LNG燃料船舶燃气泄漏管理

王志敏 刘文朝 施 政

（沪东中华造船（集团）有限公司 上海200129）

引 言

天然气是一种高效清洁的优质低碳能源，可与核能及可再生能源等其他低排放能源形成良性互补，是能源供应清洁化的最现实选择。与柴油机相比，天然气发动机可以减低80%以上NOx、100%SOx和PM、20%以上CO2等有害气体排放，满足日益严格的排放法规要求［1］，天然气低于柴油的价格也可以直接降低船东的运营成本，船舶应用LNG作为燃料已日益受到政府和船东的关注。

随着燃气系统的逐步应用，其安全性也越来越受到重视。由于LNG具有低温、易燃、易爆等固有的特殊危险性，其发生泄漏后的危险性极大。研究天然气发生泄漏后的应对措施是研究天然气安全问题的重要一环，目的在于即便天然气发生泄漏，也可采取一定的安全应对措施消除其危险性［2］。这些安全措施可以给天然气的使用提供可靠的安全保障。

1 LNG燃料船舶燃气系统介绍及燃气系统相关规范要求

1.1 LNG燃料船舶燃气系统介绍

根据天然气供给系统不同的功能，天然气供给系统可以划分为以下几个模块：

（1）LNG存储模块

LNG储罐，用于存储LNG；LNG运输船，存储模块则指LNG货舱。

（2）LNG加注模块

用于LNG存储模块的加注，包括通岸接头、低温管等部件［3］。

（3）惰性气体模块

可生成惰性气体，为系统提供惰性气体源，供天然气管路和主机等设施的吹洗。

（4）LNG输送模块

即LNG输送泵，用于将LNG加压到双燃料发动机要求的天然气压力。

（5）LNG气化模块

包括LNG气化器以及乙二醇循环模块，用于将加压后的LNG等压气化为要求温度范围的天然气。

（6）阀组单元

实现对燃气的供应和切断，以及惰性气体吹扫的控制。

（7）通风系统

用于保持主机及机舱内双层燃气管的通风，实时监测是否出现燃气泄漏。

（8）燃烧单元

为LNG气化模块提供热源。

（9）控制系统

用于整个供气系统的控制与监测。

本文所描述的与燃气泄露相关的模块主要有阀组单元、通风系统、燃烧单元等；主要的泄露点有双燃料发动机、燃气管、燃气阀组等部件［4］。

1.2 LNG燃料船舶燃气系统相关规范要求

IMO规范对于LNG燃料船舶燃气系统的要求主要体现在IGC CODE［5］和IGF CODE［6］。

IGC CODE的第16.2章规定应对使用气体燃料的处所装置机械通风系统，并应将该处所布置成能防止形成死角，应将上述通风系统与其他处所的通风系统分开。在使用双燃料发电机的电力推进项目上，我们为主发电机室与GVU房间设置单独的房间，并为它们设计独立的通风系统与机舱通风系统分开；在使用双燃料低速机的项目上，使用气体燃料处所的机械通风系统与机舱通风系统一体，与居住区的通风系统分开。双燃料发电机室与机舱在布置时应充分考虑空气的流通以防止形成死角。

IGC CODE的第16.3章规定气体燃料管应被安装在通风管或管道内，在气体燃料管和通风管或管道内壁之间的空间，应设置机械抽风设备，其排量至少为30次/h；应将通风系统布置成能维持其压力低于大气压力。本文所述通风系统为燃气管的双壁管设置了抽气风机，并推荐了双壁管通风空间容积与气压差值的关系，以满足30次/h的通风要求，介绍了各主要处所的大气压力设定情况。

IGC CODE的第13章规定对于每套探测设备，在确定固定取样器的位置时，应适当考虑似运载货物的燃气密度以及由于舱室内换气或通风所造成的稀释度。本文描述了如何通过燃气泄露的模拟计算和实际的烟雾模拟来确定固定取样器的位置。

2 燃气系统的泄漏风险管理

甲板区域暴露于大气中，一般会被定义为危险区域。燃气在甲板区域泄漏后会直接稀释进入大气中，危险性较小；而机舱属于封闭区域，且热源较多，一旦燃气泄漏到机舱，危险极大。本文主要对机舱区域的燃气泄漏进行分析，并讨论相应的管理措施。

2.1 通风系统的设计

通风系统设计的宗旨是保证当燃气发生泄漏后能被快速地稀释。甲烷与空气混合后的爆炸极限为4.9%，当甲烷值低于这个值时不能燃烧，故可通过快速稀释掉泄漏后的天然气来防范天然气爆炸的风险。因此有必要为燃气系统设计不间断的通风系统［7-8］。暴露在机舱内与燃气相关的主要部件有燃气管、燃气阀组、双燃料发动机等，通风系统的布置参见图1。

图1 燃气供给系统布置

为保证通风效果，图1中几个处所的压力设置为：发电机室气压P1＞ 机舱外大气压力P0＞ 燃气阀组室气压P2。

上述的发电机室与燃气阀组室均布置在机舱内，并都布置了单独的房间与通风系统。双壁管的外管一头通过膨胀节与发电机连接，一头与燃气阀组室舱壁连接，与舱壁的连接处为敞开状态；双壁管的内管一头通过膨胀节与发电机连接，一头与燃气阀组连接。

发动机室通过供风机保持其压力大于外界大气压力，而燃气阀组室通过抽风机保持其压力小于外界大气压力。其中发电机室气压P1与燃气阀组室气压P2的差值跟双壁管通风空间（即双壁管内管与外管之间的空间区域）容积成正比关系，双壁管通风空间容积与气压差值的关系如图2所示。

图2 双壁管通风空间容积与气压差值关系图

在此压力设置下，空气流通的路径一般分为两路：一路从主机缸头进入；一路从燃气管与机舱的连接口进入。其流向如下：

（1）空气从主机缸套进入的路径如图3所示。

图3 空气进入主机缸套的流向图

新风由机舱风机提供，进入主机缸头双层空间的位置如图4所示。

新风进入主机后，经由双壁管的外管进入到燃气阀组室，然后由连接燃气阀组室的抽气风机抽到舱外安全区域。

（2）空气从燃气管与机舱的连接口进入的路径如图5所示。

由于机舱外大气压力P0大于燃气阀组室气压P2，新风会从舱外被吸入燃气阀组室，然后再由燃气阀组室的抽气风机抽至舱外完全区域。

图4 新风进入主机缸头双层通风空间内

图5 空气从燃气管与机舱的连接口进入的流向图

燃气系统通风系统的设计要保证对机舱内燃气管的全覆盖，只要有天然气经过且有可能发生泄漏的区域都需要设计合适的通风系统。不同的船型对于燃气系统的设计也不尽相同，而通风系统是基于燃气供给系统而设计；所以不同船型的通风系统设计也会有较大差别；但设计宗旨相同，都是为快速稀释掉可能泄漏出来的天然气。

2.2 可燃气体探测布置

在机舱内为燃气系统设置充分的通风系统后，还需要在可能发生泄漏的区域设置可燃气体探测装置，以便在发生燃气泄漏后能及时检测并报警。一般会在如下区域布置合适的可燃气体探测装置：

（2）氮气发生器的干燥器出口；

（3）机舱进风口；

（4）机舱出风口；

（5）双燃料发动机的燃气阀组房间；

（6）双燃料发动机燃气阀组房间的通风风管出口；

（7）LNG舱的货物机械室；

（8）双燃料发动机房间的通风进口；

（9）双燃料发动机房间的通风出口；

（10）燃气管路的进风口；

[13]胡志丁、曹原、刘玉立、葛岳静：《我国政治地理学研究的新发展：地缘环境探索》，《人文地理》2013年第5期。

（11）双燃料发动机上方；

（12）双燃料发动机的曲轴箱透气管；

（13）双燃料发动机的低温冷却水膨胀水箱；

（14）应急发电机室。

以上这些区域建议各设置1个或者2个可燃气体探头作为监测点。可燃气体探测的设置不仅考虑机舱内部燃气系统可能发生的泄漏，也要考虑燃气可能由机舱外部进入的可能性；所以在与外部空间接触的机舱棚和机舱进风口等区域也应设置燃气探测点。

在设置可燃气体探测的时候要注意将可燃气体探测点布置在燃气最容易出现的地方，需充分考虑气体的流动轨迹，根据气体的流动轨迹判断可燃气体探测的最佳安装位置；气体的流动轨迹可通过泄漏扩散计算来获得，也可使用烟雾来模拟燃气发生泄漏后的实际流动轨迹获得，借此找到最佳安装点，以降低出现燃气泄漏后可燃气体探测装置无法探测到燃气并报警的风险。

2.2.1 泄漏扩散模拟计算

图6是以双燃料发电机室某机6号缸连接点处发生泄漏后进行模拟计算的示例。根据模拟计算得出的结论判断燃气发生泄漏后最先出现的区域，然后在合适的位置安装可燃气体探测点。

图6 某机6号缸连接点发生连续泄漏，发电机室内部不同时刻的天然气摩尔浓度分布图

2.2.2 实际烟雾模拟

在使用模拟计算找出可燃气体探测的最佳安装点后，可再使用烟雾桶检验房间内气体的流通轨迹；先在需测量的房间内选取一处最易发生燃气泄漏的点，然后在该处放置一个烟雾测试桶，在正常运行工况下释放烟雾，然后观察烟雾是否最易到达可燃气体探测点，通过观察烟雾流动轨迹可检验出可燃气体探测的放置点是否合理。

2.3 可燃气体探测布置的难点

根据实际运行经验，在所有布置的可燃气体探测点中，布置在双燃料发动机的冷却水膨胀水箱和曲轴箱透气管上的探测点出现的问题最多，需要重点考虑。

2.3.1 冷却水膨胀水箱上的可燃气体探测

双燃料发动机的高温冷却水系统与低温冷却水系统是集成在一起的，共用一个冷却水膨胀水箱，独立于机舱的中央冷却水系统；如果双燃料发动机的缸套发生泄露，那么燃气就有可能混入发动机的缸套水中，从而进入冷却水系统，并流入冷却水膨胀水箱。因此需要在冷却水膨胀水箱上布置可燃气体探测装置。

在初始设计的时候可燃气体探测装置直接安水膨胀水箱上面的透气管侧面，如图7所示，只是在安装探测点的位置把透气管加粗至DN150以方便安装。

图7 可燃气体探测直接安装于膨胀水箱透气管上

这种安装方式的好处是可燃气体探测头可通过透气管直接探测到膨胀水箱里面的气体，监测方式更为直接。不过，由于膨胀水箱内水汽太多，导致透气管内的湿度太高，可燃气体的探测头在高湿度下又极易生锈，因而在实际使用过程中，发生多次可燃气体探测头因生锈而损坏的事故。

一方面要对膨胀水箱内的空气进行探测，另一方面又要避免膨胀水箱内水汽对探头的腐蚀。在这种条件下，就需要选择一种更为复杂的探测方式。

改进后的方案如图8所示，在膨胀水箱上面的DN50透气管上开一路8 mm的支管，然后用一个抽气风机将要探测的气体从该处支管吸入可燃气体探测器，在可燃气体探测器之前布置一个空气干燥器，将水汽从需要探测的气体中先过滤出来，这样就避免了膨胀水箱内水汽对探头的腐蚀。

2.3.2 曲轴箱透气管上的可燃气体探测

根据IGC CODE第16章的规定，曲轴箱应装设气体探测器或等效设备以及惰性气体注入设施。在设计时，曲轴箱的气体探测应设置在曲轴箱的透气管上，通过探测透气管上的燃气浓度来间接检测曲轴箱内的燃气浓度。

双燃料发动机曲轴箱的可燃气体探测布置如图9所示。

图8 带风机的抽吸式可燃气体探测装置

图9 双燃料发动机曲轴箱的可燃气体探测

曲轴箱内部水汽虽然不多，不会锈蚀到可燃气体探测头，但是曲轴箱内部的油气浓度极高，在实船测量时会严重影响可燃气体探头对燃气的测量精度；在气体运行模式下，曲轴箱内气体的LEL数值会从10%左右持续上升至110%左右，而通过取样检测的方式测出的LEL数值并没有持续升高。这两种结果的不同主要归咎于可燃气体探测的类型不同，曲轴箱内的油气对催化型可燃气体探测器的影响较大，而对半导体可燃气体探测器的影响较小。所以在选择可燃气体探测器的类型与形式的时候一定要注意周围环境对其影响。

3 结 论

在设计双燃料船舶的燃气系统时，其安全性需要着重考虑，不仅要考虑如何防范燃气发生泄漏，而且燃气发生泄漏后的应对措施也是系统设计的重点。本文所述通风系统的设计和可燃气体探头的选型与布置均为燃气发生泄漏后的应对措施。其设计原理与设计思路可供设计人员在设计各类双燃料船舶燃气安全系统时参考。