氢燃料电池动力船舶图纸审查过程中若干问题的探讨.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.002 氢燃料电池动力船舶图纸审查过程中 若干问题的探讨 张高升（中国船级社武汉审图中心，湖北 武汉 430022）摘要：随着氢燃料作为船舶动力的应用探索研究，主管机关及行业关于氢燃料动力船舶的规范标准日趋完善，因此考虑氢燃料动力船舶的安全性，在图纸审查过程中主要关注涉氢部分的船舶布置、通风布置、结构防火等因素，保证氢燃料动力船舶的安全性和合理性。关键词：氢燃料动力船舶；图纸审查；船舶布置 中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0007-02 Discussion on Problems in the Process of Reviewing Drawings of Hydrogen Fuel Cell Powered Ships ZHANG Gaosheng(Wuhan Plan Approval Center,China Classification Society,Wuhan Hubei 430022,China)Abstract:With the exploration and research of the application of hydrogen fuel as a ship power,the regulatory authorities and the industrys norms and standards on hydrogen fuel powered ships are becoming more and more perfect.Therefore,considering the safety of hydrogen fuel powered ships,in the process of drawing review,it is mainly necessary to pay attention to the ship arrangement,ventilation layout,structure of fire protection and other factors related to hydrogen parts,so as to solve the safety and rationality of hydrogen fuel powered ships.Key words:hydrogen fuel powered ship;drawing review;ship arrangement 0 引言 随着国际社会对气候变化和脱碳的认识加深和政策的进一步明确，船舶作为重要的水上运输工具，对其在绿色环保方面的要求越来越高。在 LNG、LPG、甲醇燃料、氨燃料、锂电池、氢燃料电池等低碳零碳化的船舶动力类型中，氢燃料电池具有清洁、高效、零碳零污染等优点。同时因为其燃烧热值高、能效转化率高，关键技术突破等因素也使得以氢燃料电池作动力成为我国碳达峰碳中和实施路径上的一个可行选择。收稿日期：2023-05-31 作者简介：张高升（1982-），男，湖北武汉人，硕士，高级工程师，从事船舶图纸审查工作.（）需要注意的是，氢气密度小，体积能量密度低，通常采用高压储罐存储，导致高压系统对船舶布置产生较大影响。另外氢气在空气中具有非常宽的燃烧带宽，其易燃易爆的特点对船舶布置、氢气管路、储氢系统的安全性和风险控制提出了较高的要求。基于燃料电池技术的发展和航运业对氢燃料电池作为船舶动力的应用需求，我国现有涉及氢燃料动力船舶的主要法规规范有中国海事局公布的氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则（以下简称“氢燃料法规”）、中国船级社发布的船舶应用燃料电池发电装置指南（以下简称“氢燃料指南”）。8 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 本文结合前述规则规范和船舶设计图纸审查实例，阐述了对规则规范中一些要求的理解，介绍了图纸审查过程中碰到的主要难点，为氢燃料动力船舶的推广应用提供参考。1 氢气瓶的布置 现有氢燃料动力船舶一般采用高压氢气瓶作为存储设备，通过减压措施直接供给氢燃料电池使用，然后通过船上电力系统供船上设备使用。结合船舶的特点，氢气瓶在船上的危险性主要考虑意外撞击可能产生的爆炸，意外泄漏可能造成氢气的聚集引起火灾或者爆炸，以及其他热源/着火源对涉氢系统造成的影响。氢燃料法规和氢燃料指南从布置和结构防火两个方面对其提出了具体的要求。高压氢气瓶可设置在开敞甲板，也可设置在氢气瓶间（即氢燃料罐处所）。从防碰撞、防搁浅角度考虑，氢气瓶需要设置在距船舷、船底、船舶艏尾一定范围以内。氢气瓶设置在开敞甲板上的布置方式，有利于氢气瓶及相关的管路、阀件意外泄漏时氢气的逸散，不至于在船上聚集产生危险。但需要注意对露天存放的氢气瓶进行防护，如设置围栏防止机械碰撞和人员意外将火源带至其附近、设置遮阳措施防止其受热等，此种方式通常将氢气瓶设置在船舶尾部露天甲板上或者顶甲板露天位置。氢气瓶也可设置在围壁处所，即氢燃料罐处所内，需要注意氢气瓶间不应存放除灭火设备之外的其他设备，同时氢气瓶间也不应位于其他船上失火风险较高的处所内，如燃料电池处所、重要机器处所、较大失火危险处所等，且亦不能与这些处所相邻。从防火角度来看，船上面向氢气瓶的起居处所、服务处所、控制站、脱险通道、机器处所的限界面要采用A-60 级防火分隔。当设置氢气瓶间时，也要考虑氢气瓶间具有一定的防护能力，采用钢质围壁，并且设有直接通向开敞甲板的出入口，方便扩散房间内的氢气，同时方便人员快速出入进行应急处置。这里需要注意的是，当氢气瓶间无法设置从开敞甲板直接进出的独立通道时，可通过设置空气闸的方式来满足氢气瓶间防护的要求。氢气瓶间与周围的较大失火危险处所、重要机器处所等还应有隔离和防火措施。由于是封闭处所，应在氢气瓶间设置机械抽风系统，将其中可能产生的氢气及时排出房间外，防止氢气聚集产生危险，并且其内应设有相应的气体探测设备、探火灭火设施。2 氢燃料电池装置的布置 氢燃料法规和氢燃料指南中虽然没有明确的条款表述氢燃料电池装置应设置在处所内，但从其中的技术要求条款和燃料电池装置的危险性来看，氢燃料电池不能露天设置，应设置在处所内。由于氢燃料电池装置由一系列的氢气供给、燃料电池堆、尾气处理等设备组成，因此氢燃料电池所处区域的安全防护需要格外注意。相关法规和指南中给出了燃料电池处所的安全原则和三种安全区域设置方式，现有船舶通常依据 IEC60079-10-1 标准中对于爆炸环境区域分级的衡量方法，采取一定的安全措施和设备，以符合法规和指南对氢燃料电池处所的规定。氢燃料电池区域需要考虑能够容纳可能出现的氢燃料泄漏，同时其形状应尽可能简单，以避免氢气的聚集。需要注意其上部不应有任何阻碍结构，应以平滑的天花板向上倾斜至通风口，因此氢燃料电池处所的甲板结构都设置在甲板反面的舱外。氢燃料电池处所与氢气瓶间一样，不能设置在起居处所、服务处所、重要机器处所、控制站之内，同时应与其他围壁处所的限界面保持气密，其周围所有处所应采用A-60级防火分隔，主要目的也是防止氢气泄漏至其他处所造成失火。3 加注站的布置 氢燃料加注站通常布置在船舶露天位置，尽量避免设置成围蔽或半围蔽处所。氢燃料法规要求对于氢燃料加注站与重要机器处所、起居处所、控制站、较大失火危险处所的限界面需采用 A-60 级防火分隔。当加注站设置成围蔽或半围蔽处所时，限界面可以理解为围壁所形成的限界面，但是当加注站布置在露天时，限界面的概念则难以界定。现有氢燃料动力船舶一般尺度较小，布置紧凑，从偏安全的角度考虑，将露天加注站所在露天范围内的围壁均理解为限界面，当有较大失火危险处所等舱室时，则应要求面向加注站的围壁隔热至 A-60。但当船舶尺度较大，露天加注站与周围较大失火危险处所等舱室相距较远，面向加注站的围壁是否仍需达到A-60 级防火分隔则并不明确。继续延伸一下，或者距离多远时可不考虑加注站与这些处所之间是否界定为限界面也不明确，因此该要求在执行层面还有待进一步明确和优化。对于设置成围蔽或半围蔽的加注站，则需要设置一定的抽风系统、检测探测系统来避免围蔽内氢气形成集聚。同时设置围蔽式加注站时，应设置直接通往开敞甲板的独立通道或者采用空气闸进行保护。4 通风的布置 氢燃料电池动力船的通风系统从两方面来考虑控制风险，一个是危险气体氢气与其他安全气体之间（下转第 13 页）第 4 期 胡焘等，氢燃料双体客船布置与结构设计 13 图 5 铝合金结构构件梁单元节点合成应力云图 Fig.5 Composite stress nephogram of beam element joints of aluminum alloy structural members 表 3 甲板室各结构构件的最大应力值（N/mm2）Tab.3 The maximum stress value of each structural member of the deckhouse(N/mm2)构件名称 应力种类 钢结构 许用应力 铝合金 结构 许用应力 板单元等效应力 10.5 176.25 50.6 92 板单元剪切应力 6.02 96.35 28.2 50.6 梁单元正应力 26.2 171.55 67.9 88.55 综上，本船甲板室玻璃幕墙骨架竖杆的间距为4m 时，本船甲板室结构的应力值均在规范要求范围内，局部强度满足规范要求。5 结论 三峡库区氢燃料电池公务船“三峡氢舟 1”是国内首艘入级中国船级社（CCS）的 500kW 级氢燃料电池动力船艇，该船型的研发是国内氢能源船艇领域的一次重要突破，将进一步推动氢能源技术在内河船舶的探索与应用，助力我国氢能源船舶产业发展，船体作为船舶的重要组成部分，船舶总体布置的合理性直接决定氢燃料船舶相关功能是否能实现，船舶结构的优化对氢燃料船舶的安全性能、推进性能及续航能力产生直接影响，本文中提到的总体合理布局、材质选择及船舶结构优化，对氢燃料电池动力船舶的设计和建造具有参考意义。参考文献：1 侯文武.船体结构设计及建造中的细节处理J.船舶物资与市场,2023,31(4):39-41.2 肖大银.船体结构设计的理念及其对船舶建造的影响J.船舶标准化工程师,2022,6:79-83.3 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册M.北京:北京国防工业出版社,2013.4 毛宗强等.氢安全M.北京:化学工业出版社 2020.（上接第 8 页）应切断隔开，并且要考虑危险气体通风口作为危险源的危险区域划分。另一个是氢气密度小，要考虑在可能存在氢气的处所顶部将氢气排出。受限于船舶舱室、管路、通风口的布置，要尽可能将涉氢的通风管路布置简洁清晰，处所内的排风口应尽可能设置为顶部抽风，避免氢气聚集。同时气体危险处所的空气出口应设置在露天区域，并注意该出口危险区域划分对于周围电气设备的影响。通风设备和通风管道也需要一并考虑防爆、除静电等措施。5 结论 受限于氢气能源产业的整体布局，氢燃料电池的特性、建造及营运成本，整体设备和系统的成熟度，社会可接受度等诸多因素，氢燃料动力船舶目前还处于研究和应用试验的初步阶段。但随着航运业对绿色能源、零碳能源需求的日益迫切，氢燃料电池技术的进一步研究发展，氢燃料动力的安全性和便利性进一步得到实船验证，行业技术标准的进一步完善等，氢燃料电池动力船舶也将得到进一步推广和发展。参考文献：1 中华人民共和国海事局.氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规定(2022)S.2 中国船级社.船舶应用燃料电池发电装置指南(2022)S.