1.1 1.1 选题背景、目的及意义

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]。传统能源的大量消耗进一步加剧了全球环境污染问题。全球工业每年排放大量的大气污染气体与温室气体，严重影响了人类的生活环境。其中，航运业每年排放的硫氧化物占全球硫氧化物总排放量的20%，二氧化碳排放量占全球二氧化碳总排放量的6%，氮氧化物占全球氮氧化物总排放量的30%^[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都意识到了船用燃料已经成为大气污染一个重要的原因，并开始探索船舶清洁燃料的道路^[4]。

我国作为一个发展中国家，经济在快速增长，而能源问题越来越突出。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。石油资源逐渐减少，污染越来越严重已经成为了一个不可忽略的重要国情^[5]。在环境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。我国是一个内河及近海水域资源较为丰富的国家，水上船舶运输与旅游业已成为相关地方不可或缺的重要组成部分^[6,7]。但由于我国船用发动机技术发展缓慢、管理不完善等原因，使船用动力装置的燃油泄漏与废气排放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》，要求大力推广液化天然气（LNG）动力船舶等环保交通工具的应用，“十三五”期间大幅降低全国硫氧化物与氮氧化物的排放总量^[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清洁能源比使用柴油节约20%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。与燃油船舶不同，LNG动力船舶的发动机类型多样，市面上有纯LNG气体发动机、柴油-LNG双燃料混合燃烧发动机、柴油-LNG双燃料发动机和LNG—电力发动机（通过LNG发电，由电力驱动船舶航行）^[10]。目前国际上的主流发动机为柴油-LNG双燃料发动机，即通过1%的柴油引燃，带动天然气燃烧制动，最终实现LNG替代99%的柴油燃料。国内发动机技术相对落后，普遍采用柴油-LNG双燃料混合燃烧动力，发动机稳定运行时，LNG与柴油的混合比例（质量比）为7:3，即LNG仅能替代70%的柴油燃料，船舶减排效果受到一定影响^[11]。据中国船级社研究，以目前国内主流LNG动力船发动机为例，在LNG与柴油按7:3的比例混合的工作状态下，双燃料发动机与柴油发动机相比，SO_x和PM排放量降低60%-70%，NO_x排放量降低35%-40%，CO₂排放量降低20%-28%。使用纯气体机，则几乎没有SO_x的排放。未来，如果将国内50%的船舶替代为LNG动力船，预计船舶二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和颗粒物（PM）排放总量将分别减少12%、40%、18%和40%^[12]。

LNG不仅缓解了高油价的压力，而且达到了新的排放标准，实现了节能环保。其经济效益与社会效益十分明显。因此，越来越多的航运企业开始了对LNG动力船舶的研究和建造。5000TEU集装箱船“Maersk Drury”号是全球第一艘油改气的LNG动力船舶，由挪威船级社（DNV）、TGE船用燃料公司、马士基航运公司、透平公司以及曼恩柴油机公司合作研发并顺利完工，交由DNV运营。安徽首艘柴油-LNG双燃料动力试点船舶“红日166”散货船已改造完成并获得了试航的成功，运营两年的结果显示，“红日166”在硫氧化合物排放降低70%以上，氮氧化合物减排35%-40%，1吨LNG比1吨柴油可减少碳的排放多达0.88吨，船舶的机油消耗以及相关噪声也显著降低，换算综合节约燃料成本20%以上，取得良好的经济效益和环境效益^[13]。

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^[14]。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，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^[15]。

综上，以柴油-LNG双燃料为动力的船舶大大减少了对环境的污染，符合国家提倡绿色环保节能的要求并且具有明显的成本优势。然而LNG作为船用新能源、柴油-LNG双燃料动力船舶作为一项新技术，在运行过程中可能存在燃气泄漏、火灾爆炸等方面的风险，我国对于柴油-LNG双燃料动力船舶的研究处于起步阶段，对于LNG作为新的船舶燃料的安全性研究处于相对空白阶段。因此，针对柴油-LNG双燃料动力船舶储罐泄漏及其导致的火灾、爆炸等事故进行风险分析的研究显得尤为重要。

1.2 国内外研究现状

许多欧洲国家在柴油-LNG双燃料动力船舶方面的应用研究一直走在世界前列，部分发达国家对柴油-LNG双燃料动力船舶的交通事故及安全管理已进行了多年的研究。据DNV专家米歇尔的介绍，DNV早在2001年就对LNG动力船舶进行了事故风险以及事故后果的研究，并且制定了相关规范^[16]。除此之外，在日本，川崎重工对LNG动力船舶蒸汽轮机的推进系统以及供气系统进行了完善，并对LNG储罐的设计以及船舶LNG泄漏发生的事故后果进行了模拟研究^[17]。相比较而言，我国对于柴油-LNG双燃料动力船舶的研究起步较晚，当前柴油-LNG双燃料动力船舶在我国主要是以改造为主。为了进一步推广柴油-LNG双燃料动力船舶，对其安全性的研究也成为我国相关机构和学者的重点研究方向。在2012年下半年，我国开始着手柴油-LNG双燃料动力船舶安全性及其保障措施的研究，并着手于船舶标准以及安全操作以及管理的研究。2013年，中国船级社CCS 发布国内首部以天然气燃料作动力的船舶技术规范—《天然气燃料动力船规范》。该规范已于 2013年 9 月1日生效，并替代CCS《气体燃料动力船检验指南》（2011）。该规范是依据LNG动力船关键技术研究、船用液化天然气储罐结构关键技术研究等课题的研究成果和大量实践调研成果，按照目标型船舶标准（GBS）和风险评估理念而制定的。该规范的出台，旨在满足国内 压缩天然气（CNG）/LNG动力船的建造及改装领域的发展要求^[18,19]。在此规范的基础之上，对柴油-LNG双燃料动力船舶风险做进一步研究，为进一步保证系统的安全可靠性提供参考。

国外研究方面，美国于20世纪70年代开始致力于热辐射保护和燃气扩散防护的研究（其中就包括针对 LNG气罐的研究），以期为制定和完善相关的标准和法规提供建议。通过研究，建立了多个关于LNG泄漏后果的预测模型，其中得到认证并大规模得到应用的预测模型包括：MTB、DEGADIS、FEM3A等^[20]。同时，许多学者也开展了相关的研究工作。JianhuaLi和Zhenghua Huang通过分析液化天然气火灾的危险性，对LNG 船舶发生蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸的风险进行了分析，分析结果对航运企业在科学管理以及安全措施运用方面具有借鉴意义^[21]。Lehr和Simecek-Beatty对比了原油泄漏着火和LNG泄漏着火的不同，从蔓延速度、最大池火灾区域、燃烧速度、燃烧时间和有效热通量等方面做了定量分析。研究根据500m³的气罐泄漏实验得出：LNG蒸发更快，LNG池火灾形成区域更小，燃烧更快，比同体积的原油产生更多的热量^[22]。Fay.J.A提供了LNG泄漏的蔓延分析、池火灾持续时间、热量释放规律，并考虑了水上泄漏区域的蒸发量损失。最后，假设一个14300m³的LNG船泄漏入海的后果，得出若发生池火灾，感觉区范围半径为1.9km，蒸发时间为3.3分钟^[23]。