LNG动力船舶通风设计与气体监测

田东方，贾广付

(青岛远洋船员职业学院， 山东 青岛 266071)

LNG动力船舶通风设计与气体监测

田东方，贾广付

(青岛远洋船员职业学院， 山东 青岛 266071)

传统柴油机的排放已难以满足日益严格的公约要求，使用清洁燃料的LNG动力船已成为主流趋势。LNG燃料具有储量大、经济性好、排放污染小等特点，但由于其本身物理特性及船舶设计，LNG动力船也存在着一定的危险。针对天然气漏泄引起的爆炸和着火，文章介绍了LNG动力船舶的通风设计和可燃性气体的检测，通过加强通风、安装气体探测器、使用全熔透对焊接头管路等措施[1]有效防止天然气漏泄，提高船舶安全系数。

LNG 动力船舶 爆炸与着火 加强通风 可燃性气体监测

0 引言

近年来全球温室效应日益加剧，船舶排放导致的大气污染已成为重点关注对象。据统计由船舶所排放的CO2、SOX和NOX分别占全球总排放量的6%、20%和30%。随着强制性国际公约、规则的不断完善，船舶排放要求也越来越高，如2013年强制实施的EEDI标准，2015年生效的新ECA排放标准。传统燃油柴油机已难以满足要求，航运界正积极应对：一方面加强节能减排新技术的研究，例如使用低硫燃料、安装气体吸收装置等，另一方面寻求绿色能源作为船舶燃料，如LNG。由于其本身特性，LNG燃料在使用中存在一定风险，需在船舶设计及建造中多加注意。

1 LNG燃料特点

液化天然气(LNG)作为清洁燃料，与燃油相比具有以下优点：

1)污染物少。天然气本身不含硫、碳氢比例较低，其排放物中二氧化硫几乎为零，氮化物最多降低80%，二氧化碳降低20%左右，排放物中几乎不含固体颗粒排[2]，能够达到规范要求。

2)经济性。 与燃油相比，LNG的价格较低，仅为燃油的四分之三左右，使用LNG燃料可以节约20%的成本，大大提高了船舶的经济性[3]。

3)储量丰富。目前世界石油储量约为1.8万亿桶。如果按现有石油消费水平，仅供开采46年。而目前已探明的天然气储量约170万亿立方米，远超过石油储量。

2 LNG动力船舶发展前景

早在2000年DNV船级社就已开始LNG动力船的研究并为之制定相应的规范，随后MAN和瓦锡兰相继开始双燃料发动机的研究，目前已有多种机型装配在船。为满足相关规范要求，实现航运绿色环保，LNG动力船舶必将成为未来主流趋势。据有关机构预测到2015年，以LNG为燃料的新船订单将达到500艘，到2020年将达到数千艘。LNG燃料技术飞速发展的同时LNG的驳运、加注、储存等链接服务也变得越来越完善，例如我国已有多个港口具备LNG加注能力，为LNG动力船舶的正常营运提供了保障。

图1 LNG与燃油排放对比

图2 LNG动力船发展

3 天然气爆炸与着火

LNG作为船舶燃料具有明显优势，但因其物理性质及超低温储存等特点，使用过程中也存在着一定的风险，例如漏泄会引起低温冻伤、低温麻醉、窒息及冷爆炸等。其中对船舶危害最大的应属天然气爆炸及着火。天然气爆炸必须满足两个条件：一是与空气混合，且比例在5%-15%之间。二是遭遇明火。在船舶设计和实际工作过程中应注意采取措施阻断两个条件的发生，确保船舶安全运营。天然气着火是纯气体燃烧，具有火焰温度高、热辐射强度大等特点，严重威胁人身和设备安全。由于LNG超低温储存特性，泄漏后会迅速蒸发扩散，根据漏泄点与火源的距离分为池火和喷射火两种。若LNG一直持续漏泄，而气云在扩散一段时间后才遇到火源，此时火焰可能烧回，形成池火。若在泄漏后即接触火源，则会形成喷射火。当着火发生在狭窄空间，气云的扩散被限制或遭遇加剧燃烧的物质，燃烧有可能演变为爆炸，进一步危害船舶安全。

4 通风与检测

LNG动力船的设计不同于燃油动力船，要防止天然气漏泄，加强安全保护。例如：选用增强安全型机舱[4]；采用双壁管形式供气管路；管路采用经X射线和渗透检测的全熔透对焊接头；合理划分危险区域，选用符合规范的电气设备，消除或隔离引燃源；加强通风，防止可燃性气体的堆积；加强可燃性气体的监测与报警；加强火警探测，完善消防措施；加强供气保护[5]等。通过以上措施的实施，可有效降低LNG动力船的事故发生率，使其安全水平达到人们的要求。以下 主要从通风和气体监测两方面进行讨论：

1)增强通风，防止可燃性气体堆积

通风主要是为了阻止可燃性气体的积聚，将漏泄气体及时排除。根据DNV、CCS等要求，通风系统应该由多个独立风机构成，且当任意一组失效时其通风能力应能维持在50%以上。通风管道应相对独立，进出口远离火源，安装高度符合规范要求且带有防护网。风机电动机选用非火花结构并具有良好的抗静电性，考虑到电动机可能产生的电火花形成着火源，电动机应安装在通风管外部。LNG动力船应从以下处所加强通风：

(1)供气管道。例如采用高压供气系统的MAN-MEGI双燃料主机，其供气喷射阀设在缸头。供气管及喷射阀集全部采用双壁管，其环形空间要进行抽吸式通风，空气可由主机扫气出机舱处引出，流动方向与内管燃料相反，通风量不小于30次/小时。为有效监测通风，通风进口处设有流量传感器，其信号传至主机控制系统。当双壁管无法维持正常通风量时将主供气阀关闭，停止燃气供应，发动机从燃气模式转为燃油模式。

采用低压供气系统的瓦锡兰DF系列发电原动机通风系统类似，但考虑到进出港、装卸货时用电量较大，可能多台发电机并联工作，为确保每台机器的通风量都能同时满足最低要求，可在每台发动机新风入口处安装风量调节阀。

图3 主机供气管路通风系统图

图4 阀箱通风系统

(2)供气室。供气室里有多个LNG处理设备，难免发生气体漏泄，因此供气室需要安装排风机，使其密闭空间通风量不小于30次/小时。此外泵或压缩机可与风机做成连锁模式，只有在通风系统运行10分钟后泵和压缩机方可启动。

(3)阀箱。机舱内供气管路上设有多个阀件，所有阀件均布置在一个气密的密封筒内，称为阀箱(GVU)，利于管理和监控。阀件在长时间使用后有可能密封不严导致气体漏泄，使阀箱变为高危区域，为此GVU应进行独立通风。

(4)曲轴箱。主机进行正常运行时，曲轴箱内无可燃性气体，当主机出现故障例如活塞环和缸套相互磨损严重，可燃性气体可能漏泄至曲轴箱并形成堆积，因此曲轴箱要进行机械通风。为减少管路的复杂性，可将风机安装在曲轴箱透气管上。

(5)排烟总管。对于四冲程柴油机来说，由于气阀重叠角的存在，排气总管中难免存在可燃性气体，因此需进行特殊设计。排气管应倾斜向上布置，且配有排出式风机。该风机在停车后仍继续工作，及时将管内残留的可燃性气体排出。

2)加强检测，完善报警系统

可燃性气体浓度监测是防止LNG动力船舶事故发生的一种有效的措施。当探头所在区域的天然气浓度超过设定范围时能迅速发出声光报警并准确显示漏泄区域，便于查找和维修。根据船级社相关规定，用于可燃性气体探测的探头均为独立管线、独立电源和独立信号，探头相互支持相互备份，且能够连续性工作，确保可燃气体探测的可靠性。LNG动力船舶应对以下几处进行可燃性气体监测：

(1)主机上方应设有两套相互独立的气体探测装置，并能覆盖整个机器处所，其声光报警布置在驾驶室和集控室。当可燃气体浓度达到设定值时，触发报警装置，同时切断通往机舱的气体燃料供应，发动机自动转为燃油模式。

图5 机舱顶部可燃气体探测器

(2)由于阀箱属于密闭空间且存在漏泄可能，故需安装可燃气体探测器，一般为两个。当任意一个探测到可燃气体浓度高于20%LEL时，发出报警；当两个同时探测到可燃气体浓度高于40%LEL时，停止燃气供应，转为燃油模式运行。此外该处探测器还与主机控制系统相连接,兼具模式转换前的检测功能。当主机从燃油转为燃气模式时，阀箱必须预先进行探测，符合要求后才允许转换。

(3)为监测双壁管漏泄，其通风出口处安装两个相互独立的可燃性气体探测器。当探测器检测到漏泄时能够发出声光报警，主燃气阀自动关闭，管路透气阀开启，主机从燃气模式转为燃油模式，同时向导管内充注惰性气体(干燥的氮气)，通风量自动调整为10次/时。如图3。

(4)储罐中贮存了大量的液态天然气，一旦发生泄漏会迅速变成高危区域，并对周边人员造成低温伤害，因此需在储罐上方安装可燃性气体探测器，全天候监测。当漏泄发生后能及时触发驾驶室的声光报警，同时关闭储罐上的供气阀，发动机转为燃油模式运行。

图6 储罐可燃气体探测

(5)供气室是密闭舱室，人员出入频繁，应在其顶部安装可燃性气体探测器，当检测到浓度超过规定范围时能够发出声光报警，触发紧急关闭装置，发动机转为燃油模式。

(6)喷入气缸的气体燃料有可能通过活塞环漏泄至曲轴箱，从而在曲轴箱形成积聚，因此要求曲轴箱除装有油雾浓度探测器之外，还装有可燃性气体探测器，当浓度超标时能够发出报警，并转换为燃油模式运行。

5 结论

通过与传统燃油比较，阐述了LNG燃料的环保、经济、储量丰富等优点，描绘了LNG动力船的发展前景， 重点介绍了天然气爆炸与着火的原因，并根据船级社要求，对管道、GVU、供气室等单元进行了合理通风设计，同时加强了危险区域的可燃性气体监控，并伴有声光报警及保护措施。通过加强通风能力及全方位的可燃性气体监测，能够及时发现漏泄，防止可燃性气体堆积，减少事故发生的可能性，为LNG动力船舶的设计提供了基础，为LNG动力船舶安全保护措施的建设指明了方向。

[1] 中国船级社. 天然气燃料动力船规范[S]. 2013.

[2] 梁时中. Wartsila dual-fuel engines[R]. Wartsila China LTD. 2012.

[3] 李博洋, 胡德栋. VLCC船LNG燃料储罐的设计[J].船舶工程, 2015, 37(3), 20-23.

[4] 何晓聪, 周瑞平. LNG燃料动力船机舱设计研究[J].造船技术, 2013, 316(60),

[5] 李博洋, 张运秋. 液化天然气船货物操作仿真器的设计与实现[J]. 中国航海, 2014, 37(3)∶ 76-80.

[6] 国际海事组织. 国际气体燃料船舶安全规则[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

田东方（1987-），男，助教。研究方向：液化气船新技术应用。