内河LNG燃料动力船通过船闸的风险评估方法

李　清，甘少炜

(1.交通运输部 水运科学研究院，北京 100088； 2.中国船级社 武汉规范所，武汉 430022)

内河LNG燃料动力船通过船闸的风险评估方法

李清1，甘少炜2

(1.交通运输部 水运科学研究院，北京 100088； 2.中国船级社 武汉规范所，武汉 430022)

摘要：针对内河LNG燃料动力船的过闸安全性问题，对LNG供气系统进行危险源识别(HAZID)，基于事件树分析方法对LNG泄漏后的灾害进行分析，计算相应的个人风险值，综合考虑个人风险值的计算结果与LNG燃料动力船过闸的具体情况，选取高等级风险源进行定量计算，采用三维计算流体力学软件FLACS对LNG泄露后的灾害进行仿真分析，计算得到可燃蒸气云扩散范围,火灾热辐射范围及爆炸冲击波的影响范围。

关键词：LNG燃料动力船；船闸；危险源识别；风险评估

我国内河运输船舶保有量近15万艘，年燃油消耗在400万t左右，是交通运输行业重要的耗能领域[1]。随着国家能源结构调整和大气污染治理的深入推进，LNG作为清洁能源在船舶上的应用得到了社会各界的关注。尤其是随着船舶排放标准的提高，LNG成为船舶燃料的主要选择方向之一。通过近5年的试点实践，船舶应用LNG技术日渐成熟，内河LNG燃料动力船发展前景广阔。根据交通运输部水运科学院相关研究，2017～2020年间，在国家对新造内河LNG动力船给予补贴的情况下，我国内河LNG燃料动力船舶将有可能达到1万艘[2]。

燃料动力船在内河航运中，船闸作为沟通水系联系、提高航道等级的通航建筑物而被广泛地使用。截至2012年，我国现有船闸864座，广泛分布于长江干流、京杭运河、西江干线、嘉陵江、汉江及湘江等流域[3]。LNG水上产业链的逐步完善将进一步推动内河LNG燃料动力船的发展，LNG燃料动力船通过船闸的安全性也成为亟待研究的现实问题。船舶过闸历时较长且四周形成半密闭空间，一旦发生LNG气罐安全阀起跳或泄漏事故，不利于天然气的扩散，存在引发更严重的安全事故的风险。因此，对LNG 燃料动力船过闸进行风险评估至关重要。

1研究对象

选取典型的3 000 t和5 000 t干散货LNG燃料动力船为研究对象。通常，内河LNG燃料动力船的气罐布置在货舱处、艉部甲板处，或者是机舱处所[4]，相对于布置在围蔽处所内的情况，LNG气罐布置在露天甲板上对船闸构成潜在危险性较大。因此，选取LNG气罐布置在船艉露天甲板上的情况进行研究。

选取与上述船型相适应的某典型船闸作为通航船闸，考虑了2种过闸方案。

1) 1闸4船。船型为典型的5 000 t干散货船，船长约为130 m，船宽约为16.2 m，型深约为4.3 m；4艘5 000 t标准船型同时布置在船闸内，见图1，船舶左右舷空间所剩无几，艏艉方向略微宽松，总体基本充满整个船闸。船舶一致艏艉方向停泊，其LNG气罐位置集中在两处，一处靠近船闸门，另一处在船闸中部位置。

2) 1闸6船。船型为典型的3 000 t干散货船，船长约为79.6 m，船宽约为13.6 m，型深约为4.05 m。6艘3 000 t标准船型同时布置在船闸内，见图2，船舶左右和艏艉方向整个较宽松，总体基本比较均匀。船舶一般艏艉方向停泊，其LNG气罐位置集中在3处，1处靠近船闸门，另2处在船闸1/3位置。

图1　4艘5 000 t船舶同时布置在船闸内示意

图2　6艘3 000 t船舶同时布置在船闸内示意

LNG燃料动力船在通过船闸时，大部分时间船舶被系固在船闸内。根据现有船舶过闸实际操作情况，船舶主机处于备车状态，发动机处于正常运转，LNG气罐向机舱提供天然气燃料。针对LNG燃料动力船通过船闸的操作与运行模式，长时间不使用天然气燃料，可能导致LNG气罐内BOG增多而超压，气罐安全阀起跳，天然气通过透气管释放到船闸内。另外，露天甲板上供气系统可能发生泄漏也导致天然气泄漏到船闸内。因此，本文风险评估范围主要针对露天甲板上LNG供气系统。典型内河标准船型LNG燃料动力船露天甲板上的LNG供气系统如图3所示，包括低温管路、阀件、汽化器等部件[5]。

2危险源分析

2.1HAZID方法

HAZID是风险分析过程的第一步。完整意义上的风险分析过程包括：危险源辨识、风险分析、和风险管理3个部分[6]。目前，HAZID已经不仅限于狭义的识别危险源，而是包含了更为宽泛的内涵，包括识别初步设计中可能的危险源及其成因、后果，明确防护措施和提出降低风险的建议，并给出下一步开展定量风险评估(QRA)的场景建议。

HAZID分析通过工作组成员的“头脑风暴”来辨识潜在的危险源。该工作在有序的引导下完成，HAZID分析的目标是：①识别潜在危险源；②分析起因和导致的后果；③提出建议来消除、规避、控制或降低风险。

2.2风险矩阵

根据ISO 17776:2000建立如表1所列的风险矩阵[7]。风险发生可能性分为A、B、C、D共4个等级，风险发生后果分为0～5共6个等级。因目前尚无LNG燃料动力船通过船闸等类似场景的事故数据，无法通过灾害事故数据统计来分类和判别事故的严重性和可能性，所以，通过定性方法来确定事故的发生可能性和后果严重性。

表1　风险矩阵

2.3分析结果

对典型3 000、5 000 t船舶通过船闸进行危险源识别，主要从人为因素、船舶因素、环境因素和管理因素4大方面对LNG燃料供气系统进行失效分析，考虑布置与环境、设备、附件、供电、控制、运行参数、操作等方面。通过分析，船舶过闸时LNG燃料系统的主要风险为管系泄漏、安全阀起跳等，LNG泄漏后可能导致蒸气云扩散，超压安全阀排放的气体遇到明火可能被点燃，导致火灾或爆炸事故。对典型LNG燃料供气系统HAZID分析记录表见表2。

表2　典型LNG燃料供气系统HAZID记录

3概率分析

3.1供气系统信息

内河LNG燃料动力船通常采用低压供气系统(供气压力小于1 MPa)，气罐采用自增压装置给机舱发动机进行供气[8]。LNG燃料从气罐流出后经过强制蒸发器，从液相转变成气相，再经过加热器将低温天然气升温至发动机需要的温度，然后经过调压阀调整到发动机适用压力范围。整个供气系统需要经过的部件包括有液相管路、气相管路、阀件、汽化器等。选取典型标准船型LNG燃料供气系统，其在露天甲板上部件的基本信息统计见表3，船舶过闸时间及供气系统运行时间见表4。

3.2事件树分析

事件树分析是一种探究事故、失效或不希望出现事件的发展和演化的方法。本研究考虑的灾害有LNG泄漏后的低温危害、泄露后产生可燃蒸气云、遇到明火后发生火灾、同时考虑在受限空间可能发生爆炸。液相或气相天然气的泄漏，在不同条件下产生的后果不同，LNG泄漏后可能发生的灾害事件树分析见图4。

表3　供气管系基本信息

表4　船舶过闸时间及供气系统使用时间

图4　LNG泄漏的事件树

3.3风险可接受准则

通常风险接受准则可分为个人风险接受准则和社会风险接受准则，考虑到通航船闸周边无密集居民区，船闸内船员和作业人数最多约60人，区域内总体人数较少，所以本研究仅考虑个人风险。对于个人风险接受准则，国外主要有英国健康、安全和环境执行局(HSE)，国内有《国家安全生产监督管理总局令》(第40号)等。考虑到LNG燃料动力船通过船闸特殊地理环境，本文按照从严标准，认为通航船闸属于高敏感场所，选取的最大可容许风险为3×10-7/年。

3.4个人风险值计算

采用如下方法对个人风险进行量化[9]。

(1)

式中：Pf为事故发生的概率；Pd/f为个人由于事故的发生而死亡的概率。Pf包括设备失效概率、引燃概率、人员存在概率等。设备失效概率、引燃概率按照《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)[10]要求计算，人员存在概率可根据船舶过闸频率和过闸时间进行计算；人员死亡概率Pd/f按要求进行计算。

根据个人风险值的计算，本文识别出典型内河LNG燃料动力船过闸过程中潜在的一项不可接受的风险，见表5。

4场景确定

4.1场景确定

根据个人风险值计算结果，针对风险值超过3.0×10-7事件进行后果模拟分析。另外，考虑LNG燃料动力船通过船闸的特殊性，LNG燃料动力船在锚地等待时间较长，气体燃料发动机不能完全消耗掉所有的BOG气体，本文也对LNG气罐超压后安全阀起跳可燃气体的扩散情况进行模拟。综合考虑，选定以下场景进行分析。

场景1气罐容积20 m3(1.9 m×6.5 m)，气相与液相各占50%，考虑最极端情况(所有船舶安全阀同时起跳)，安全阀起跳压力1.10 MPa，关闭压力0.99 MPa，流通面积为1 962 mm2，透气管高度3 m，风速沿船艉方向1.2 m/s。

表5　识别出的不可接受的风险

场景2供气管路发生直径为25 mm的破孔(最大有效泄漏面积为490 mm2)，致使LNG泄漏到集液盘发生扩散，集液盘尺寸1 m×1 m，风速沿船艉方向1.2 m/s，泄漏时间90 s。(泄漏持续时间选取90 s主要考虑到通常探测到气体泄漏的最长时间为60 s，ESD切断时间为30 s。)

场景3由于供气管路发生破裂，LNG泄漏到集液盘，发生低温蒸汽扩散过程中遇到明火，火焰烧回集液池形成池火，假定集液盘内LNG扩散后90 s被点燃。

场景4由于供气管路发生破损，LNG泄漏到船上集液盘内，在船闸内发生低温扩散，经过90 s扩散后遇到明火发生爆炸。(考虑船闸内相对围蔽，有可能发生爆炸。)

4.2气象条件

假定通航船闸地区的基本气象数据如下：年平均风速1.2 m/s，年平均温度16.8 ℃，大气压力101 kPa，相对湿度75%，太阳辐射强度380 W/m2，大气稳定度D级。

5模拟场景计算

CFD后果分析采用FLACS软件进行[11]。

5.1场景1

假定安全阀0 s起跳，6.5 s回落，其计算结果见图5、6。

图5　1闸6船

图6　1闸4船

由计算结果可知，有风时，可燃气体云消散速度更快，从安全阀起跳开始，大概10 s后所有可燃气体云均已消散；在无风情况下，透气管释放NG扩散的最大距离约为30 m；可燃气体云存在时间短，扩散范围仅在闸内，基本不会造成危害。

5.2场景2

假定管路泄漏速率为8.98 kg/s，泄漏时间为90 s，设有集液盘，计算结果示于图7、8。

图7　1闸6船可燃蒸气云范围

图8　1闸4船可燃蒸气云范围

假定集液盘尺寸为1 m×1 m×0.8 m，算得低温液体最高深度为0.772 2 m，已非常接近盘口，建议集液盘的尺寸设置为1 m×1 m×1 m；假定供气管路发生直径为25 mm的破孔，LNG泄漏后的蒸气云扩散范围约为52.4 m；应严禁可燃气体云范围内出现点火燃。

5.3场景3

假定液相管路泄漏90 s后被点燃，并发生池火的情况，计算结果示于图9、10。

图9　集液盘池火热辐射(大于5 kW/m2)

图10　集液盘池火温度(>400 K)

由计算结果可知，集液盘发生池火对人员热辐射的波及范围约为31.3 m；集液盘发生池火后波及范围有限，人员撤离时间可控制在30 s内。

5.4场景4

泄漏90 s可燃蒸气云被点燃形成爆炸，爆炸情况的计算结果示于图11～12。

图11　结构物承受的爆炸冲击力

图12　爆炸冲击波空间示意

由计算结果可知，爆炸对闸室的冲击波约为33 kPa，最大波及范围约36.5 m。船闸内应尽量保持空气流畅，严禁构成围蔽空间。

6结论

1) 当LNG气罐内因BOG增多而超压，引发安全阀起跳时，在有风情况下，可燃气体云的消散时间约为10 s；在无风情况下，透气管释放NG扩散的最大距离约为30 m。

2) 当供气管路发生直径为25 mm的破孔时，LNG泄漏后的蒸气云扩散范围约为52.4 m；LNG泄漏引发的集液盘池火对人员热辐射的波及范围约为31.3 m。

3) 当供气管路发生直径为25 mm的破孔，LNG在船闸内低温扩散90 s后遇明火发生爆炸时，爆炸对闸室的冲击波压力约为33 kPa，最大波及范围约36.5 m。该爆炸压力与波及范围对钢结构和混凝土结构造成的损害需要结合船闸的设计抗爆值和运行现状进行校核与评估。

参考文献

[1] 宋亚楠.内河和近海船舶排放特性及排放清单研究[D].北京:北京理工大学,2015.

[2] 汪珺.LNG动力船市场迎来“春天”[N].中国水运报,2013-07-01(2).

[3] 交通运输部综合规划司.2012年公路水路交通运输行业发展统计公报[N].中国交通报,2013-04-23(2).

[4] 陈峰,李岳洋.内河双燃料船LNG储气罐位置的确定[J].江苏船舶,2013,30(2):1-4.

[5] 多英全.液化天然气燃料动力船舶定量风险分析[J].中国安全生产科学技术,2013,9(12):90-94.

[6] 舒小芹,邱少林.HAZID方法浅析[J].中国安全生产科学技术,2011,7(5):171-175.

[7] ISO 17776:2000. Petroleum and natural gas industries-offshore production installations-guidelines on tools and techniques for hazard identification and risk assessment[S].2000.

[8] 周志贤,杨令康,吴海荣.LNG双燃料动力船舶设计探讨[J].船海工程,2014,43(2):154-156.

[9] 刘茂.事故风险分析理论与方法[M].北京:北京大学出版社,2011.

[10] 国家安全生产监督管理总局.AQ/T 3046—2013化工企业定量风险评价导则[S].2013.

[11] 程康,金全洲,范洪军.基于FLACS的水上LNG泄漏事故数值模拟分析[J].船海工程,2015,44(3):169-171.

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

基金项目：交通运输部水运工程标准项目

第一作者简介：李清(1979—)，男，硕士，副研究员

中图分类号：U674.13

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0006-06

修回日期：2016-02-15

(JTSBD2015-07-177)

研究方向:船舶清洁能源应用技术

E-mail:liqing@wti.ac.cn