内河LNG双燃料动力船舶风险防控方案研究毕业论文
2020-04-13 11:04
摘 要
近年来，世界经济发展迅速，但与此同时能源消耗急剧增加、生态环境也日益恶化。液化天然气（LNG）作为一种可再生的清洁能源，其作为船舶燃料的使用正受到世界上越来越多的国家的关注。LNG燃料早已于上世纪六十年代就开始应用于LNG运输船，但直到二十一世纪初才在其它类型船舶上得到应用。而双燃料动力船舶在我国作为一项新兴研究，相比于国外起步较晚，LNG作为船用燃料的安全性研究还不充分。因此，针对双燃料动力船舶的泄漏风险分析及防控研究显得尤为必要。
本文针对内河柴油-LNG双燃料动力船舶红日166开展案例研究，对提出的风险要素分析方法和逼近理想解排序法的可靠性和实用性进行了验证，以此来为柴油-LNG双燃料动力船舶的风险防控提供参考，对提高我国内河双燃料动力船舶的可靠性和安全性具有重要意义。
关键词：液化天然气，双燃料动力船舶，风险分析，逼近理想解排序法
Abstract
In recent years, with the rapid development of the world economy, energy consumption has increased dramatically and the ecological environment has deteriorated. As a renewable clean energy source, liquefied natural gas (LNG) is being used as a fuel for ships by more and more countries in the world. LNG fuel began to be used in LNG carriers as early as 1964, but it was not until 2000 that it began to be used in other types of ships. However, dual-fuel powered ships are still at the initial stage as a new research in China, and the safety of LNG as a ship fuel is still insufficient. Therefore, it is especially necessary to analyze the risk of leakage and do research on prevention and control of dual-fuel powered ships.
In this paper, a case study is carried out for the Inland River Diesel-LNG dual-fuel powered ship Hongri 166, and the proposed risk factor analysis method and TOPSIS are verified to provide reference for risk prevention and control of diesel-LNG dual-fuel powered ships.It is of great significance to improve the reliability and safety of inland water dual-fuel powered ships.
Key Words：Liquefied natural gas, dual-fuel powered ship, risk analysis, TOPSIS
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 主要研究内容与研究方法 3
1.2.1 主要研究内容 3
1.2.2 研究方法 3
第2章 双燃料动力船舶发展及安全研究概况 5
2.1 柴油-LNG双燃料动力船舶发展概况 5
2.2 柴油-LNG双燃料动力船舶泄漏风险评估研究现状 6
2.3 本章小结 7
第3章 双燃料动力船舶泄漏风险要素分析 8
3.1 风险分析方法及步骤 8
3.2 研究范围及数据来源 8
3.3 案例研究 9
3.3.1 LNG泄漏风险因素识别 9
3.3.2 风险因素重要性分析 9
3.3.3 LNG泄漏风险防控策略 11
3.4 本章小结 12
第4章 基于TOPSIS法的双燃料动力船舶泄漏风险防控研究 13
4.1 多属性决策方法 13
4.2 逼近理想解排序法（TOPSIS） 13
4.3 案例研究 15
4.3.1 风险防控方案决策矩阵的建立 15
4.3.2 决策矩阵归一化和加权处理 15
4.3.3 确定理想方案和负理想方案 15
4.3.4 距离和相对贴近度的计算 16
4.3.5 风险防控方案效果评价 16
4.4 本章小结 17
第5章 结论与展望 18
参考文献 19
附 录 21
致 谢 22
第1章 绪论
本章将简要介绍本课题的研究背景和意义，对LNG作为船用燃料的开发和发展现状、LNG作为船用燃料的优劣、发展前景以及相关安全概况进行简单的叙述，最后将讨论本课题的目的、主要内容及研究方法。
1.1 研究背景和意义
目前，全球航运业形势低迷，运费的下降导致了公司利润的下降，而石油价格的上涨又增加了企业的成本，这给航运公司的经营带来了一定的困难。与此同时，随着全球工业化进程的发展，能源的需求不断增加[1]。伴随着传统能源的大量消耗，全球环境污染也日益加剧。全球工业每年有大量的温室气体以及大气污染气体排出，人类的生活环境受到严重影响。其中，航运业每年排放的硫氧化物（SOX）占全球SOX总排放量的20%，氮氧化物（NOX）排放量占全球NOX总排放量的30%，二氧化碳（CO2）排放量占全球CO2总排放量的6%[2]。因此，国际海事组织（IMO）针对航运业提出了更为严格的排放标准，这也给航运公司带来了重大挑战[3]。鉴于此，越来越多的国家和地区逐渐意识到了传统船用燃料的使用对于大气污染的严重性，并开始探索新型替代的船用清洁燃料[4]。
我国作为一个发展中国家，经济在飞速增长的同时能源问题也越来越突出。一方面能源消耗过度，而另一方面污染气体排放问题又不能得到有效的解决。石油资源日益匮乏，环境污染愈发严重已经成为我国一个不可忽略的重要国情。因此，在环境污染问题备受重视的大环境下，我国开始推行节能减排战略，开始用清洁能源代替石油产品[5]。我国的内河及近海水域资源较为丰富，水上运输业与旅游业已经成为相关地方产业发展的重要组成部分[6,7]。但由于我国船用发动机技术发展较为缓慢、管理不完善等原因，使得船舶动力装置的废气排放及燃油泄漏严重污染了相应的水域及大气环境。因此，想要成功克服困难，实现可持续发展，就必须寻求新的船舶清洁能源。2015年，交通部颁布《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，规定在上述地区船舶燃料含硫量不高5000ppm，未来含硫量标准有望提高至1000ppm。2016年，国家出台《“十三五”节能减排综合工作方案》，要求大力推广LNG动力船舶等环保交通工具的应用，“十三五”期间大幅降低全国SOX与NOX的排放总量[8]。
LNG作为一种在世界范围内储量丰富的清洁能源，在近些年引起了广泛的关注。按照目前的油价和LNG价格水平，使用LNG作船用燃料比使用柴油可节约大概40%的燃料费用。按热值计算，LNG价格只有柴油的60%左右，且因为天然气燃烧彻底，不易积碳，能减少50%的维护费用[9]。船舶使用LNG作为燃料，有利于水运行业大气污染问题的治理，符合国家环保政策。使用LNG不仅可以缓解高油价带来的压力，而且能够满足新的排放标准，实现了节能环保。其经济效益与社会效益十分明显。
然而，LNG作为一种危险化学品，储存和使用都具有潜在的危害性。柴油-LNG双燃料动力船在我国作为一个新的产业，其关键设备技术相对滞后，可能存有安全隐患。柴油-LNG双燃料动力船舶上安放了LNG储罐，其内主要成分为甲烷。LNG的低温特性会使管道的材料和有关金属部件产生脆性破裂和遇冷收缩，导致容易发生LNG的泄漏扩散，这不但会对LNG的管路和系统设备造成损坏，还会对人体造成低温灼伤[10]。除此之外，在柴油-LNG双燃料动力船舶的营运过程中，还存在着诸多致使LNG泄漏的风险因素，LNG一旦发生泄漏，当泄漏浓度达到5%-15%时，如果遇到点火源（碰撞产生的点火能量、本船或其它船舶上的点火能量），将可能导致喷火、闪火、池火灾、蒸汽云爆炸等事故，会造成周围设施设备的严重损害以及人员的伤亡[11]。
由于双燃料动力船舶的发展时间较短，目前尚未发生相关安全事故，但其安全隐患可以通过参考陆上LNG储罐泄漏事故、可燃气体管系泄漏事故、LNG运输船舶事故等来进行分析。
1998年3月5日，西安煤气公司液化石油气管理所一座储存有170吨液化石油气的球罐根部产生了泄漏，随即发生了两次液化气闪爆事故，事故造成12人死亡，32人受伤，直接经济损失达480万元。2011年2月8日，江苏徐州一LNG加气站发生火灾，从现场情况可知，失火前，在储罐底部区域发生了LNG泄漏，但是没有LNG泄漏报警。因为储罐底部区域内不存在明火及非防爆电气，所以点火源可能是外来的火种，外来火种点燃了贮罐底部泄漏的天然气，从而引发大火。1971年8月，位于意大利La Spezia，SNAM的一处LNG终端接收站，储罐在充装完毕之后发生了翻滚事故。在整个过程中储罐最高压力达到94.7kPa，最终通过一系列的安全有效的放散方式进行排放使得储罐内部压力恢复正常，整个过程历时两个小时。经调查，事故原因为充装的新LNG的密度比储罐内部原有剩余的LNG的密度大，因此形成了分层；充装的新LNG的温度比储罐内部原有剩余的LNG的温度高，带入较多热量，因此促进了层间混合；充装量过大；充装时间短等。事故最终导致排放损失了181.44吨的LNG。2004年1月19日，阿尔及利亚东部地中海港口城市斯基克达一家LNG提炼厂由于锅炉爆炸导致LNG泄漏气化而引发了蒸气云爆炸事故，该事故造成了27人死亡，72人受伤。
类似的泄漏事故不胜枚举，因此，必须高度重视对于双燃料动力船舶储罐、管系泄漏的风险评估以及预防工作，以期降低泄漏事故发生的概率，避免人员的伤亡和财产的损失，提高双燃料动力船舶的安全性和可靠性。
