特种船舶的安全防护系统设计与试验

张桦育 李翠芳 朱慧敏

摘    要：本文以我司建造的深圳海上危险品应急指挥船为依托，介绍了该船安全防护系统的设计方案及试验内容、流程，旨在为类似船舶的安全防护系统设计和试验提供参考。

关键词：安全防护系统;设计;试验

中图分类号：U665.13                              文献标识码：A

Abstract： Based on the Shenzhen maritime dangerous goods emergency command ship built by our company， this paper introduces the design scheme， test content and process of the ship's safety protection system， so as to provide reference for the design and test of safety protection system of similar ships.

Key words： Safety protection system; Design; Test

1     前言

深圳海上危險品应急指挥船属于近海航区特种用途船舶，主要用于深圳东部大鹏湾水域LNG船舶航行监护、锚地监控、辖区危险品码头与作业水域的安全监管，并包括危险品事故应急在内的现场综合应急指挥。本船为电力推进船，配置有全回转吊舱推进器、首侧推进器、主柴油发电机组、动力锂电池组、危险气体监测系统、综合信息化系统和DP等。本船设计了安全防护系统，可用于救援工况。在危险气体（主要是LNG）警戒区域内，可单独由动力锂电池组为全船动力及相关设备供电，在7 kn航速的情况下持续航行时间不低于2小时，在此期间舱内保持微正压以保证本船的航行安全。

2     安全防护系统设计

众所周知，LNG可燃气体发生爆炸的条件是在空气中浓度达到爆炸极限范围，且在遇到明火情况下。作为能在LNG泄漏区域航行的船舶，需考虑以下问题：

（1）如何预警船外/舱内可燃气体的浓度;

（2）如何感知LNG对船体结构的伤害;

（3）如何防护船舶不受LNG的侵入;

（4）如何防护船舶自身受外部火情影响;

（5）选择何种电源作为维持船舶在LNG泄漏海域安全航行的动力等。

基于上面的考虑，需设计一套具备感知预警能力、主/被动防护能力以及能够维持船舶动力的安全防护系统，建立集成感知、防护及综合监测、控制的安全防护体系。通过安全防护系统的设计，使得本船具备较强的综合信息处理能力，能够承担综合应急现场移动指挥中心的重任;具备履行危险品作业监管与护航的能力;能够实现对现场LNG等危险气体的监测与预警，评估危险警戒区域范围;具备较好的自我防护功能，可在警戒区域内安全航行。

2.1  系统简介

根据设计要求，安全防护系统包括：危险气体监测系统、气密风闸、气密门/气密舱口盖、动力电池组、舱室正压维持系统、水幕系统、低温探测系统和二氧化碳脱除装置等安全监测及防护设备，如表1所示。

在救援工况下，本安全防护系统设计有一级指令（定义为室外危险气体达到一定爆炸下限百分比A%时）和二级指令（定义为室外危险气体达到一定爆炸下限百分比B%时，B%>A%），可实现绝大多数非防爆设备的一键切断，以及部分安全防护设备功能的激活。此外，为保证本船在危险气体警戒区的航行安全，本船室外还配备了部分防爆设备，包括防爆雷达、防爆GPS、防爆灯具等。

2.2   系统/设备功能

2.2.1 危险气体监测系统

主要负责在船舶外甲板、通风口、对外走道门等可能和外部发生空气交换的关键位置，对危险气体浓度（主要针对LNG气体）进行实时监测。各危险气体监测探头获取的气体浓度信号接入综合信息化系统，当气体浓度升高时在驾驶室、应急指挥中心可发出声光报警;另外，本船还配有4台便携式危险气体探测设备，便于作业行走人员随身携带，当检测到人员周边的危险气体浓度达到设定百分比的爆炸下限时，同样会发出声光报警。

2.2.2 低温探测系统

当 LNG 泄露到海上后，液态 LNG 会快速吸收环境中的热量并迅速气化，在这一过程中会造成周围环境温度的下降，如果在此过程中船的钢板接触到 LNG 液体，则可能发生船舶钢板脆化崩裂的情况。为了有效感知这种特殊情况，配备了4个低温温度传感器，布置在船体两侧监测当前的环境温度。当环境温度低于 0℃时，温度传感器系统发出一个低温报警信号在综合信息化大屏幕上综合显示，指挥人员收到报警后可根据现场情况尽快撤离。

2.2.3 气密风闸

本船配备50余个气密风闸，主要用于隔绝本船内部与外部的空气交换。气密风闸分布于主船体、主甲板、首楼甲板、A甲板和驾驶甲板，共配置4个气密风闸控制箱分布于上建，该控制箱与综合信息化系统有相关电气接口。

在控制箱可单独或一键开闭与该控制箱有电气连接的风闸;在驾驶台配置的气密风闸遥控板，也可分别一键开闭每个控制箱的风闸;除此之外，救援工况下在综合信息化系统还可一键关闭全船所有风闸（机舱风闸除外），同时可实时监测任何一个风闸的开闭状态，只要任意一个风闸未关闭到位，综合信息化系统便会发出声光报警。作为应急使用，气密风闸也可就地手动关闭。

气密风闸的设计，还需兼顾救援工况下的船舶安全以及正常航行时的设备安全和人员安全。全船凡是轴流风机、离心风机配备的气密风闸均设有连锁功能，即气密风闸关闭时风机不能起动，而正在运行的风机遇到风闸关闭时则自动停止;此外，全船除机舱、应急发电机室的气密风闸在失电或失气的情况下保持当前状态外，其余区域的风闸在失电或失气情况下会自动关闭。

2.2.4  气密门/气密舱口盖

全船所有对外开启的门、舱口盖均为气密型，同时就近安装有门行程开关，状态信号均远传至综合信息化系统，可在该系统实时观察到门、盖启闭状态。

2.2.5 舱室正压维持系统

包括呼吸空压机、高压空气瓶、减压阀组以及阀控制系统等相关设备。主要用于当船舶所有开口封闭时可向人员聚集区域释放新鲜空气，改善船内空气质量，保证人员的正常呼吸;同时保证上建生活区空气正压，有效阻止外界危险气体渗入安全区;另外，本船上建设有气锁间，是救援工况下外出作业人员的唯一进出通道，此通道配备内外门，当外门打开时同样也会释放气体以保证正压，防止危险气体扩散进舱内。

阀控制系统是该正压维持系统下的控制中心。阀控制箱分本地和遥控两种模式：本地模式可就地开闭电动蝶阀或电磁阀;而遥控模式则为受综合信息化系统一级指令和二级指令控制的模式，其主要功能如下：

（1）送往上述四个舱室的压缩空气由1号电动蝶阀开闭、送往气锁间的压缩空气由2号电磁阀开闭;

（2）1号电动蝶阀可由综合信息化系统的二级指令开启;

（3）2号电磁阀受综合信息化系统的一级指令激活。该阀与气锁间室外门的行程开关联动，当室外门开启时自动开启释放压缩空气;而当室外门关闭时延迟2 s关闭电磁阀;

（4）当综合信息化系统一级指令激活的情况下，根据阀控制箱采集的门开关信号，若气锁间两侧的门（一个为室外门，一个为室内门）被同时打开，则就地发出声光报警信号;

（5）救援工况下，在驾驶室、应急指挥中心、活动室及紧急医疗救助舱等4个人员聚集区域配备有CO2脱除装置，通过化学药剂吸收人员聚集区舱室内的CO2，防止封闭舱室内CO2含量超标，以改善舱室空气成分;

（6）水幕系统由2台水幕系统海水泵组成，分别布置于左右舷，水幕喷头及管路也分左右舷两个区。每舷海水泵自该舷海底门吸水供至该舷水幕喷头，两台海水泵出口管路设常闭连通阀。实际使用时，可根据面向火场的位置选择开启单舷或两舷的水幕对本船进行保护，最大限度保证船舶自身的安全;

（7）本船设置有2套动力电池组。在穿越危险气体扩散区域时，由动力电池组代替发电机组为船用设备供电。在此模式下可以继续使用的设备包括吊舱推进器、首侧推器、外甲板防爆设备、部分舱室空调、冷却系统、船内照明、船内通讯等。

动力电池组的容量经设计计算，在给定特定负载供电的情况及保持7 kn航速的情况下，持续航行时间不低于2小时;

（8）本系统集成信息采集、控制为一体。在救援工况下，可实现危险气体浓度、气密风闸/室外门/室外舱口盖状态信号、室外低温信号以及室外非防爆设备电源开关状态信号的采集;实现正压维持系统的激活及全船气密风闸（机舱风闸除外）的一键关闭;对全船室外非防爆设备、室内非必要使用设备的电源实行一键切断。

对于电站管理，综合信息化的一级指令使得电站转换为一台主柴油发电机组与动力电池并网的模式，同时电网可对动力电池组充电，以保证动力电池组尽可能充满电;综合信息化的二级指令使得电站转换为纯动力电池组供电模式，此时动力电池组为救援工况下的特定负载供电。

该安全防护系统由信息化小型一体化机房、信息化大屏、驾驶室工作站以及救援模式控制箱等组成。可实现在驾驶室、应急指挥中心以最高权限实时监测救援工况下的各类重要信息，并根据室外危险气体浓度人为决策是否依次发出救援工况下的一级指令和二级指令;根据救援工况下对本船安全防护使用的需求，设计时整理好信号清单，作为安全防护系统设计的依据。

3    安全防护系统的安装检验及注意事项

系统安装过程中，需注意以下几点：

（1）感知设备，如危险气体监测系统的探头，应结合LNG气体较轻的特点，尽可能装于各个区域的高处，且勿装于风口位置;对低温探测系统中的探头，应分布在船舶四周，且勿安装于易产生高温的位置或风口;

（2）被动防护设备，如气密风闸、气密门/盖，除对装置自身的密性要求外，还需在装置安装到位后逐个进行密性试验;

（3）主动防护设备，如正压维持系统，应注意高压管路的密性验证;水幕系统应注意喷头出水效果是否覆盖船体外壳构成防护水幕;

（4）针对安全航行使用的电源，即动力电池组，布置安装时应满足相关规范要求。

4     安全防護系统的联调试验

安全防护系统作为承担本船使命任务的关键系统，除逐个系统的功能性报验，还需要进行联调，以试验整套流程及功能的合理性和安全可靠性。

4.1   试验目的

验证本系统的一键切断、一键激活功能是否有效;同时，也应验证整套安全防护流程的合理性，以及是否与船东的人员配备和用船习惯相符，操作流程是否有不合理之处。

4.2    试验条件

（1）危险气体监测系统、气密风闸、气密门/气密舱口盖、动力电池组、舱室正压维持系统、水幕系统、低温探测系统和二氧化碳脱除装置等，已单独试验并报验完成;

（2）综合信息化安全防护系统界面已完善，且可在信息化大屏、驾驶室工作站显示;救援模式控制箱作为信号采集和一/二级指令输出的最终执行者，需仔细检查核对每一个输入输出通道，包括数字信号输入、模拟量输入、pt100输入和数字信号输出等。对信息化大屏和工作站显示的信号，需对照安全防护系统信号清单查看有无缺漏;

（3）开启综合信息化系统，调整至安全防护界面;开启信号接入安全防护系统的相关设备，诸如危险气体探测器、气密风闸等;确保相关系统处于安全防护系统可远程遥控的控制模式，如舱室正压维持系统。

4.3   试验流程

（1）一级指令手动操作流程

主要是手动关闭能阻止本船与室外有气体交换的门、舱口盖和百叶窗等;手动关闭部分不宜直接切断电源的设备;手动关闭或开启部分阀件;手动开启二氧化碳脱除装置以确保本船密闭后二氧化碳浓度上升威胁到船员安全;所有手动操作完成后应复查检验，如外门、舱口盖均可在安全防护界面里查看状态是否处于关闭。

（2）一级指令自动操作流程

在安全防护系统界面按下一级指令按钮后，全船会有如下动作：大多数全船室外非防爆设备以及室内非必要使用设备被切断;功率管理系统将电站转换为单台柴油发电机组与动力电池组并网，且动力电池处于充电模式;全船气密风闸（机舱区除外）被关闭;正压维持系统下的气锁间电磁阀功能被激活。

上述操作完成后，应根据安全防护系统信号清单实船检查一下操作是否都被执行和反馈到位。如：相应负载的开关是否被有效切断;在集控台功率管理系统工作站检查是否单台柴油发电机组与动力电池并网且电池能被充电;以及气密风闸（机舱区除外）是否被关闭到位等。

（3）二级指令自动操作流程

在确认一级指令操作流程被有效执行后，可进行二级指令操作流程。二级指令发出后，在网主柴油发电机组急停，本船进入纯电池供电模式;同时，高压呼吸空气瓶开始给上建4个舱室供应呼吸空气。

与一级指令一样，对二级指令执行结果进行复核，以确认被有效执行。本试验需维持2小时，并保证全船处于微正压，通过压差表可读取数值。

（4）恢复正常航行模式

通过安全防护系统界面接触一、二级指令，打开全船气密风闸，启动相关风机和发电机组，并按实际备航需要依次开启正常航行所需的相关设备。

5     结束语

本船的安全防护系统较为庞大，集成了很多分系统，有非常多的信号输入及控制的输出。在救援工况的设计中，需考虑各方面的影响，并通过实船检验对设计加以改进。本文旨在抛砖引玉，為类似船舶的安全防护系统设计与试验提供参考。