LNG运输与动力驱动船舶的安全管理

中国船级社上海分社 焦光远

一、引言

天然气（Natural Gas，简称NG）作为化石中污染最少的能源，热值相应高于煤炭和石油，中国将大力提高NG在能源消费结构中的比重，而LNG 动力驱动船舶正借此契机快速发展。另外，随着运输距离的增加，海底管路与液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG，主要组成成分是甲烷，还包括有少量的乙烷和其他重烷烃）船舶运输量正在快速增加。LNG 运输船舶作为高经济附加值的船型正在得到中国造船业的重视，并且发展速度逐步加快，截止2012年中国已有16 条LNG 船投入营运。而LNG 作为易燃易爆危险品，在储运过程中其安全性和经济性需要得到格外的重视和考虑。基于此，本文将分析LNG 运输与动力驱动船舶储运危险发生机理，介绍其安全防护安排，并对LNG 冷能在船舶推进装置上的应用安全性做出探讨。

二、LNG 运输与动力驱动船舶储运危险发生机理[1-3]

1.LNG储存危险发生机理

LNG 的船舶运输与储存都是以常压全冷方式运输的，即在大气压下以-163 ℃左右低温储存运输。其储存过程中发生的危险主要与LNG 的饱和沸腾有关。LNG 作为混合物，其沸点随组分的不同而不同，但船舶运输的LNG 其甲烷含量均高于85%，因此其沸点温度大约为-160 ℃，与其存储温度相比，仅有3 ℃左右的过冷度，一旦发生LNG液货舱隔热效果降低或船舶发生剧烈摇晃，液货舱中的LNG 会加速蒸发，甚至发生沸腾现象，严重的话会顶开甲板上的压力释放阀。

这是因为LNG 混合物的特性，其密度和组分的不同会引起分层，而层与层之间会产生传热传质现象，上层的液体会从下层吸收热量进行蒸发，从而使下层液体处于饱和甚至是过热状态。当发生剧烈晃动时，两层液体迅速混合产生大量气体，使液货舱内压力快速升高。另外，当LNG液货舱隔热效果降低时，LNG 从外界直接吸收热量，蒸发速率加快。如果此时LNG 船舶压力释放装置不能及时开启，会有发生液货舱爆炸的危险。

2.LNG运输危险发生机理

LNG 船舶运输过程中，可能由于碰撞、搁浅或操作失误而造成LNG 液体的泄漏，而泄漏出的LNG 液体与周围环境进行换热蒸发沸腾成NG气体进行扩散。在这两个阶段中，由于不同的物质属性会产生不同的危险，下面对其进行分别论述。

1）LNG 液体泄漏危险

当LNG 泄漏到甲板时，-163 ℃的低温液体能使与其接触的低合金碳钢发生局部冷却，产生的过度的热应力会使船体发生自发性脆性破裂，失去延展性，从而危及整个船体结构。同时，如果泄漏的LNG 接触到裸露的人体皮肤时，由于LNG 汽化过程中会大量吸热，这将引起人体皮肤的低温烧伤。

当LNG 泄漏到水面时，由于LNG 的低温特性，泄漏出的LNG 会从周围环境吸热，并发生沸腾相变。可能经历的沸腾方式包括有膜沸腾、过渡沸腾和核沸腾等常规沸腾形式，然而在部分关于LNG 水域排放实验的记录中，LNG 还发生了爆发沸腾（Explosive boiling，在瞬态高热流作用下引发的一种超常沸腾现象）。比较以上四种沸腾现象的传热传质速率，爆发沸腾远高于其他三种沸腾现象，而且所产生的压力冲击波足以对周围的环境设施产生破坏。在爆发沸腾过程中，大量的LNG 会以极快速的方式转变成NG，冷的NG 会长时间地聚集在船舶或港口区域，不论对船舶还是港口设施甚至人员安全都会带来极大的危害。即使冷的NG 在气流的作用下得到稀释和扩散，如果没能得到燃烧，该部分具有一定浓度的可燃气体会随风飘散到居住区，造成更大的危害。

当LNG 泄漏到地面时，由于地面相比于水其热传导速率较低，而且地面不具有运动性，这也进一步地限制了地面传递热量给LNG 的速率。从而使得在地面上，LNG 只能进行较缓慢的常规沸腾，NG 产生速率较低，使得冲击波的压力较低，NG 有相对长的时间在大气中换热，重气云团影响时间较短、区域较小。简而言之，LNG 陆域泄漏产生的危害小于水域泄漏。

由此可见，研究LNG 水域排放爆发沸腾的发生机理，控制爆发沸腾发生强度，使泄漏出的LNG 液体在水域以稳定且平缓的方式进行沸腾，从根本上预防或者杜绝灾害的发生，这对保障国民经济快速稳定发展，减少灾害损失有着极其重要的工程价值与社会意义。

2）NG 扩散危险

无论LNG 发生水域泄漏还是陆域泄漏，都会从外界环境吸热而沸腾产生NG，蒸发沸腾出的NG 初期由于温度较低，密度大于空气密度，将在水面或陆面进行扩散，形成重气云团。进一步换热与空气混合后，重气云团扩散转变为被动云团扩散。当云团中NG 浓度在5.3%～15%的燃烧爆炸浓度范围内时，遇点火源将发生燃烧爆炸危害。

不同的泄漏方式将会产生不同的燃烧形式。当在水面或陆面形成有液池后再遇点火源时，将发生池火；当从裂口喷射出的NG 被点燃时，称为喷射火或闪火。当燃烧速度过快，产生过压破坏时，即形成爆炸。如果燃烧发生在非限制空间，NG 不会发生过压破坏（爆炸）。但是，当可燃范围内的NG 云团横穿或绕过某一障碍物时会被剧烈扰动，遇到高压点火源时，将引起燃烧速率快速提升。随着燃烧剧烈程度的增加，造成过压损坏。如果燃烧发生在限制空间，或扩散到限制空间时，NG 云团被点燃后将发生过压破坏，造成建筑物严重的损坏。燃烧和爆炸除了会引起超压破坏，还会造成热力学损坏，而热力学破坏的强度与接触时间和热流量大小有关。

摄影：Julia Jones

三、LNG 运输与动力驱动船舶安全防护

1.围护系统安全设计

LNG 运输船舶围护系统本身的可靠性是保证LNG 安全储运的重要前提，因此遵循标准与进行规范设计是十分必要的。LNG 运输船舶均采用双层壳和双层底结构，满足2G型船舶的要求，液货舱距舷侧外板的横向距离≥760 mm；距船底板的垂向距离≥船宽1/5，最大取2 m；其他任何部位距外板的距离≥760 mm。鉴于其设计上充分考虑了安全性，在迄今为止的LNG 运输船舶事故中，尚未发现有大规模的LNG 泄漏事故发生。除此之外，IMO 对液化气船的船舶结构和设备制定了一些规则，作为国际性的安全标准。

2.应急切断系统

应急切断系统（ESD）可以保证在LNG 装卸货期间，当发生不当操作或有火灾爆炸危险时，可以立即切断或关闭LNG 输运管线。该系统具有失效保护设计，当正常控制系统故障或事故时，失效的可能性极小。

3.NG气体探测系统

LNG 运输船舶为处理日常蒸发的NG，大多使用双燃料发动机推进装置。此类发动机基本上是一台普通的四冲程柴油机，它可利用NG 作为燃料。这就要求在机舱中布设有NG 管线，而一旦发生管线破裂而导致NG 泄漏的话，将会引起机舱火灾与爆炸的危险。因此，将NG 管线做成双层管结构，在两层管壁之间通入压缩空气，并布置有NG检测装置，在发生管路破裂事故时，一方面可以通过压缩空气流将泄漏出的NG 带到与管线相连的烟囱处进行排放，另一方面通过NG 检测装置检测并报警，切断NG 供给，保证机舱和全船安全。

4.消防系统[4]

在处理LNG 失火时，推荐使用干粉灭火器，在任何情况下均不要使用水，因为水会使LNG 汽化速率增加，从而将火焰高度增加6 倍，辐射强度增加3 倍。但在处理NG扩散的过程中，可以使用带水位控制器的水幕或手握软管喷水。这样将使LNG 蒸汽云团加速吸热，由重气云团扩散转变成被动扩散，增加其上浮的速率并快速扩散开来，降低了对船面上人和设备的影响。

5.人身安全保护

LNG 运输与动力驱动船舶上的人员在接触低温气体、低温液体时，必须戴上防护面罩和皮革手套，穿上无袋的长裤和高筒靴、长袖衣服。在缺氧条件下，需佩戴呼吸装置。面罩要求在低温下不会破裂，衣物要求由专门的合成纤维或纤维棉制成，且要求尺寸宽大，以防止低温液体溅落在衣物上，冻伤皮肤。决不允许人员进入LNG 池或喷射物中，因为这些防护用具不能确保安全。只有不存在着火源且需紧急操作时才能进入LNG 蒸气中。

四、LNG 动力驱动船舶冷能利用安全性分析

在LNG 运输过程中，LNG 货物会不断受热产生货物蒸发气，简称BOG。处理BOG 的方式不同，决定了LNG 船推进装置的不同。目前LNG 船大部分采用将BOG 在双燃料锅炉中燃烧，采用蒸汽轮机推进装置。同时，也有部分LNG采用双燃料发动机电力推进装置和装有再液化装置的低速柴油机推进装置。此外，利用BOG 作为燃料的燃气轮机推进装置也在论证之中。

对于使用BOG 气体作为燃料的推进装置来说，在使用过程中，根据工况的要求，还需加入强制蒸发装置，强制蒸发部分LNG 液体，将其产生的NG 气体作为补充BOG 气体的不足。在强制蒸发的过程中LNG 冷能会被白白浪费掉。如何利用这部分冷能成为LNG 动力船舶节能发展的一个重要方向，而冷能利用的同时也会给船舶的安全管理带来隐患，因此针对在船上实现LNG 冷能的利用的两个设计进行安全性分析，为提高其营运安全与经济性提供理论基础。

1.对于使用燃气轮机的LNG 船舶来说，当船舶进入到热带航行时，气温偏高会影响燃气轮机的工作效率，无法达到设计条件下的功率输出。此时，如果能将需要蒸发的LNG 的冷能转化为对进气空气的冷却，可增加燃气轮机功率15%～20%。

从对此设计的理论基础描述可以看出，其安全隐患主要存在于在利用LNG 冷却空气的过程中，要确保没有空气泄漏入LNG 储存空间或没有LNG 随空气进入压气机。如果发生前者的话，会增加LNG 存储空间的氧气含量，一旦未被发现，会有火灾爆炸的危险。后者发生的话，LNG 会吸热汽化并随空气一起在压气机中被压缩，这一过程类似于内燃机的发火原理，有燃烧爆炸危险。

为避免这一安全隐患，对于进气冷却的设计需要注意以下两点：第一，冷却的空气在进入到燃气轮机压气机后保证不产生冷凝液体，否则将会对压气机叶轮产生液击，这就要求其冷却温度不能低于一个最低温度值；第二，在不低于最低温度值的同时，要使进气温度尽可能的低，但如果将LNG 直接作为制冷剂冷却空气，会使空气中的水分凝固发生冰塞现象，另外，消除LNG 与空气互相接触的可能性，要求采用中间制冷剂。因此中间制冷剂的选择既要保证冷却效果[5]，又要保证不与LNG 或空气发生反应，并具有一定的惰性。

2.LNG 在蒸发沸腾过程中，其体积变化可达到600 倍，这为利用其膨胀能做功提供了便利。对于使用双燃料发动机电力推进的LNG 船舶，直接利用LNG 膨胀能做功推进船舶航行显得不合实际，但是利用其膨胀能作为废气涡轮增压器额外辅助能源来推动空气压缩机转动，增加单位时间进气量从而提高发动机效率是可以实现的。

在完成此项设计时，需要注意以下三点：第一，在LNG 沸腾换热的过程中，换热器的设计极其重要，应能使LNG 以一稳定的速率进行沸腾相变，从而输出稳定的膨胀能；第二，LNG 沸腾换热速率的数值模拟计算工作，这是设计换热器的基础工作；第三，换热器的密封设计要极其严格，确保LNG 在发生沸腾换热后，没有任何的NG 外泄出来，这就要求在换热器上布置多个气体泄漏监测点，一旦发现有泄漏应立即切断LNG 的供给，查找漏点消除隐患。

摄影：pgegreenenergy

五、结语

LNG 船舶虽然被定义为高危险的特种船舶，但其在储运过程中有良好的安全记录，这主要归功于其严格的建造规范与设备设计要求。为进一步提高LNG 船舶安全性，本文就LNG 船舶危害发生机理和安全防护管理进行了分析。同时，为提高LNG 动力驱动船舶营运经济性与安全性，针对LNG 冷能在船舶上的利用的两个设计方案进行了安全性分析，奠定了一定的应用理论基础。

[1]裴永兴.中国液化气船舶的现状与安全控制[J].世界海运,2007,30(2):20-22.

[2]张彬,吴宛青,于桂峰.液化天然气船舶海上泄漏危害性与风险分析[J].大连海事大学学报,2006,32(4):81-83.

[3]Mike Hightower,Louis Gritzo,et al.Guidance on risk analysis and safety implication of a large LNG spill over water[M].Abuquerque,New Mexico:Sandia National Laboratories,2004.

[4]刘勇.液化天然气的危险性与安全防护[J].天然气工业,2004,24(7):105-107.

[5]马晓茜,廖艳芬.液化天然气储运与利用中的几个关键问题[J].石油与天然气化工,2005,34(5):363-367.