石油资源的减少、环境污染问题的治理等因素，都成为了液化天然气(liquefied natural gas，LNG)燃料广泛应用的重要推动力。LNG是一种无色无味的液体，通过在常压下气态的天然气冷却至−162 ℃，使之凝结成液体^[1-2]。相比于柴油燃料，LNG具有更高的热值和更低的价格，且LNG燃料的使用将大大减少CO₂、硫氧化物、氮氧化物等的排放。作为一种无毒无污染且更为经济的绿色能源，LNG在船舶动力领域得到了广泛应用^[3]，在LNG/柴油从双燃料发动机技术日趋成熟的基础上，大量以LNG为动力的船型已经投入使用。

随着LNG燃料的使用逐渐增多，由于LNG泄露进而引发火灾甚至爆炸的可能性也逐渐增高。通常LNG是以低温状态储存的，一旦泄露，会在很短的时间内沸腾汽化，并与周围空气混合形成白烟，稀释受热后与空气混合形成爆炸性混合物，因此，LNG燃料一旦泄露极易导致火灾或产生爆炸^[4]。船舶火灾一旦发生，将会造成极大危害：一方面由于船舶结构相对复杂，不利于人员疏散，会对船上人员的安全造成极大威胁；另一方面船舶可燃物多，火势蔓延速度极快，且由于船体为金属材料，热传导性强，大大增加了火灾扑救难度^[5]。此外，LNG燃料的超低温度也大大增加了危险性。

专门针对LNG船消防灭火的研究很少，且现有研究多针对某一灭火方式及其灭火效果进行研究，没有形成系统方案。文献[5]分析大型集装箱船特点，针对大型集装箱船的局部消防喷淋系统进行设计研究；文献[6]以LNG加注泵船为对象，分析船舶火灾特点及危害，给出灭火系统的配备建议。本文针对一具体船型，提出具备探测及灭火功能的消防灭火系统方案，为相关研究及工程设计提供依据。

1 船型参数

目前国内针对以LNG为动力的远洋大型集装箱船研究较少^[7]，已经建成并投入使用以LNG为动力的集装箱船，其所能运载的集装箱数量多在10 000箱。本文研究对象是一艘正在规划设计中，以LNG/柴油为动力的20 000TEU大型双燃料集装箱船。

该船型主要外形参数见表1，动力系统参数见表2。

大型集装箱船运载量大，结构复杂，辅助系统配置受空间约束，此外，大型集装箱船船员配备多，一旦发生火灾，人员难以疏散，将会对船员人身及货物财产形成巨大威胁。因此在复杂有限的空间内，合理设计及配置成为了消防灭火系统有效发挥作用的关键。

2 消防灭火系统总体设计

船舶消防灭火系统的设计一方面必须符合船级社规范、《1974年国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)及其后修正案及船旗国主管当局的法规；另一方面，由于天然气动力船装载的LNG形态极不稳定，很容易受到温度和压力的影响而发生变化，在航行过程中的危险性也非常高，因此其消防系统还必须符合IGF Code(天然气动力船舶安全导则)和IGC Code(国际散装运输液化气体船舶构造和设备规范)。

为保证消防灭火系统的性能，不仅要实现对整船全方位覆盖，而且要实现对LNG燃料使用的全过程覆盖。因此，需要充分分析LNG燃料自注入系统被加注到储罐到送至主机燃烧的整个过程。

LNG燃料注入船舶经历3个环节：

1) 第1个环节是加注环节，加注系统负责将LNG燃料引入储罐中存储。

2) 第2个环节是输送环节，当发动机需要燃料时，LNG经过输送管道系统，送至燃气处理调节系统。

3) 第3个环节是燃气处理调节环节，工作过程分为2个步骤，首先系统将LNG储存罐中的液态燃料转变为具有合适温度和压力的气体燃料供主机使用；之后，进一步调整，使燃气压力满足主机在不同负荷状态下的压力需求^[8-10]，燃气经过输送管道送至主机燃烧。

整个过程如图1所示。

根据分析LNG燃料注入船舶经历的3个环节以及产生燃烧的具体过程，分析汇总该船型需要进行消防灭火布置的场所如表3所示。

综合以上分析，给出以火气探测系统为报警系统，以水喷淋系统、干粉灭火系统、CO₂灭火系统为灭火系统的整体消防灭火系统的设计方案如图2所示。

3 火气探测系统

火气探测系统共包含2部分：火灾探测系统和可燃气体探测系统。火灾探测系统是保证船舶安全航行的重要设备，其主要作用是能够及时监控到船舶将要发生火灾或者发生火灾的场所，并发出报警信号，使得消防人员能够及时控制火情。但对于天然气动力船舶，若能实现检测到可燃气体的泄漏情况并及时报警，采取相应措施，将会大大减少火灾发生的可能性。因此，对于天然气动力船舶而言，还需要在传统的火灾探测系统的基础上加入可燃气体探测系统^[6]，从而实现对船舶的全面的探测与监控，为船舶的安全航行增加一重保障。由于火灾探测系统已经相对成熟，下面着重给出可燃气体探测系统的设计。

可燃气体探测系统主要包括气体采集装置、气体分析装置和声光报警装置。根据IGC Code的相关要求，可燃气体探测系统的设计应该符合以下原则：

1) 可燃气体探测系统应设计成易于对其进行试验,应能定期对气体探测设备进行试验和校准。为此，船上应备有适当的设备和试验用气体。

2) 可燃气体探测系统应能测量从0~100%的气体浓度(按容积)，配有声、光报警装置。在不超过30 min的时间间隔期内，依次从每个取样点取样和分析，但在对通风罩和气体管道进行气体探测时，应连续取样。所有取样点应通过独立的管路接至探测设备，不允许采用公用取样管路。

3) 可燃气体浓度达到爆炸下限的30%时，该系统应能报警；在气体浓度达到爆炸下限的60%之前，整套供气系统应能自动关闭。

气体取样装置的合理布置是可燃气体探测装置有效工作的前提。为了保证可燃气体探测装置能够充分发挥作用，气体取样装置的布置应当覆盖船上所有可能发生可燃气体泄露的场所。结合LNG燃料的处理及使用过程，在以下5处布置可燃气体探测取样点：燃气处理间、加注站、LNG储罐区域、通风系统、主/辅机GUV阀组单元间，从而实现对可燃气体的全面检测。此外，一般在驾驶室或控制室设置声光报警装置。

气体探测系统工作流程如图3所示。

气体取样装置在以上处所进行取样，每20 min循环一次。取样气体送至气体检测装置进行分析，若取样气体中可燃气体浓度达到爆炸下限的30%，则触发安装在驾驶室中的声光报警装置，及时提醒人员采取措施，系统控制流程如图4所示。

船舶正常航行时，系统工作于监控状态，发生可燃气体泄漏或火灾时，系统根据接收到的传感器信号判断故障类型，并启动相应报警装置；且系统根据报警信号进行自动寻址，准确找到故障发生位置，便于人员进行故障处理。发生火灾时，系统自动启动着火点处灭火系统进行灭火；发生可燃气体泄漏情况时，系统自动采取应急措施，启动紧急切断装置或通风装置；人员确认情况后，系统关闭报警信号。

4 灭火系统

灭火系统主要包括水喷淋系统、干粉灭火系统及CO₂灭火系统，实现对船舶重要处所的全面覆盖，能够有效地实现灭火的功能。

4.1 水喷淋系统

水喷淋系统是以特殊的喷嘴，将水转换成具有一定速度和密度的水雾并喷出。水喷淋系统的作用体现在3个方面：1)水雾喷出后会吸收周围热量，使得燃烧物温度降低，且水蒸气覆盖在燃烧液体表面可以隔绝空气，起到灭火的作用；2)水雾可以控制燃烧，限制火势蔓延；3)水雾可以保护暴露在火焰前的物体或人员^{[6, 11]}。考虑喷淋系统的特点及功能，本设计水喷淋系统覆盖的区域包括燃气处理间周围区域、LNG储存舱DOME区域、加注集管区域。

IGC规范要求LNG区域水喷淋系统用于水平投影面的喷射率应至少为每分钟10 L/m²的均匀分布水雾；用于垂直表面，应至少为每分钟4 L/m²。对于不能明确划分水平面或垂直面的结构，其水雾的排量应为上述两者中的较大者。

本文设计对象船型水喷淋系统参数如表4所示。

以燃气处理间为例，保护区域面积A为450 m²，规范要求的喷射率v₀为4 L/(min·m²)，则可以得出：

1) 保护区出水率v的计算：

$v = A \times {v_0} = 450 \times 4 = 1 \; 800 \; {\rm{L}}/\min $

2) 喷嘴数量N的计算：

$N = \frac{v}{{{v_1}}} = \frac{{1 \; 800}}{{36.64}} \approx 50$

3) 需求水量Q的计算：

$Q = N \times {v_1} = 50 \times 36.64 = 1 \; 832 {\rm{L}}/\min $

同理可以计算得出LNG储存舱DOME区域及加注集管区域的需求水量。

4.2 干粉灭火系统

干粉灭火系统主要适用于液化气运输船或动力船的液货相关区域及相应甲板的消防灭火。干粉灭火系统在使用时，将粉末喷洒在着火处。干粉中的化学物质在高温环境下会产生CO₂并在燃烧物表面粘附燃烧残留物，起到窒息作用；其干粉的受热分解会吸收热量，起到冷却作用；最重要的是干粉的使用中断了燃烧区域总游离基团的相互作用，能有效中断燃烧过程，实现灭火功能^[12]。常用的干粉灭火装置有干粉炮和干粉枪。本文设计干粉灭火系统覆盖的区域包括LNG储存舱及其甲板区域、LNG加注站区域、甲板输送管路区域。

根据IGC规范，干粉枪和干粉炮应可持续工作45 s。实际工程项目中，可结合选择干粉炮或干粉枪的干粉耗率，计算干粉消耗量参数。以加注区域为例，本文在左右舷加注区域各布置一个干粉炮作为灭火装置，如图5所示。

选择干粉炮干粉耗率v为12 kg/s，干粉消耗量L为

$L = vt = 12 \times 45 = 540 \,\, {\rm{kg}}$

式中t为持续工作时间。

4.3 CO2灭火系统

CO₂灭火系统可以用于液体或可熔固体物质火灾和气体火灾、带电火灾。在船舶领域，CO₂灭火系统的主要应用场所为各类船舶的机舱、锅炉舱、辅机舱、货舱、货油泵舱等位置。CO₂灭火系统的灭火作用主要是通过增加空气中不燃烧、不助燃的成分，使空气中的氧气含量减少来实现的。在发生火灾的舱室里，若喷进占舱室容积28.5%的CO₂气体，舱室中的含氧量能立即减少15%以下，从而有效地控制火势。燃烧区域空气中氧气的浓度小于等于12%，二氧化碳的浓度为30%~35%时，绝大多数的燃烧都会熄灭。且CO₂密度是空气的1.5倍，所以能下沉覆盖在燃烧物的表面，隔绝火焰和空气。此外，二氧化碳灭火剂是以高压液态形式存储在灭火器中，喷出后会在很短时间内气化，从而吸收大量热量，起到冷却作用。

燃气处理间应配有的二氧化碳灭火剂，放出的自有气体体积为燃气处理间容积的45%，且根据IGC规范的要求，机器处所应配有足够的二氧化碳量，放出的自由气体体积至少等于下列两者中的较大值：被保护的最大机器处所总容积的40%或被保护的最大机器处所包括机舱棚在内的全部容积的35%。以燃气处理间为例，本文设计对象船型燃气处理间对应的CO₂灭火系统参数如表5所示。

由此可计算得到CO₂剂瓶数N₁及所需气瓶数N₂：

${N_1} = \frac{{Q \times a}}{{0.56}} = 1 \; 897.1$

${N_2} = \frac{{{N_1}}}{{45}} = \frac{{1 \; 898}}{{45}} \approx 43$

4.4 灭火系统整体布局设计

综合灭火系统三部分的有效作用区域：水喷淋系统覆盖的区域包括燃气处理间周围区域、LNG储存舱DOME区域、加注集管区域；干粉灭火系统覆盖的区域包括LNG储存舱及其甲板区域、LNG加注站区域、甲板输送管路区域；CO₂灭火系统覆盖的区域包括机舱及燃气处理间，可以得到灭火系统整理布局设计图如图6所示。

由图6可以看出，方案所设计的灭火系统的覆盖区域完全符合上文依据LNG燃料使用过程所总结的需要配置消防灭火装置的区域，能够实现对船舶消防灭火的全面覆盖，达到有效灭火的效果。

5 结论

本文结合LNG燃料的使用过程，对20 000箱LNG/柴油双燃料动力船的消防灭火系统进行设计。得出以下结论：

1) 设计的系统中包含的火气探测系统能够及时检测到燃气的泄露并及时报警，从而有效地预防火灾的发生；

2) 若火灾已经发生，设计的灭火系统各部分则可以协同作用，能够及时扑灭火灾，减小损失。

提出的消防灭火系统设计方案可以作为其他以LNG为动力的船型消防灭火系统设计的依据。后续将会在实船上进行系统的布置和使用测试，对产生的实际问题进行详细分析和解决。