智能新能源船舶技术创新案例⑧ 面向氢能源船舶运营场景的氢安全仪表系统SIS解决方案

为系统总结最新成果、凝聚产业协同合力，智能新能源船舶技术创新产业联盟持续发起全国性创新案例的深度征集。本次汇编严格遴选了覆盖绿色动力、核心装备、智能驾驶、船岸协同、安全保障等前沿领域的代表性案例。本次活动得到高校、行业科研院所、船舶制造企业、航运公司等单位的积极响应，经过严格评审，最终遴选出10项具有代表性的优秀案例。这些案例集中展现了我国智能新能源船舶从单点攻关迈向全链条融合、从示范验证迈向规模化落地的壮阔进程，为全球水运装备绿色智能转型提供了极具技术先进性与经济社会效益的中国方案。

本项目为武汉理工大学韶关研究院交付了一套60客位氢燃料电池客船氢安全SIS系统，项目全程深度参与评估、规划、设计及建造全流程安全技术服务，围绕燃料电池供氢安全、工艺运行安全、功能舱安全三大维度，分级构建多层安全防护体系。系统可实时感知并预警氢气泄漏风险，实现安全隐患的预防、抑制与隔离，全方位保障船舶氢能系统运行安全。

技术服务内容：

针对氢燃料电池客船氢安全SIS系统，我们提供SIS全生命周期技术服务，涵盖HAZOP分析、LOPA定级、SIL验证、安全要求规格书（SRS）编制、系统集成设计、调试与认证。

实现关键安全功能：

机舱氢气浓度超标联锁紧急切断供氢、开启通风。

供氢管路超压/欠压联锁紧急切断供氢、开启通风。

热管理系统故障联锁紧急切断供氢、开启通风。

燃料电池入口氢气流量异常、泄漏监测。

手动紧急停车（ESD）等。

工艺交付流程：

概念设计-辨识释放源、危险区域划分、确定SIL等级，交付内容包括HAZOP报告、LOPA定级记录。

详细设计-SRS编写、传感器选型、阀门冗余配置，交付内容包括SRS、SIS逻辑图、FGS布置图。

集成制造-机柜/阀组柜制造、软件组态、FAT测试，交付内容包括硬件FAT报告、软件FAT记录。

项目安装-指导传感器安装位置、线缆敷设、接地与屏蔽检验，交付内容包括安装确认单、现场检验记录。

调试与验证-回路测试、SIL回读、CCS/EIAPP预检验收，交付内容包括SAT报告、SIL验证计算书、CCS证书

交付与培训-运维手册（含定期测试周期：每月功能测试，每年传感器标定）、用户接受文件包，交付内容包括O&M手册、SIL维护计划、竣工图

实地交付成果：

传感元件-包括氢气浓度传感器、压力传感器等。

执行单元-包括紧急切断阀、脱扣电气、风机等。

逻辑控制单元-即SIS控制柜，包括安全型硬件、多重冗余软件、安全监控操作界面。

人机界面单元-功能与动作状态显示：

以氢能船舶供氢系统的SIS系统实现为核心，“HAZOP→LOPA→SIL→SIF→逻辑植入”的风险评估与功能开发路径，依托“传感层、逻辑层、执行层”的三层架构，最终形成从危险信号发生到安全动作执行、再到状态反馈确认的完整闭环控制能力。

1.总体技术架构

传感层：采集氢浓度、压力、流量、火焰、温度等参数。

逻辑控制层：基于预设联锁要求，建立指令处理机制，实现信号表决、延时处理、逻辑判断与安全矩阵驱动。

执行层：确保动作信号的可靠输出与安全保护闭环，包括切断阀、放空阀、通风系统、紧急停机继电器等执行机构。

三层架构满足IEC 61508、IEC 61511及船级社对SIS系统的要求。

2.核心研究内容与关键技术

（1）传感层研究：精准感知与信号采集

主要研究要点包括：

①氢气泄漏检测：采用红外吸收式或催化燃烧式氢浓度传感器；

②压力与流量监测：在供氢管路入口及燃料电池入口设置冗余压力变送器；

③火焰与温度检测：采用紫外/红外复合火焰探测器及温度传感器，监测调节阀、软管等高温风险点；

④传感器冗余与自诊断：关键检测点采用2oo3或1oo2表决配置，提升系统容错能力。

（2）传感层研究：精准感知与信号采集

主要研究要点包括：

①逻辑控制器选型：采用TÜV认证的SIL2及以上等级安全PLC，双机冗余架构，实现主备无扰切换；

②安全矩阵构建：依据HAZOP/LOPA/SIF分析结果，将所有安全仪表功能编制成安全矩阵（含触发条件、逻辑关系、输出动作等），以功能块图或梯形图形式编程植入控制器；

③表决与抗抖处理：对防爆型传感器信号采用延时确认避免误报，对紧急停车按钮采用硬件直连DI，实现最高优先级处理；

④诊断与自检：逻辑控制器周期性执行通信自检，故障时自动切换至备用单元，并发送报警至船舶综合报警系统。

（3）执行层研究：可靠输出与安全闭环

主要研究要点包括：

①切断执行机构：氢气供气管路设置气动切断阀，配置阀位反馈开关，断电或失气时自动关闭；

②泄放与惰化：设置氢气泄放阀及手动/自动放空管路，接入船外安全区域，必要时联动机舱惰化系统；

③通风联动：SIS动作时同步启动防爆机械通风系统；

④状态反馈闭环：所有执行元件向逻辑控制器反馈“动作到位”信号，若超时未反馈，系统报“安全回路失效”并触发备用保护。

3.技术实施路线

本技术路线分为以下6个核心步骤：

（1）HAZOP分析——系统性识别危险源

以燃料电池氢气供给系统为对象，覆盖瓶口阀、减压阀等关键节点。采用引导词法，系统记录偏差、原因、后果、现有保护措施及建议，形成HAZOP分析表、风险矩阵及需SIS介入的危险场景清单。

（2）LOPA分析——多层级保护层评估

针对每个危险场景，评估现有独立保护层（IPL）的可靠性，基于后果严重性、初始事件频率及IPL的PFD值，计算所需安全完整性等级（SIL），输出LOPA定级表及各SIF的目标SIL等级。

（3）SIL验算——明确安全完整性要求

依据IEC 61508标准，采用简化公式法或马尔可夫模型计算PFDavg，结合检验测试间隔、全寿命周期要求及硬件容错结构等约束条件，输出SIL验证计算书，确认每条SIF可达SIL2及以上。

（4）SIF定义与安全矩阵生成

为每个联锁条件定义安全仪表功能（SIF），明确触发事件、检测元件及表决方式、逻辑处理逻辑、最终执行动作，输出SIF矩阵及安全要求规格书（SRS）。

（5）逻辑语言转化与植入逻辑控制单元

基于SRS与SIF矩阵，使用安全PLC的FBD、LD或SFC语言编写逻辑程序。开展离线仿真，全面验证各危险场景下逻辑响应的正确性与时序。通过安全通信或工程接口将程序下载至逻辑控制单元，并实施写入保护与版本锁定，输出逻辑程序源码及仿真测试报告。

（6）系统集成与闭环验证

开展集成测试：传感层模拟信号源输入，逻辑层监控CPU输出及冗余切换，执行层实际驱动切断阀、通风阀、放空阀并测量关断时间，完成“输入→输出→反馈→确认”完整链路闭环验证。在船舶安装环境下，按SRS逐条执行现场验收测试（SAT），包括功能测试与响应时间测试。配合船级社（如CCS）提供完整设计、测试、验证文件，完成SIL等级认证及产品检验。最终输出FAT/SAT测试报告、CCS证书、SIL维护计划及O&M手册。

1.氢泄漏检测不及时、不准确

（1）关键区域配置冗余传感器（1oo2或2oo3表决）。

（2）传感器内置自诊断功能（断线、短路、漂移检测），异常时自动上报逻辑控制器。

2.单一传感器失效导致系统误动或拒动

（1）对关键安全回路采用多数表决机制（2oo3）。

（2）逻辑控制层设置延时确认与去抖动滤波，排除瞬时干扰。

（3）传感层故障信号独立上传至船舶报警系统，但不直接触发紧急停机，仅提示维护。

3.SIS响应时间过长，无法阻止危险发展

逻辑控制器采用双冗余、主备无扰切换，避免因故障切换额外延时。

4.逻辑控制层误判或程序漏洞

（1）严格按照 HAZOP → LOPA → SIL → SIF → 安全矩阵 → 逻辑植入 的工程路线开发逻辑程序。

（2）将安全回路功能编制成因果矩阵（安全矩阵），作为唯一逻辑设计输入，并采用功能块图在安全PLC中实施。

（3）所有逻辑程序必须通过离线仿真全部危险场景验证，并出具测试报告。

5.SIS与船舶其它系统（如报警、消防、推进控制）缺乏协调

（1）SIS逻辑控制器通过硬接线干触点向船舶IAS发送“氢气切断动作/故障/旁路”等状态信号。

（2）设置全局最高优先级紧急停车逻辑（ESD），触发后按安全矩阵执行。

（3）SIS不依赖船舶通信网络完成紧急动作，确保网络中断时仍可独立保护。

本工程在国内氢能船舶领域率先实现了系统性示范效应：在技术层面，完整建立了“三层协同闭环SIS架构”及全流程工程化设计方法；在安全层面，将可接受风险水平提升至10⁻⁵/年，有效解决了误停机与真保护的矛盾；在标准层面，形成了经船级社认可的认证范例及量化指标建议；在产业链层面，验证并推动了船用氢安全传感器、阀门等装备的本土化应用；在行业认知层面，显著增强了监管与运营方对氢能船舶安全性的信心。该示范工程可直接推广应用于后续氢燃料电池客船、拖轮、工程船及内河氢燃料运输船等项目，为我国氢能船舶规模化发展提供坚实的安全技术底座。

1.技术示范效应：建立氢能船舶SIS的标准化工程范式

（1）首次实现SIS“输入-输出闭环控制”在船用氢系统中的完整落地。

（2）完整打通从危险源识别到逻辑植入的工程化路径。

2.安全示范效应：提升氢能船舶可接受风险水平

（1）主动防御取代被动消防，显著降低事故概率。

（2）解决“误停机与真保护”的矛盾，提升运营可信度。

3.标准与认证示范效应：推动船级社氢安全规范细化

（1）成为CCS等船级社SIS认可的重要参考案例。

（2）填补国内船用氢SIS标准细节的空白。

4.产业链与运维示范效应：带动本土氢安全装备能力提升

5.行业认知示范效应：增强氢能船舶社会接受度

（1）助力监管部门与保险机构建立信心。

（2）面向行业的技术公开与培训。

核心技术装备名称

氢安全SIS系统

核心技术装备参数

1.系统SIL等级：SIL2

2.系统全回路响应时间：≤2s

3.系统硬件冗余架构：1oo2 / 2oo3

4.系统故障诊断覆盖率：≥90%

5.系统安全可用度：＞0.99

6.系统检验测试间隔：12个月

核心技术装备的特点、创新点及技术先进性

1.核心技术装备特点

（1）传感层：具备高灵敏度与快速响应能力，采用冗余表决架构及本安防爆设计，能够适应船舶振动、湿雾、盐雾等苛刻环境条件。

（2）逻辑控制层：采用双冗余安全架构，基于SIL2认证平台，以安全矩阵驱动编程，具备毫秒级快速响应能力。

（3）执行层：采用故障安全型设计，具备高密封等级及状态反馈闭环机制，实现秒级快速动作性能。

2.核心技术创新点

（1）基于船舶环境的冗余表决策略：针对船舶振动、湿雾、盐雾等干扰环境，首创“2oo3表决 + 延时确认 + 传感器自诊断”三层过滤机制，有效降低误报与漏报风险。

（2）五步贯通工程化方法：建立“HAZOP→LOPA→SIL→SIF→逻辑植入”完整贯通流程，以安全矩阵（因果矩阵）为桥梁，将LOPA定级结果直接映射为PLC逻辑输入，实现安全分析到逻辑落地的无缝衔接。

（3）执行层闭环验证机制：引入“动作确认+超市保护”双重机制，确保安全动作可靠到位。

（4）船用环境专用抗干扰设计：逻辑控制器配置防腐涂层，具备抗H₂S/SO₂腐蚀能力；执行器气源管路设置过滤减压阀，有效适应船舶气源波动。

3.技术先进性

（1）安全分析深度全链条覆盖且可追溯：危险场景的覆盖率≥95%，极少遗漏；逻辑来源系统化、可验证，保障安全设计的完整性与可靠性。

（2）系统响应与误动控制性能优异：全回路响应时间≤2秒，安全完整性等级达到SIL2，误动率相对降低80%。

（3）认证体系完备：同时获得系统级SIL认证及船级社产品认证，形成完整的合规证据链。

（4）可推广性强：已形成标准化设计模板与运维体系，可在同类氢能船舶项目中快速复用，具备良好的工程推广价值。