应用清洁燃料是降低船舶温室气体排放最重要的措施，近年来受到业界的广泛关注。就目前而言，普遍认为具有应用前景的船舶清洁燃料包括LNG、甲醇、生物柴油、氢和氨燃料，其中，LNG是现阶段和短期内应用最广泛、技术最成熟的清洁燃料。

LNG燃料船动力系统

1.LNG燃料应用现状

2000年，世界第1艘使用LNG作为燃料的非LNG运输船“GLUTRA”(汽车/客运渡轮)在挪威运营。2010年以前，LNG燃料动力船舶技术发展缓慢，主要应用在渡轮和工程船上；2011年之后，随着环保要求不断提高，LNG燃料动力船舶发展明显加速，而且开始出现大型化趋势。2019年12月，国内首艘LNG燃料动力客船“东江湖金龙舫”在湖南省郴州市东江湖正式启航，开启了我国LNG清洁能源在客船上应用的序幕，填补了我国LNG燃料动力在客船上应用的空白。2020年3月，俄罗斯天然气工业股份公司宣布建造俄罗斯首艘LNG燃料动力客船“Chaika LNG”。据统计，2021年全球总共订购了240 艘LNG动力船。截至2022年1月底，全球已订购和运营中的LNG动力船总数达到近700艘；至2030年，全球LNG动力船预计将超过4000艘。

2.LNG燃料动力系统

LNG燃料系统一般由燃料加注、燃料储存、燃料供应、燃料利用四个主要环节以及相关的控制与安全系统所组成(如图1所示)。

图1 典型LNG燃料动力船舶燃料系统

加注站是LNG燃料加注操作所在的区域，一般布置在开敞甲板上，通常设有加注接头、回气接头及相关阀件，对于海船，还应设置船岸通讯线路或等效设施，用于与外部加注方进行通信；燃料舱用于在船上储存LNG燃料，需要良好的耐低温和绝热性能，可采用A、B、C型独立燃料舱或薄膜舱；燃料供应系统负责将LNG制备成发动机所要求的温度、压力状态下的气体燃料输送至发动机，通常设有气化装置、加热装置、调压装置及控制系统等。燃料利用是通过发动机或其他用气装置(如锅炉)使用LNG燃料为船舶提供推进动力，目前，LNG发动机已成LNG运输船和LNG动力船的最主流用气装置；控制与安全系统则是确保LNG燃料系统安全、可靠运行的重要保障，包括燃料液位、温度、压力监测以及可燃气体探测、报警、紧急切断(ESD)等诸多功能。

LNG燃料动力船舶布置要求

LNG燃料船上应用对于布置提出了更多、更高的要求，包括燃料舱布置、机舱布置、管系布置、危险区域或处所出入口布置等要求，其中机舱布置和燃料舱布置是最具代表性的要求。

1.机舱布置

LNG动力船舶允许采用两种机舱型式，即气体安全型机舱和紧急切断(ESD)防护型机舱。

气体安全型机舱系指在任何情况下(无论是正常状态下还是发生气体泄漏情况下)均处于安全状态的机舱型式。气体安全型机舱最主要的特征是设置双壁管，确保当供气管路发生泄漏时，气体会被外管所围蔽，不至于泄漏到机舱中，因此，机舱始终处于气体安全状态，机舱的电气设备也无需采用合格防爆型。

ESD防护型机舱系指船上设置两个或多个机舱，机舱内允许采用单壁管，但是当一个机舱内发生气体泄漏时，应立即切断该机舱的气体供应，其他机舱内的发动机仍能提供维持船舶推进所需的功率。但是，如果多个机舱之间有共用舱壁时，该舱壁应具备足够的强度以承受可能发生的爆炸，而不会影响临近处所。

2.燃料舱布置

燃料舱布置位置主要考虑防止外部碰撞对燃料舱带来的损害。确定LNG燃料舱位置的方法有确定法和概率法两种，一般选择其中一种方法即可。

确定法就是根据技术法规中明确规定的燃料舱距舷侧和船底的距离，来进行布置设计。例如，燃料舱距离船壳外板不少于B/5(B为船宽，m)或11.5m，取小者；燃料舱距离船底不少于B/15或2m，取小者等。这种方法操作和执行相对简单，但设计灵活度低。

概率法则是通过计算燃料舱在船上不同布置位置的碰撞概率，进而判断其是否满足给定的衡准，因此为设计者提供了更为灵活的选择。

风险评估方法与控制措施

风险通常可定义为事故发生的频率和其后果严重性的乘积。风险评估的目的是确定风险的分布、识别和评估影响风险水平的因素，分析和评估风险水平，以便采取合理措施使风险控制在可接受的范围内。从流程上来说，一般包括危险识别、评价单元划分、风险衡准、风险控制措施等方面。

1.危险识别

危险因素识别方法，包括专家识别法、HAZID(危险源辨识)法、现场调查分析与故障假设法、故障树分析法、事件树分析法以及HAZOP(危险与可操作性分析)法等。这些方法都需要参与分析的人员充分“头脑风暴”，反复讨论研究。针对具体评价对象的特点，可以将不同的识别方法有机组合，取长补短，确定相应的危险识别流程。

2.评价单元划分

评价单元划分是在危险因素识别和分析的基础上，根据评价对象的布置方案和特点，以及评价方法的需要，将对象划分为有限个数、确定范围的评价单元。评价对象一般是由功能不同、结构不同且相互独立的若干子系统或装置组成。各部分的子系统或装置的组成部分、危险因素也不尽相同。因此，将评价对象划分为若干单元不仅可以减小系统危险因素识别的工作量，也可以更加全面地识别出评价对象潜在的危险因素。

3.风险衡准与评估

风险水平需要具体的衡准来度量。风险度量有风险矩阵和F-N曲线两种评估方法。风险矩阵能综合表示事故发生的频率和后果严重性(如图2)；F-N曲线能量化的反映某类事故的风险水平。其中“不能容忍”是指风险水平不可接受，需要采取进一步预防措施；“可以忽略”是指风险很小，不需要采取额外措施；“ALARP”是指风险介于上述两种情况之间。

图2 风险矩阵

4.风险控制措施

根据风险评估的结果，对中高风险点应考虑采取相应的控制措施，包括：

(1)消除危险源，从源头上杜绝危险的发生；

(2)降低危险的发生概率；

(3)减小危险的危害程度。

通过以上控制措施，将所有的中高风险点的风险水平控制在可接受的范围之内，避免不可接受事故的发生。

客船应用LNG燃料的风险评估

1.评估范围界定

本文开展的客船应用LNG燃料的风险分析，主要考虑LNG燃料给客船带来的特殊风险，主要包括气体泄漏、火灾、低温损伤，以及LNG蒸汽扩散导致人员的窒息风险。

2.LNG动力客船评价单元划分

从功能上，LNG动力客船可以划分为LNG动力系统所在处所和乘客处所两大部分。其中LNG动力系统一般包括燃料加注、储存、供应和利用等功能，分别设有相应的功能处所。因此，本文将LNG动力客船风险评价划分为四个单元：加注处所、燃料舱处所、机器处所、乘客处所。

3.危险识别

基于上述评价单元，采用前文所述方法对LNG动力客船的不同评价单元的的危险因素识别如下：

 (1)加注站

加注站存在大量LNG管路、接头、阀件和仪表，泄漏风险较高，因此主要的危险因素包括：

● LNG加注管路泄漏可能造成的船体结构冷脆；

● LNG挥发形成的可燃气体带来的燃爆和火灾风险；

● LNG蒸气造成邻近处所人员的窒息风险。

 (2)燃料舱处所

燃料舱处所存储有大量LNG，一旦发生事故可能造成严重后果，是风险防控的重点区域。燃料舱处所主要的危险因素包括：

● LNG燃料罐及管路泄漏可能造成的船体结构冷脆；

● LNG挥发形成的可燃气体带来的燃爆和火灾风险。

 (3)机器处所

机器处所含有众多机器设备，本身存在较大失火风险，加上存在LNG泄漏风险，因此火灾危害性较大。机器处所的主要危险因素包括：

● 供气系统及发动机管路损坏或密封失效产生的可燃气体泄露而带来燃爆及火灾风险；

● 燃气泄露导致燃气供应中断，影响发动机正常工作带来的船舶营运风险。

 (4)乘客处所

客船相对于其他类型船舶的主要特点在于船上乘客众多，人为因素难以预测和防控，一旦发生事故容易造成重大人员伤亡。因此，乘客处所也需要重点考虑，其主要危险因素在于：

● 乘客处所发生火灾蔓延至临近LNG燃料系统区域，引发次生事故；

● 可燃气体泄漏至乘客处所造成人员窒息；

● 可燃气体泄漏至乘客处所遇明火发生燃爆。

4.风险评估结果分析

采用风险矩阵方法对上述四个单元的危险因素进行评价，识别出了不能接受的高风险区和合理可行的低风险区(ALARP)所对应的危险源，分析结果如下：

不可接受的高风险区包括：

● 船舶发生碰撞导致燃料舱损坏，造成大量LNG泄漏，引发燃爆和火灾；

● 燃料舱处所发生火灾，形成池火或喷射火，造成人员伤亡；

● 乘客误入燃料舱处所和加注站，与低温设备、液体或蒸气接触发生冻伤事故，或引入静电或明火导致可燃气体发生燃爆；

● 乘客处所失火且蔓延至燃料舱处所，导致燃料舱受热压力剧增甚至结构破坏。

可接受的风险区(ALARP)包括：

● 加注管路破损、阀门或密封失效导致的LNG泄漏及可燃气体扩散；

● 燃料舱处所由于管路接头破损、辅助设备失效、接头密封失效、监测系统及仪表设备故障导致LNG泄漏及可燃气体扩散；

● 机器处所由于管路损坏、通风失效、密封失效等导致的气体泄漏；

● 乘客误入气体危险区域带来的不安全因素；

● 可燃气体扩散到乘客处所，导致的窒息或火灾事故；

● 脱险通道及撤离集合地受燃料舱处所池火或喷射火影响导致无法及时撤离。

5.风险控制措施

基于上述风险评估结果，除常规LNG动力船舶的基本安全要求外，建议采取如下措施进一步降低风险水平：

 (1)结构防火

燃料舱与特种处所、滚装处所和车辆处所的限界面采取合适的防火分隔；

加注接头与其面向的起居处所、服务处所等设置合理的间距，或采取合适的防火分隔。

 (2)船舶布置

● 燃料舱布置位置与艏部、艉部、舷侧均应保持适当的安全距离；

● 供气管路避免从特种处所通过，或采取有效防护措施；

● 救生艇筏、海上撤离系统的登乘站、集合地点以及脱险通道与燃料舱保持适当的安全距离，或设置物理隔离。

 (3)乘客防护

● 加注作业和设备检修维护时乘客应撤离船舶；

● 加注站应设置警示标志或物理隔离，避免乘客在船舶营运期间误入；

● 燃料舱处所和其他气体危险处所应设置警示标志，避免乘客误入等。

（作者：周成）