朱永凱,石峰,梁斌,張海濤,朱崇遠

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

新建LNG運輸船完工交付前[1],需要往LNG運輸船的液貨艙內(nèi)裝載一定量LNG,在設(shè)計的溫度條件下進行一系列的試驗,驗證LNG運輸船上各系統(tǒng)和設(shè)備的性能滿足使用要求,試驗合格后LNG運輸船才可以交付使用。目前,LNG運輸船首次加注流程[2]如下:干燥、惰化、氣體置換、預(yù)冷和LNG加注。干燥是干燥空氣置換液貨艙內(nèi)的空氣,液貨艙內(nèi)露點降低到-20 ℃或更低。惰化是惰性氣體置換液貨艙內(nèi)的干燥空氣,液貨艙露點小于-40 ℃,氧氣含量小于2%。氣體置換是天然氣置換液貨艙內(nèi)的惰性氣體,天然氣濃度含量大于95%。預(yù)冷是LNG對液貨艙進行噴淋降溫。LNG加注是按照貨物量需求進行LNG的加注作業(yè)。現(xiàn)有LNG運輸船首次加注方案受到LNG接收站、LNG槽車以及LNG加注船現(xiàn)有條件的限制,很多問題難以解決。因此,提出一種新的LNG運輸船首次加注方案,為將來LNG運輸船的首次加注提供一個新的方法。

1 現(xiàn)有LNG運輸船首次加注特點

LNG運輸船首次加注的方式[3]包括:LNG接收站進行首次加注;船廠內(nèi)通過LNG槽車進行首次加注;LNG加注船或加注躉船進行首次加注等。其中,LNG接收站進行首次加注的方式需滿足LNG運輸船和LNG接收站進行船岸兼容性分析[4]才可以在LNG接收站進行首次加注;同時存在國內(nèi)LNG接收站無法提供天然氣用于氣體置換的難題,只能通過LNG接收站提供液化天然氣,LNG通過液相管和掃艙管至船上氣化器產(chǎn)生天然氣,天然氣置換液貨艙內(nèi)的惰性氣體。特別是小型LNG運輸船掃艙管直徑多為1 in和2 in,氣體置換過程常常出現(xiàn)氣塞、流量小等問題,一直是困擾小型LNG運輸船加注的難題,30 000 m3LNG運輸船(海洋石油301)和28 000 m3LNG運輸船(啟元號LNG運輸船)都出現(xiàn)過類似的問題。

采用船廠內(nèi)通過LNG槽車進行首次加注[5],LNG槽車往往不具備天然氣回收的能力。海事部門要求加注過程中禁止天然氣排放,因此LNG槽車的方式進行加注時天然氣的回收是一個難以解決的問題。

同時,目前國內(nèi)用于首次加注的LNG加注船或加注躉船的能力無法滿足國內(nèi)LNG運輸船加注的需求。

針對LNG運輸船的特性,提出簡化加注流程,將氣體置換和預(yù)冷過程合并,LNG通過液相管和噴淋管對液貨艙進行噴淋,完成液貨艙的氣體置換和預(yù)冷。

2 LNG運輸船加注前主要工作

LNG運輸船在接收站進行加注應(yīng)提前做好準(zhǔn)備工作,特別是LNG運輸船首次加注尤為重要。主要工作包括LNG運輸船和LNG接收站兼容性分析、LNG運輸船貨物系統(tǒng)檢查、到港前準(zhǔn)備及靠泊要求、安全檢查等幾個方面。

LNG運輸船和LNG接收站兼容性分析是指LNG接收站與LNG船方交換船岸兼容表的信息,雙方審核確認船岸兼容性。本項工作采用專業(yè)的船岸兼容性分析軟件OPTIMOOR對系泊系統(tǒng)、登船梯、電話與無線電通訊、SSL匹配檢查、管匯和卸料臂等兼容性進行分析,最終確定LNG運輸船和接收站是否兼容。

LNG運輸船貨物系統(tǒng)檢查保證LNG運輸船首次加注過程中處于工作狀態(tài)正常。檢查主要有甲板水噴淋系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)(二氧化碳滅火系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng))、液貨系統(tǒng)所有安全閥檢查、氣體探測系統(tǒng)、液貨控制&報警系統(tǒng)、以及LNG首次加注過程中用到的檢測設(shè)備(露點儀、氣體探測儀等)。

LNG運輸船出發(fā)前往接收站前,將LNG船舶將Optimoor系泊分析報告提供給碼頭,并經(jīng)接收站核實船岸系纜數(shù)據(jù)的完整性后,船方才能按照此系纜方案進行安全系纜。在到港前按時應(yīng)向LNG接收站更新預(yù)計抵港時間。在抵港前24 h內(nèi),若預(yù)計抵港時間有超過2 h的任何變化都要另行通知有關(guān)各方。同時,須考慮泊位檔期環(huán)境、航行和引航、系纜等方面內(nèi)容。

安全檢查是LNG接收站人員登船后,聯(lián)合和LNG運輸船船員進行的安全檢查。按照LNG接收站提供檢查表進行檢查,包括表中要求的定期復(fù)查。

3 LNG運輸船首次加注方案

通過對LNG運輸船首次加注的程序進行分析,提出用LNG對液貨艙進行噴淋,達到液貨艙預(yù)冷的目的,同時利用噴淋過程中產(chǎn)生的天然氣,置換液貨艙內(nèi)氮氣,將氣體置換和預(yù)冷步驟合并,可簡化作業(yè)流程,避免氣體置換過程中發(fā)生氣塞、流量小等問題,操作簡便、經(jīng)濟性高、安全可靠。

簡化后LNG運輸船首次加注流程為:干燥和惰化、預(yù)冷和LNG加注。結(jié)合實施案例和附圖,對本方案的技術(shù)和方法進行詳細描述,以下案例和附圖用于說明本方案的構(gòu)成。

1)步驟一。在LNG加注前對LNG運輸船的液貨艙進行干燥、惰化處理。為保證步驟液貨艙(預(yù)冷和氣體置換合并),需將液貨艙內(nèi)氧氣含量降低到小于2%,露點小于-50 ℃。本步驟具體設(shè)備與操作原理見圖1,船上氮氣發(fā)生裝置提供的干燥氮氣從液貨艙頂部進入,利用活塞效應(yīng)(氮氣的密度比空氣的密度小),置換液貨艙內(nèi)的空氣,空氣從艙底排出,通過透氣桅排空。

圖1 LNG運輸船液貨艙的干燥、惰化

2)步驟二。LNG加注前,需對液貨艙進行氣體置換和預(yù)冷,氣體置換是為了避免貨物中存在氮氣,影響燃燒效率,預(yù)冷是避免液貨艙溫度急劇變化,損壞液貨艙的鋼板或絕緣,保證液貨艙的安全性。本步驟具體設(shè)備與操作原理見圖2,LNG接收站提供液化天然氣(LNG),LNG依次通過液相管、噴淋管到達液貨艙頂部,對液貨艙進行噴淋,達到液貨艙預(yù)冷的目的。同時,利用噴淋過程中產(chǎn)生的天然氣,置換液貨艙內(nèi)氮氣,天然氣和氮氣的混合氣體通過氣相管返回LNG接收站進行焚燒處理。

圖2 LNG運輸船液貨艙的預(yù)冷及氣體置換

預(yù)冷作業(yè)時,LNG運輸船的液貨艙允許冷卻溫度梯度小于-10 ℃/h。氣體置換、預(yù)冷結(jié)束時,要求液貨艙內(nèi)天然氣濃度含量大于95%,液貨艙內(nèi)艙底溫度小于-140 ℃、艙頂小于-120 ℃。

3)步驟三。LNG加注量為氣體航行試驗所需LNG用量。本步驟具體設(shè)備與操作原理見圖3,LNG接收站提供液化天然氣,經(jīng)液相管注入液貨艙底部,加注過程中產(chǎn)生的天然氣經(jīng)氣相管返岸處理。

圖3 LNG運輸船的LNG加注

4)步驟四。LNG加注完成后斷開加注管線前,需完成LNG加注管線的吹掃和惰化。首先將液相管線內(nèi)的LNG吹掃返回LNG接收站或者LNG運輸船液貨艙內(nèi),通常做法是將LNG驅(qū)趕至LNG運輸船一側(cè)。接下來是對液相管和氣相管路的惰化,吹掃的氮氣可以來自LNG接收站或者LNG運輸船,完成管路的惰化。

4 LNG運輸船首次加注方案對比

以30 000 m3LNG運輸船為例,天然氣進行液貨艙的氣體置換所需LNG量為艙容的1.5倍預(yù)估,LNG用量約為30 t,所需時間為30 h;LNG對液貨艙預(yù)冷所需LNG量根據(jù)液貨艙鋼板的重量,以及LNG的汽化潛熱進行計算,LNG用量約為240 t,時間為20 h,按照原方式液貨艙的氣體置換和預(yù)冷分開進行所需LNG總量約為270 t,時間約為50 h。優(yōu)化后將液貨艙氣體置換和預(yù)冷同時進行的LNG加注方法,所需LNG總量約為240 t,時間約為50 h。因此,通過流程優(yōu)化,可減少LNG用量約30 t,節(jié)約作業(yè)時間約20 h。

5 結(jié)論

提出一種LNG運輸船首次加注方案,將LNG運輸船首次加注流程由干燥和惰化、氣體置換、預(yù)冷和LNG加注,簡化為干燥和惰化、預(yù)冷和LNG加注。將氣體置換和預(yù)冷過程合并,LNG通過液相管和噴淋管對液貨艙進行噴淋,完成液貨艙的氣體置換和預(yù)冷。簡化了加注流程,具有操作簡單、安全可靠的特點,達到節(jié)約LNG的用量,減少作業(yè)時間的目的。

最近,針對LNG運輸船和LNG燃料船首次加注與LNG接收站不兼容的難題,船廠提出利用LNG槽車進行首次加注的方式,該種方式存在天然氣無法回收的問題。同時,海事局和中國船級社已有相關(guān)法律法規(guī)出臺,但標(biāo)準(zhǔn)化還處于起步階段,法律法規(guī)制定綜合考慮安全、環(huán)保等方面要求,同時需要兼顧技術(shù)可行性,實施的經(jīng)濟性等方面。因此,LNG槽車為LNG運輸船提供首次加注是下一步研究的重點工作。