内河纯电动旅游客船安全风险评估

杨 进，赵 佳，姜 磊，徐晓健

应用研究

内河纯电动旅游客船安全风险评估

杨 进1，赵 佳1，姜 磊2，徐晓健2*

（1. 中国长江电力股份有限公司检修厂，湖北宜昌 443002；2. 交通运输部水运科学研究院，北京 100088）

为了提升船舶的整体安全性，保证纯电动旅游客船在长江流域的安全可靠航行，本文基于FMEA分析对纯电动旅游客船的关键系统直流组网系统和电池动力系统可能存在的高风险进行了识别，并提出了相应的建议措施，采用HAZID分析，对纯电动旅游客船过升船机过程中存在的中风险进行了分析，同时提出了降低或消除风险的建议措施。同时，分别面向船舶、纯电动旅游客船的航运企业、通航管理部门等提出了相应的安全监管措施进一步为纯电动旅游客船的运行保驾护航。

纯电动旅游客船 安全风险 直流组网 电池动力系统 升船机

0 引言

为积极应对全球气候变暖，实现航运业温室气体的减排，国际海事组织（IMO）提出到2050年全球航运业温室气体排放总量比2008年减少至少50%[1]。在此背景下，积极发展绿色船舶，促进清洁能源在船舶的应用具有重要意义。

纯电池动力船舶以蓄电池作为船舶动力，具备能耗低、排放少、安静低噪的特点。目前，纯电池动力船舶已在豪华邮轮、客船等得到了成功应用，如：挪威2014年建造，2015年投入运营的全球第一艘大型纯电动船“Ampere”号，我国首艘大型纯电动客船“君旅号”等[2, 3]，如图1所示。

与远洋航运航程远、行驶环境复杂多变的特点相比，内河运输范围小、航线里程短，更适合纯电池动力船舶的发展。全球载电量最大的7.5 MW大容量纯电动旅游客船“长江三峡1”已于2022年3月29日在湖北宜昌完成首航，如图2所示[4]。该船的成功首航将有效填补了电动游轮领域内多项技术研究应用的空白，极大促进我国内河纯电动旅游客船的发展。

图1 国内外已投入运营的典型纯电池动力船舶

“长江三峡1”纯电动旅游客船配备了直流组网系统和大容量船舶动力电池，可适应船舶在葛洲坝船闸、三峡船闸、三峡库区、长江航道等区域的安全航行。为保证船舶的整体安全性，应对纯电动旅游客船进行安全风险评估，识别船舶关键系统以及船舶营运过程中的潜在风险因素，并提出相应风险控制措施。

图2 “长江三峡1”纯电动游轮

1 船舶基本信息及航线

“长江三峡1”纯电动旅游客船为单体、三机三桨的电力推进船舶，主要系统包括：电池动力系统、直流组网系统、电力推进系统以及消防通风系统等。其中：电池动力系统共设15组499.6 kWh磷酸铁锂电池单元，分布于四个电池舱，为“长江三峡1”纯电动旅游客船推进及日常负荷提供电力电源。船舶采用直流组网方式，将船舶上的岸电电源、锂电池组与用电负载通过变频器组网连接，通过直流母线对整个电气功率进行分配。三台全回转舵桨装置和三台推进电机安装在尾部的舵桨舱内。

“长江三峡1”纯电动旅游客船运行于“两坝一峡”间，两坝一峡为从三峡大坝至葛洲坝中间长达37公里的长江航道上的天然大峡谷。该河段属于长江干流上游河段，上起鹰子嘴，下至葛洲坝枢纽三江航道上游王家沟。两坝间航道由于受三峡电站调峰和葛洲坝电站反调节的影响呈现J级航道的特点，航道长31000 m，宽400 m，深30 m以上，允许6000 t级船队通航。

“长江三峡1”航行区间通过三峡升船机，三峡升船机是三峡工程的通航设施之一，主要作用是为客货轮和特种船舶提供快速过坝通道。三峡升船机工程布置在枢纽左岸，位于双线五级船闸右侧，由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道等部分组成，从上游口门至下游口门升船机工程全线总长约7300 m。

2 纯电动旅游客船安全能力评估方法

在对纯电动旅游客船进行安全风险评估时，主要采用失效模式与影响分析（FMEA）对“长江三峡1”的直流组网系统和电池动力系统进行安全能力评估，采用危险源辨识（HAZID）方法对“长江三峡1”过升船机过程中存在的安全风险进行识别。

2.1 基于FMEA的直流组网系统和电池动力系统安全能力评估

FMEA是一个对相关故障模式识别并对环境、人员、设备等影响定性分析的综合方法。在FMEA中，通过将系统有层次的划分为子系统，对层次结构中的每个分组进行FMEA，其分析流程如图4所示。

根据图4所示，纯电动旅游客船的直流组网系统和电池动力系统的FMEA具体流程[5]：

1）确定纯电动旅游客船的分析边界，包括：船舶直流组网系统和电池动力系统。

2）识别每一系统/部件的故障模式，其中，船舶直流组网系统的故障模式主要包括：冷却系统故障、功率模块直流侧故障、直流母线故障、直流组网控制系统故障等；电池动力系统的故障模式主要包括：主动力锂电池系统故障、动力系统辅助系统故障（如：空调系统、通风系统等）等。

3）对每一系统及部件的重要故障模式进行分析，分析内容包括失效模式、失效原因、失效影响，综合考虑故障模式的发生概率和严重程度确定各故障的风险等级，并提出有助于改善失效模式的安全措施。其中故障模式的发生概率和严重程度划分可参考标准GB/T 7826-2012。

4）对上述分析内容进行记录。

5）对下一系统或部件进行分析。

图3 FMEA分析流程

2.2 基于HAZID的船舶过升船机安全风险识别

HAZID分析包括：识别潜在危险源，分析起因和导致的后果，提出建议消除、规避、控制或降低风险。

HAZID分析主要由工作组采用“故障假设法（what-if）”来识别危险，通过假设船舶初步设计中的问题，来分析其与预期正常运营的偏差。将每一个假设问题的潜在后果记录于HAZID表格中，并识别已有的或准备设计的安全措施。然后评价风险等级，并给出推荐做法。基于HAZID的船舶过升船机安全风险识别流程主要包括[6,7]：

1）划分节点。将纯电动旅游客船过升船机的过程分为锚地等待、航行至升船机期间、船舶过升船机期间等节点。本文重点关注船舶过升船机期间的潜在安全风险。

2）确定主要引导词或危险源。纯电动旅游客船过升船机过程中的主要引导词为碰撞、火灾、沉船、触碰、失电、船舶失控、操作不当等。

3）分析起因、后果及安全措施。对引导词下的失效事件进行分析，确定该失效事件发生的起因、导致的后果以及既有的安全措施。

4）确定失效事件的风险等级。综合考虑失效事件发生的可能性和后果的严重程度，选用合适的风险矩阵，确定失效事件的风险等级，包括高、中、低风险。船舶过升船机的风险分析中，将事故发生可能性分为四个等级，如表1所列，将事故后果严重性划分为5个等级，如表2所列，采用4×5阶风险矩阵，如表3所列。

5）根据分析结果，进一步提出建议措施。

表1 事故发生可能性分类

表2 事故后果严重性分类

表3 4×5阶风险矩阵

3 纯电动旅游客船安全能力评估

通过FMEA分析和HAZID分析，能够对纯电动旅游客船关键系统和过升船机过程中的高、中、低风险项进行识别。根据ALARP原则，对高风险必须采取控制措施，对于中风险基于合理可行原则采取控制措施，对于低风险可不采取措施。因此，本文重点对和纯电动旅游客船直流组网系统、电池动力系统中存在的高风险进行分析。考虑到船舶过升船机过程中未识别到高风险项，所以对船舶过升船机过程中可能存在的中风险进行了详细分析。

3.1 直流组网系统安全能力评估

通过FMEA分析，直流组网系统可能发生的高风险项主要集中在有可能引起全船失电或失去全部动力的故障，主要为冷却系统集中故障、功率模块直流侧故障和直流母线故障。

1）冷却系统集中故障

电池舱结构失效的主要原因包括：电池托架的底部强度不足；底部破损进水；舷侧破损进水；舱壁被爆炸能量损坏；电池托架固定不牢，舱壁受电池托架冲击等。电池舱结构失效可能会导致船舶触礁或搁浅、船舶碰撞、电池舱内可燃气体爆炸以及舱壁变形破损。

为了避免冷却系统集中故障的发生，建议：检查水冷柜中是否有一段公共回路或汇流排对所有循环水柜供电，如有，水冷柜交流汇流排加装手动能分段的装置，至少保证故障时一定数量的水冷柜能够继续获得电力；建议：水冷柜对交流汇流排增加附加措施，如防生物接近的绝缘包裹，避免交流汇流排出现故障。

2）功率模块直流侧故障

功率模块直流侧故障主要包括：斩波柜输出直流侧故障和逆变柜直流侧故障。导致功率模块直流侧故障的原因主要包括：1. 支撑电容至熔断器之间线路短路；2. 短路导致系统欠压故障；3. 短路导致电压振荡发生过压故障；4. 短路电流经过IGBT反并联二极管，造成二极管损坏。功率模块直流侧故障最严重的情况下可能造成大范围停电或全船失电并失去动力。

为了避免功率模块直流侧故障的发生，建议：1. 模块自身电容应能够耐受此短路电流而不发生故障或熔断器距离支撑电容足够近；2. 功率模块直流侧短路时，不会使得非故障支路发生欠压或电压欠压故障不影响船舶发电和推进动力；3. 当某一功率模块直流侧短路时，其他模块直流侧电压振荡过程中不会出发过压保护；4. 功率模块直流侧短路时，电容不会下降到IGBT体二极管钳位电压以下。

3）直流母线故障

直流母线故障主要是由短路导致系统欠压故障、短路导致电压振荡发生过压故障或短路导致故障母排全部熔断器熔断引起的。

为避免直流母线故障的发生，建议采取的措施包括：1. 确保一侧母排短路时，不会使得非故障侧母排发生欠压或电压欠压故障不影响船舶发电和推进动力；2. 确保一侧母排短路时，非故障侧母排电压振荡过程中不会触发过压保护；3. 通过指导手册等文件，告知维护人员更换故障母线各设备熔断器的方法。

3.2 电池动力系统安全能力评估

通过FMEA分析，电池动力系统可能发生的高风险项主要包括：电池舱结构失效，电池舱的舱壁和甲板强度不足、密封性不足或选材不当，电池释放易燃可燃物质、冷却水管路供水不足等。

1）电池舱结构失效

电池舱结构失效的主要原因包括：电池托架的底部强度不足；底部破损进水；舷侧破损进水；舱壁被爆炸能量损坏；电池托架固定不牢，舱壁受电池托架冲击等。电池舱结构失效可能会导致船舶触礁或搁浅、船舶碰撞、电池舱内可燃气体爆炸以及舱壁变形破损。

为了避免电池舱结构失效，应对电池及托架对底部结构强度的影响进行校核，分析电池域发生电池倒塌后对舱壁和相邻电池舱的影响，并对电池舱爆炸能量对舱壁的影响进行分析。

2）电池舱的舱壁和甲板强度不足、密封性不足或选材不当

电池舱的舱壁和甲板强度不足、密封性不足或选材不当会导致舱壁和甲板在火灾中变形或失去承载能力，火灾中的烟气会蔓延至其他相邻舱室。针对此风险项，建议分析电池舱爆炸对舱壁的影响，从而判断该爆炸能量对相邻电池舱供电的影响。

3）电池释放易燃可燃物质

电池释放易燃可燃物质主要是由于H2、CO、烷烃类、烟雾颗粒、气体有机物遇到点火源等所导致的。可燃易燃物质的释放能够引起火灾或爆炸，为此船上通常会设置有可燃气体探测报警系统、机械排风系统、固定式七氟丙烷灭火系统、固定式压力水雾灭火系统等。建议可燃气体探测器数量和安装位置应与可燃气体散发位置、可燃气体密度相适应，以能尽早探测到电池舱内的可燃气体。

4）冷却水管路供水不足

冷却水管路供水不足主要是由于管路锈蚀、管路碰撞破损、杂质堵塞管路、管路强度和密性不足导致的。若冷却水管路发生破损或堵塞，会导致推进电机、变频器柜均无法正常工作，对推进和转向造成严重影响，损坏推进电机和变频器，进而使得舵桨系统无法工作。为防止出现该风险，建议管路应选用耐腐蚀管路或采取防腐蚀处理，并将管路安装在船舶破损范围外。

3.3 纯电动旅游客船过升船机安全风险分析

通过HAZID分析可知，纯电动旅游客船在过升船机期间主要以中低风险为主。低风险主要包括碰撞、沉船、触碰、失电、船舶失控，既有安全措施基本可应对这些风险。中风险主要为火灾和操作不当。

1）火灾

导致火灾的可能原因包括：1. 船舶动力系统引燃；2. 船上配电设备及线路短路老化；3. 船上厨房、储物室等部位因操作不当失火；4. 船上人员吸烟等不安全行为。纯电动旅游客船过升船机时发生火灾会导致船舶、船厢受损，并可能造成人员受伤，导致财产损失等。

为避免火灾的发生，船舶和升船机均有相应的安全措施，包括：1. 船舶设有防火分隔、探火和报警等措施；2. 船上已配备相应的消防设施；3. 升船机配备相应消防设施；4. 规定通行船舶承载人数不超过300人。建议进一步采取以下措施提升纯电动旅游客船过升船机的安全性：1. 加强船舶过升船机前的安全检查；2. 严格旅客的安全检查工作；3. 对超过300人船只加强安全检查，派驻领航员或安全监督员登船，提高船舶自身安全等级；4. 加强船舶消防安全认证，引入评估、保险等第三方机构对通过升船机船舶进行安全监督。

2）操作不当

操作不当通常由于船上人员操作经验不足，无证上岗，与调度室沟通不畅，未对船舶进行有效系固导致的。操作不当在纯电动旅游客船过升船机时可能会造成：1. 船舶与船厢门、船厢侧壁发生碰撞；2. 影响升船机通航；3. 导致船舶或升船机设备故障；4. 造成船员受伤；5. 设备误操作开启或关闭。为避免由于造作不当导致船舶过升船机产生风险，建议加强纯电动旅游客船船员的培训，并且补充相关的系统操作手册。

4 安全监管措施方案建议

为降低纯电动旅游客船内河航行的安全风险，建议在安全监管方面采取以下措施：

1）增加和完善针对纯电池动力船舶的相关规定。对纯电池动力船舶的航行、过闸、过升船机管理等方面进行详细规范，或编制“纯电池动力船舶航行、过闸、过升船机管理规定”。

2）严格落实安全主体责任。加强企业安全管理，从事纯电池动力船舶运输的航运企业要进一步完善船舶航行、过闸、过升船机操作规程和安全值守制度，制定针对船舶火灾、电池舱爆炸等突发事件应急预案，强化船员安全操作技能和应急处置培训，对纯电池动力船舶实施动态监控。

3）建立健全协调工作机制。建立健全由枢纽通航管理部门牵头，海事、航道、公安等有关单位参与形成的联动机制，全面协调纯电动旅游客船过闸/升船机安全航行、航道养护、水上治安和突发事件应急处置等工作。

4）提升应急救援水平。枢纽通航管理部门应针对纯电池动力船舶的特点，完善船舶火灾消防设施建设，加强船闸、升船机对纯电池动力船舶火灾事故、电池舱爆炸事故等的应急处置能力建设，组织编制科学、可操作性的应急预案。枢纽通航管理部门和航运企业结合船舶应急管理的实际，加强应急培训和演练，不断提升应急救助实际操作能力和水平。

5 结论

纯电动旅游客船的发展符合当前航运业节能减排的要求，适合我国内河航运特点。“长江三峡1”纯电动旅游客船的成功首航对推动我国内河纯电池动力船舶发展具有积极作用。通过FMEA分析和HAZID分析对纯电动旅游客船直流组网系统、电池动力系统以及船舶过升船机过程开展了安全风险评估，对主要中高风险项进行了识别，通过相应的风险控制措施的有效实施，将能够改善船舶的安全风险，提升纯电动旅游客船对水上交通风险的防范能力。

[1] 罗肖锋, 吴顺平, 雷伟, 等. 船舶能源低碳发展趋势及路径[J]. 中国远洋海运, 2021(3): 46-51.

[2] 刘星辰, 盛进路. 内河纯电动船舶航运的适应性及发展[J]. 船电技术, 2021, 41(6): 19-22.

[3] 吕明杰, 岂兴明, 尹航, 等. 浅析内河纯电动船舶发展现状[J]. 船电技术, 2022, 42(1): 28-31.

[4] 湖北日报. 长江三峡1为什么这么牛?[EB/OL]. (2022-03-29)[2022-03-31]. http://news.hubeidaily.net/pc/697297.html.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 系统可靠性分析技术失效模式和影响分析(FMEA)程序: GB/T 7826-2012[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013.

[6] 中国船级社. 船舶综合安全评估应用指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2015.

[7] 韩彬, 周鹏, 王东军. HAZID分析方法及应用过程[J]. 云南化工, 2018, 45(6): 94-96.

Security risk assessment for inland electric passenger ships

Yang Jin1, Zhao Jia1, Jiang Lei2, Xu Xiaojian2

(1. China Yangtze Power Co., Ltd, Overhaul and Maintenance Factory, Yichang 443002, Hubei, China; 2. China Waterborne Transport Research Institute, Beijing 100088, China)

U664.14

A

1003-4862（2022）12-0076-05

2022-05-26

杨进(1984-)，男，高级工程师。研究方向：船舶电气化。E-mail: yang_jin2@ctg.com.cn