李國(guó)榮，方向飛，曹大友

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,江蘇 南京 210015)

0 引言

近年來(lái)，在綠色環(huán)保、節(jié)能減排大環(huán)境下，港口排放控制越加嚴(yán)格，因此越來(lái)越多的船東開(kāi)始尋找新能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動(dòng)力推進(jìn)和電力供給，以期達(dá)到船舶在運(yùn)營(yíng)時(shí)占有主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。新能源中主要以風(fēng)能、太陽(yáng)能和電池應(yīng)用較為廣泛。電池系統(tǒng)以其能夠大容量?jī)?chǔ)能、及時(shí)能量供給和持續(xù)供能時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)受到青睞，但是由于電池本身的特性以及對(duì)環(huán)境的苛刻要求，其安全性顯得尤其重要。而電池系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以預(yù)報(bào)所有潛在的風(fēng)險(xiǎn)源，并擬定采取適合的風(fēng)控措施，從而將風(fēng)險(xiǎn)控制在最低或者可接受的程度上。

某新一代環(huán)境友好型貨物滾裝船裝配5 MW的電池系統(tǒng)，用于全船電力輸出調(diào)峰(PTO)、動(dòng)力輸入助推(PTI)、港口裝卸貨模式供電，做到了港口零排放，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和綠色環(huán)保的目的。目前國(guó)內(nèi)安裝如此大容量電池的船舶幾乎沒(méi)有，電池系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性就顯得特別重要。本文介紹了電池系統(tǒng)的構(gòu)成，利用假設(shè)分析法和FMECA分析法，列出了電池系統(tǒng)以及安裝布置上所有潛在的風(fēng)險(xiǎn)源、采取的風(fēng)控措施以及最終的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，形成了完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告。

1 電池系統(tǒng)配置

電池系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

(1)電池：該系統(tǒng)總共有14組電池，每組電量為359.5 kWh，合計(jì)電量為5 033.0 kWh。

(2)電池管理系統(tǒng)(BMS)：監(jiān)測(cè)和控制每個(gè)電池組狀態(tài)，控制電池模塊之間電壓平衡，確保電池組原則上可以安全可靠運(yùn)行，也可以理解為安保系統(tǒng)。

(3)能量管理系統(tǒng)(EMS)：管理電池的電能，PTI和PTO功能轉(zhuǎn)換，充電和放電模式的管理。

(4)火警監(jiān)測(cè)和消防系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)電池柜區(qū)域的火災(zāi)，及時(shí)給出預(yù)報(bào)警和熄滅火災(zāi)的裝置。

(5)電池冷卻系統(tǒng)：根據(jù)對(duì)電池內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)，通過(guò)水冷單元將電池工作的環(huán)境溫度調(diào)節(jié)在設(shè)定的范圍內(nèi)，確保電池組額定放電容量。

(6)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)正常運(yùn)行，對(duì)于異常狀態(tài)和故障進(jìn)行預(yù)報(bào)警，值班人員可以及時(shí)處理和修復(fù)故障。

2 圖紙送審

某貨物滾裝船入意大利船級(jí)社(RINA)。根據(jù)規(guī)范Part C, Ch2, APP 2的要求，共計(jì)13份圖紙或文件需要送審，其中：除了電池系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告外，其他圖紙或者文件還是比較常規(guī)或者常見(jiàn)的。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告是需要船級(jí)社、電池系統(tǒng)廠家、船東和船廠等所有風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)者共同完成的一份報(bào)告，該報(bào)告一般需要在詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙認(rèn)可之前提交船級(jí)社。

3 電池系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 目的

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)現(xiàn)有的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，評(píng)估系統(tǒng)在發(fā)生任何潛在故障事件時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，通過(guò)增加額外的風(fēng)控措施或者改良現(xiàn)有的風(fēng)控方案，把系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的等級(jí)，從而達(dá)到了確保電池系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的目的。

3.2 流程

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可根據(jù)RINA船級(jí)社的風(fēng)險(xiǎn)分析指導(dǎo)文件，由電池廠家、船級(jí)社、船東和船廠協(xié)作討論完成，過(guò)程大體上可以分為3個(gè)階段：

(1)基礎(chǔ)信息：這個(gè)階段主要是充分熟悉和了解電池系統(tǒng)的工作原理、控制邏輯、安保系統(tǒng)等所有信息。

(2)風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別：依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源分析方法，盡可能地列出所有潛在的風(fēng)險(xiǎn)源。

(3)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估：根據(jù)上述第二階段列出的風(fēng)險(xiǎn)源，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)生的概率以及造成的危害性，對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。

3.3 評(píng)估方法

3.3.1 假設(shè)分析法

假設(shè)分析法(What-If Analysis)是一種通用并靈活的方法。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估初始階段能夠快速列出潛在的風(fēng)險(xiǎn)源，但是此方法在很大程度上需要依賴(lài)于評(píng)估團(tuán)隊(duì)成員的經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)源被某一成員提出，相關(guān)成員應(yīng)針對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)源陳述目前設(shè)計(jì)中已有的風(fēng)控措施，再結(jié)合此風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)生的概率和影響程度，評(píng)估一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。假設(shè)分析法見(jiàn)表1。

3.3.2 故障模式分析法

故障模式、影響和嚴(yán)重性分析法(FMECA)是分析電池系統(tǒng)中每一個(gè)產(chǎn)品或子系統(tǒng)所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)電池系統(tǒng)造成的所有可能影響，并對(duì)每個(gè)單一故障模式的影響程度及其發(fā)生概率確定其危害性。這是一個(gè)系統(tǒng)的、全面的和標(biāo)準(zhǔn)化的方法，在電氣和輪機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告里經(jīng)常采用。FMECA分析法見(jiàn)表2。

表1 假設(shè)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)是一種用于辨識(shí)設(shè)計(jì)缺陷、工藝過(guò)程中危害及操作性問(wèn)題的結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化分析方法。根據(jù)存在的缺陷或危害提出改進(jìn)意見(jiàn)和建議，以提高安全性和可操作性。裝卸貨系統(tǒng)的危險(xiǎn)評(píng)估經(jīng)常采用此分析法。

故障樹(shù)分析法(FTA)是一種由上往下的演繹式失效分析法，利用布林邏輯組合低階事件，分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的狀態(tài)，了解系統(tǒng)失效的原因，找到最好的方式來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。

事件樹(shù)分析法(ETA)是以一初始事件為起點(diǎn)，按照事件的發(fā)展順序分成階段，逐步進(jìn)行分析，每一事件可能的后續(xù)事件只能取完全對(duì)立的兩種狀態(tài)(成功或失敗、正常或故障、安全或危險(xiǎn)等)之一的原則，逐步向結(jié)果方向發(fā)展，直到系統(tǒng)故障為止。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

某貨物滾裝船電池系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用了假設(shè)分析法和FMECA分析法。對(duì)于電池系統(tǒng)自身的故障，主要依賴(lài)于FMECA分析法。而對(duì)于電池系統(tǒng)之外的故障，如蓄電池間失火、蓄電池臨近區(qū)域失火、蓄電池間溫度過(guò)高等主要依賴(lài)于假設(shè)分析法，其中：風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖是評(píng)估報(bào)告里重要圖表之一，主要由事故影響程度等級(jí)、事故發(fā)生概率等級(jí)這兩個(gè)參數(shù)組成。

根據(jù)上述兩個(gè)參數(shù)，可以初步評(píng)估一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見(jiàn)表3。風(fēng)險(xiǎn)可以分為3個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：

高級(jí)：不能容忍，風(fēng)險(xiǎn)不能被接受，必須采取措施將風(fēng)險(xiǎn)降低。

中級(jí)：可以容忍，當(dāng)二拉平(ALARP)原則被采用時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)是可以被接受的。基于ALARP原則可容忍的風(fēng)險(xiǎn)必須能夠證明進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)所付出的代價(jià)和所得到的益處是極不相稱(chēng)或嚴(yán)重不成比例的，即風(fēng)險(xiǎn)需要被降低到不能再繼續(xù)降低為止。

低級(jí)：大體上可以接受，此風(fēng)險(xiǎn)不需要基于ALARP原則去證明。

表3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

3.5 風(fēng)險(xiǎn)改良

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估會(huì)議中，需要對(duì)現(xiàn)有的高級(jí)風(fēng)險(xiǎn)和中級(jí)中可能被改善的風(fēng)險(xiǎn)提出風(fēng)險(xiǎn)改良措施和再次評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

對(duì)于蓄電池房間失火這一風(fēng)險(xiǎn)源，根據(jù)已存在的風(fēng)控措施，評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中。基于ALARP原則[1]，有專(zhuān)家提出可以增加CCTV監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池房間的狀態(tài)。此方法的采用要比火警探頭監(jiān)測(cè)能更早地發(fā)現(xiàn)火情，從而降低事件的發(fā)生概率，因此風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)從中級(jí)降低到低級(jí)，見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)改良

3.6 實(shí)船降低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)電池組房間設(shè)置在防撞艙壁之后，并配置專(zhuān)門(mén)的房間，將電池組故障對(duì)人員和船舶傷害降到最低。與電池系統(tǒng)無(wú)關(guān)的其他重要或應(yīng)急設(shè)備不允許布置在此房間。

(2)電池間四周艙壁鋪設(shè)A0或以上的絕緣，這樣可以降低外部火源對(duì)電池組產(chǎn)生的影響。

(3)電池間盡量無(wú)水管穿過(guò)，如不可避免，那么需要采用套管連接，在送審的電池間布置圖上標(biāo)明。

(4)本船電池間的通風(fēng)設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。該房間布置有2套獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)和房間獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)。一套為電池間的通風(fēng)系統(tǒng)(包含送風(fēng)和抽風(fēng))，另一套為電池組的抽風(fēng)系統(tǒng)(高/低速雙速風(fēng)機(jī))。電池組的抽風(fēng)機(jī)工作原理為：在電池正常工作模式下只需低速運(yùn)行，而當(dāng)電池處于故障狀態(tài)下時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換到高速模式下，當(dāng)然也可手動(dòng)切換高、低速運(yùn)行。另外，為了保證風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)送到了船舶的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)會(huì)在監(jiān)測(cè)報(bào)警產(chǎn)生報(bào)警，以提醒船員需保證風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行。根據(jù)電池的特性，電池只有在熱失控狀態(tài)下才會(huì)產(chǎn)生部分有害性氣體，因此只是把電池組的抽風(fēng)管道區(qū)域作為危險(xiǎn)區(qū)域來(lái)定義，所以電池組的抽風(fēng)機(jī)配置為防爆的雙速風(fēng)機(jī)。關(guān)于房間的空調(diào)系統(tǒng)配置，在電池間設(shè)置獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，主要是根據(jù)電池的工作環(huán)境溫度要求來(lái)配置的，并不是用作電池系統(tǒng)的散熱用。本項(xiàng)目中電池組為獨(dú)立的水冷系統(tǒng)，電池充放電產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)水冷系統(tǒng)帶走。

3.7 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估清單

針對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的特性、存在的風(fēng)控措施、改良的風(fēng)控措施及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判等級(jí)，匯總成一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估清單，作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告的附件提交給船級(jí)社認(rèn)可。本船電池系統(tǒng)根據(jù)專(zhuān)家組員的討論，共列出了16個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源，分別見(jiàn)表5、表6。

表5 R1～R6風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估清單

4 結(jié)論

從電池風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告里可以看出，電池系統(tǒng)還是存在很多的潛在風(fēng)險(xiǎn)源。在設(shè)計(jì)初期階段如果能夠預(yù)先考慮這些風(fēng)險(xiǎn)源，并采取適合的風(fēng)險(xiǎn)控制措施來(lái)有效地降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，就可以避免后期因風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不可接受而帶來(lái)的修改，同時(shí)也提高了電池系統(tǒng)運(yùn)行和船員的安全性。

(1)CCTV輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采用，可以盡早地發(fā)現(xiàn)火情并進(jìn)行消防滅火，在很大程度減小了火災(zāi)發(fā)生的概率，減小了火災(zāi)造成的影響。

(2)雙通風(fēng)系統(tǒng)加上獨(dú)立空調(diào)的冗余設(shè)計(jì)，確保了電池工作時(shí)的環(huán)境溫度，使得電池溫度過(guò)高或過(guò)低帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)降到了最低。

(3)通過(guò)對(duì)每個(gè)電池盒安裝一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)了電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)管理，并可以盡早地切斷存在風(fēng)險(xiǎn)隱患的電池組，將風(fēng)險(xiǎn)控制到最低，從而提高了電池系統(tǒng)的安全性。

表6 R7～R16風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估清單