受，此風險不需要基于ALARP原則去證明。

表3 風險矩陣圖

3.5 風險改良

在風險評估會議中，需要對現有的高級風險和中級中可能被改善的風險提出風險改良措施和再次評估風險等級。

對于蓄電池房間失火這一風險源，根據已存在的風控措施，評估的風險等級為中?；贏LARP原則[1]，有專家提出可以增加CCTV監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測蓄電池房間的狀態(tài)。此方法的采用要比火警探頭監(jiān)測能更早地發(fā)現火情，從而降低事件的發(fā)生概率，因此風險等級從中級降低到低級，見表4。

表4 風險改良

3.6 實船降低風險設計要點

(1)電池組房間設置在防撞艙壁之后，并配置專門的房間，將電池組故障對人員和船舶傷害降到最低。與電池系統(tǒng)無關的其他重要或應急設備不允許布置在此房間。

(2)電池間四周艙壁鋪設A0或以上的絕緣，這樣可以降低外部火源對電池組產生的影響。

(3)電池間盡量無水管穿過，如不可避免，那么需要采用套管連接，在送審的電池間布置圖上標明。

(4)本船電池間的通風設計是一個關鍵點。該房間布置有2套獨立的通風系統(tǒng)和房間獨立空調系統(tǒng)。一套為電池間的通風系統(tǒng)(包含送風和抽風)，另一套為電池組的抽風系統(tǒng)(高/低速雙速風機)。電池組的抽風機工作原理為：在電池正常工作模式下只需低速運行，而當電池處于故障狀態(tài)下時，風機自動切換到高速模式下，當然也可手動切換高、低速運行。另外，為了保證風機的持續(xù)運行，風機的運行信號送到了船舶的監(jiān)測報警系統(tǒng)中，當風機未運行時會在監(jiān)測報警產生報警，以提醒船員需保證風機的持續(xù)運行。根據電池的特性，電池只有在熱失控狀態(tài)下才會產生部分有害性氣體，因此只是把電池組的抽風管道區(qū)域作為危險區(qū)域來定義，所以電池組的抽風機配置為防爆的雙速風機。關于房間的空調系統(tǒng)配置，在電池間設置獨立的空調系統(tǒng)，主要是根據電池的工作環(huán)境溫度要求來配置的，并不是用作電池系統(tǒng)的散熱用。本項目中電池組為獨立的水冷系統(tǒng)，電池充放電產生的熱量主要通過水冷系統(tǒng)帶走。

3.7 風險評估清單

針對每個風險源的特性、存在的風控措施、改良的風控措施及風險評判等級，匯總成一個風險評估清單，作為風險評估報告的附件提交給船級社認可。本船電池系統(tǒng)根據專家組員的討論，共列出了16個風險源，分別見表5、表6。

表5 R1～R6風險評估清單

4 結論

從電池風險評估報告里可以看出，電池系統(tǒng)還是存在很多的潛在風險源。在設計初期階段如果能夠預先考慮這些風險源，并采取適合的風險控制措施來有效地降低風險等級，就可以避免后期因風險等級不可接受而帶來的修改，同時也提高了電池系統(tǒng)運行和船員的安全性。

(1)CCTV輔助監(jiān)測系統(tǒng)的采用，可以盡早地發(fā)現火情并進行消防滅火，在很大程度減小了火災發(fā)生的概率，減小了火災造成的影響。

(2)雙通風系統(tǒng)加上獨立空調的冗余設計，確保了電池工作時的環(huán)境溫度，使得電池溫度過高或過低帶來的風險降到了最低。

(3)通過對每個電池盒安裝一個狀態(tài)監(jiān)測單元，實現了電池狀態(tài)的實時管理，并可以盡早地切斷存在風險隱患的電池組，將風險控制到最低，從而提高了電池系統(tǒng)的安全性。

表6 R7～R16風險評估清單