货滚船辅助电池系统风险评估分析与应用

2020-10-23李国荣方向飞曹大友

江苏船舶 2020年4期

李国荣，方向飞，曹大友

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,江苏南京 210015)

0 引言

近年来，在绿色环保、节能减排大环境下，港口排放控制越加严格，因此越来越多的船东开始寻找新能源来代替传统的动力推进和电力供给，以期达到船舶在运营时占有主导优势。新能源中主要以风能、太阳能和电池应用较为广泛。电池系统以其能够大容量储能、及时能量供给和持续供能时间长等优势受到青睐，但是由于电池本身的特性以及对环境的苛刻要求，其安全性显得尤其重要。而电池系统风险评估可以预报所有潜在的风险源，并拟定采取适合的风控措施，从而将风险控制在最低或者可接受的程度上。

某新一代环境友好型货物滚装船装配5 MW的电池系统，用于全船电力输出调峰(PTO)、动力输入助推(PTI)、港口装卸货模式供电，做到了港口零排放，实现了节能减排和绿色环保的目的。目前国内安装如此大容量电池的船舶几乎没有，电池系统的安装和运行的安全性和稳定性就显得特别重要。本文介绍了电池系统的构成，利用假设分析法和FMECA分析法，列出了电池系统以及安装布置上所有潜在的风险源、采取的风控措施以及最终的风险等级，形成了完整的风险评估报告。

1 电池系统配置

电池系统主要由以下几个部分组成：

(1)电池：该系统总共有14组电池，每组电量为359.5 kWh，合计电量为5 033.0 kWh。

(2)电池管理系统(BMS)：监测和控制每个电池组状态，控制电池模块之间电压平衡，确保电池组原则上可以安全可靠运行，也可以理解为安保系统。

(3)能量管理系统(EMS)：管理电池的电能，PTI和PTO功能转换，充电和放电模式的管理。

(4)火警监测和消防系统：监测电池柜区域的火灾，及时给出预报警和熄灭火灾的装置。

(5)电池冷却系统：根据对电池内部温度的监测，通过水冷单元将电池工作的环境温度调节在设定的范围内，确保电池组额定放电容量。

(6)监测和报警系统：监测电池系统正常运行，对于异常状态和故障进行预报警，值班人员可以及时处理和修复故障。

2 图纸送审

某货物滚装船入意大利船级社(RINA)。根据规范Part C, Ch2, APP 2的要求，共计13份图纸或文件需要送审，其中：除了电池系统风险评估报告外，其他图纸或者文件还是比较常规或者常见的。风险评估报告是需要船级社、电池系统厂家、船东和船厂等所有风险承担者共同完成的一份报告，该报告一般需要在详细设计图纸认可之前提交船级社。

3 电池系统风险评估

3.1 目的

风险评估是根据现有的电池系统设计，评估系统在发生任何潜在故障事件时的风险等级，通过增加额外的风控措施或者改良现有的风控方案，把系统故障发生时的风险降低到可接受的等级，从而达到了确保电池系统安全可靠运行的目的。

3.2 流程

风险评估可根据RINA船级社的风险分析指导文件，由电池厂家、船级社、船东和船厂协作讨论完成，过程大体上可以分为3个阶段：

(1)基础信息：这个阶段主要是充分熟悉和了解电池系统的工作原理、控制逻辑、安保系统等所有信息。

(2)风险源识别：依据风险源分析方法，尽可能地列出所有潜在的风险源。

(3)风险等级评估：根据上述第二阶段列出的风险源，结合风险源发生的概率以及造成的危害性，对每个风险源进行风险等级评估。

3.3 评估方法

3.3.1 假设分析法

假设分析法(What-If Analysis)是一种通用并灵活的方法。在风险评估初始阶段能够快速列出潜在的风险源，但是此方法在很大程度上需要依赖于评估团队成员的经验。

当假设风险源被某一成员提出，相关成员应针对此风险源陈述目前设计中已有的风控措施，再结合此风险源发生的概率和影响程度，评估一个风险等级。假设分析法见表1。

3.3.2 故障模式分析法

故障模式、影响和严重性分析法(FMECA)是分析电池系统中每一个产品或子系统所有可能产生的故障模式及其对电池系统造成的所有可能影响，并对每个单一故障模式的影响程度及其发生概率确定其危害性。这是一个系统的、全面的和标准化的方法，在电气和轮机系统的风险评估报告里经常采用。FMECA分析法见表2。

表1 假设分析法

表2 FMECA分析法

3.3.3 其他分析法

危害和可操作性分析法(HAZOP Analysis)是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程中危害及操作性问题的结构化、系统化分析方法。根据存在的缺陷或危害提出改进意见和建议，以提高安全性和可操作性。装卸货系统的危险评估经常采用此分析法。

故障树分析法(FTA)是一种由上往下的演绎式失效分析法，利用布林逻辑组合低阶事件，分析系统中不希望出现的状态，了解系统失效的原因，找到最好的方式来降低风险。

事件树分析法(ETA)是以一初始事件为起点，按照事件的发展顺序分成阶段，逐步进行分析，每一事件可能的后续事件只能取完全对立的两种状态(成功或失败、正常或故障、安全或危险等)之一的原则，逐步向结果方向发展，直到系统故障为止。

3.4 风险矩阵图

某货物滚装船电池系统风险评估采用了假设分析法和FMECA分析法。对于电池系统自身的故障，主要依赖于FMECA分析法。而对于电池系统之外的故障，如蓄电池间失火、蓄电池临近区域失火、蓄电池间温度过高等主要依赖于假设分析法，其中：风险矩阵图是评估报告里重要图表之一，主要由事故影响程度等级、事故发生概率等级这两个参数组成。

根据上述两个参数，可以初步评估一个风险等级，见表3。风险可以分为3个等级，每个等级评判标准如下：

高级：不能容忍，风险不能被接受，必须采取措施将风险降低。

中级：可以容忍，当二拉平(ALARP)原则被采用时，风险是可以被接受的。基于ALARP原则可容忍的风险必须能够证明进一步降低风险所付出的代价和所得到的益处是极不相称或严重不成比例的，即风险需要被降低到不能再继续降低为止。

低级：大体上可以接受，此风险不需要基于ALARP原则去证明。

表3 风险矩阵图

3.5 风险改良

在风险评估会议中，需要对现有的高级风险和中级中可能被改善的风险提出风险改良措施和再次评估风险等级。

对于蓄电池房间失火这一风险源，根据已存在的风控措施，评估的风险等级为中。基于ALARP原则[1]，有专家提出可以增加CCTV监测系统，实时监测蓄电池房间的状态。此方法的采用要比火警探头监测能更早地发现火情，从而降低事件的发生概率，因此风险等级从中级降低到低级，见表4。

表4 风险改良

3.6 实船降低风险设计要点

(1)电池组房间设置在防撞舱壁之后，并配置专门的房间，将电池组故障对人员和船舶伤害降到最低。与电池系统无关的其他重要或应急设备不允许布置在此房间。

(2)电池间四周舱壁铺设A0或以上的绝缘，这样可以降低外部火源对电池组产生的影响。

(3)电池间尽量无水管穿过，如不可避免，那么需要采用套管连接，在送审的电池间布置图上标明。

(4)本船电池间的通风设计是一个关键点。该房间布置有2套独立的通风系统和房间独立空调系统。一套为电池间的通风系统(包含送风和抽风)，另一套为电池组的抽风系统(高/低速双速风机)。电池组的抽风机工作原理为：在电池正常工作模式下只需低速运行，而当电池处于故障状态下时，风机自动切换到高速模式下，当然也可手动切换高、低速运行。另外，为了保证风机的持续运行，风机的运行信号送到了船舶的监测报警系统中，当风机未运行时会在监测报警产生报警，以提醒船员需保证风机的持续运行。根据电池的特性，电池只有在热失控状态下才会产生部分有害性气体，因此只是把电池组的抽风管道区域作为危险区域来定义，所以电池组的抽风机配置为防爆的双速风机。关于房间的空调系统配置，在电池间设置独立的空调系统，主要是根据电池的工作环境温度要求来配置的，并不是用作电池系统的散热用。本项目中电池组为独立的水冷系统，电池充放电产生的热量主要通过水冷系统带走。