胡秀媛

(大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司, 遼寧 大連 116113)

0 引 言

近年來(lái),隨著全球液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的運(yùn)輸和應(yīng)用需求不斷增多,LNG燃料動(dòng)力船的數(shù)量不斷增加,其燃料供給和加注技術(shù)越來(lái)越受人們的關(guān)注[1]。為保證LNG燃料動(dòng)力船順利投入使用,通常要求能源加注配套產(chǎn)業(yè)能滿(mǎn)足不同港口的LNG裝卸需求和不同LNG燃料動(dòng)力船的加注需求。目前,LNG燃料動(dòng)力船的LNG加注主要有槽車(chē)對(duì)船加注、岸站對(duì)船加注和船對(duì)船加注等3種方式,其中:

1) 采用槽車(chē)加注,方便靈活,但充裝量較小,僅適于在防爆性碼頭為小型LNG燃料動(dòng)力船加注,若為大型LNG燃料動(dòng)力船加注,需延長(zhǎng)船舶靠港時(shí)間,這會(huì)影響其作業(yè)周期;

2) 采用岸站對(duì)船加注,不僅需考慮LNG岸站作業(yè)窗口期,而且加注成本較高;

3) 船對(duì)船加注具有無(wú)需船舶進(jìn)出港口、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、燃料充裝量大和加注速度快等優(yōu)點(diǎn),最重要的是能避免在人員密集區(qū)域作業(yè)引發(fā)安全隱患,因此該加注方式得到了廣范應(yīng)用。

隨著LNG燃料動(dòng)力船不斷增多,主流船舶營(yíng)運(yùn)公司已加大對(duì)LNG加注船的建造投入。液貨系統(tǒng)作為L(zhǎng)NG加注船的核心系統(tǒng),具有設(shè)備配置復(fù)雜和操作流程嚴(yán)格等特點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)LNG加注船液貨系統(tǒng)的主要設(shè)備配置進(jìn)行介紹,并對(duì)其操作流程進(jìn)行分析,總結(jié)該系統(tǒng)的操作關(guān)鍵點(diǎn),為類(lèi)似船型的設(shè)計(jì)和實(shí)船操作提供參考。

1 LNG加注船液貨系統(tǒng)主要設(shè)備配置

LNG加注船液貨系統(tǒng)主要設(shè)備的配置需使系統(tǒng)在作業(yè)過(guò)程中具有加注速度快、操作靈活和蒸發(fā)氣(Boil Off Gas,BOG)處理可靠等特點(diǎn),典型的LNG加注船液貨系統(tǒng)主要設(shè)備配置見(jiàn)表1。

表1 典型的LNG加注船液貨系統(tǒng)主要設(shè)備配置

2 LNG加注船液貨系統(tǒng)操作分析

對(duì)于LNG加注船液貨系統(tǒng)的設(shè)備配置而言,除了滿(mǎn)足該船的除氣、惰化、預(yù)冷和加注作業(yè)需求以外,還需滿(mǎn)足與LNG受注船進(jìn)行作業(yè)匹配的要求。下面主要從LNG加注船液貨艙壓力溫度控制、LNG加注船與受注船匹配連接、LNG加注船為受注船燃料艙干燥惰化、LNG加注船為受注船燃料艙驅(qū)氣、LNG加注船為受注船燃料艙冷艙和LNG加注船為受注船燃料艙加注燃料等方面對(duì)LNG加注船液貨系統(tǒng)的操作進(jìn)行分析。

2.1 LNG加注船液貨艙壓力溫度控制

LNG的組成成分因其來(lái)源和液化過(guò)程的不同而有所不同,但主要成分都是甲烷,其他成分包括少量的烴類(lèi)(例如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷)和極少量的氮,甲烷的沸點(diǎn)隨著壓力的增大而升高,見(jiàn)圖1。

圖1 甲烷沸點(diǎn)與壓力的關(guān)系曲線

LNG貨物通常儲(chǔ)存在溫度為-160 ℃的加注船液貨艙內(nèi),外部絕緣的熱傳導(dǎo)、船舶航行過(guò)程中LNG在液貨艙內(nèi)的晃蕩和液貨泵的運(yùn)行都會(huì)導(dǎo)致液貨艙溫度上升和壓力增加。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社(China Classification Society,CCS)規(guī)范的要求,液貨艙的壓力和溫度應(yīng)通過(guò)接受的方法保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),可采用蒸氣再液化、蒸氣熱氧化、壓力積聚和液化氣體燃料冷卻等方式[2],使液貨艙的壓力維持在液貨艙壓力釋放閥的設(shè)定壓力以下15 d。在LNG加注船上,通常配置有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、氣體燃燒裝置和深冷裝置等,實(shí)現(xiàn)對(duì)LNG液貨艙壓力和溫度的控制。

在加注船正常航行過(guò)程中,可通過(guò)燃?xì)鈮嚎s機(jī)抽吸其液貨艙內(nèi)的BOG,輸送給雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī),控制液貨艙的壓力;在加注船靠港期間,可采用船上配置的氣體燃燒裝置消耗液貨艙內(nèi)的BOG,控制液貨艙的壓力,也可通過(guò)船上配置的再液化裝置或深冷裝置控制液貨艙的壓力和溫度。當(dāng)采用深冷裝置時(shí),供液泵從液貨艙底部吸入LNG,將其輸送給LNG深冷裝置進(jìn)行交換冷卻,冷卻的LNG返回至液貨艙頂部噴淋管進(jìn)行冷卻降溫(見(jiàn)圖2),也可通過(guò)注入管輸送至液貨艙底部,對(duì)整個(gè)液貨艙進(jìn)行降溫控壓。

圖2 液貨艙噴淋冷卻示意圖

2.2 LNG加注船與受注船匹配連接

在LNG加注船與受注船過(guò)駁匹配連接過(guò)程中,要充分考慮風(fēng)和波浪的影響,最典型的船對(duì)船LNG加注連接有采用加注臂連接、采用LNG柔性軟管連接和采用軟管吊與柔性軟管配合連接等3種[3]。綜合來(lái)看,第3種連接方式的應(yīng)用比較多,其連接部件主要包括超低溫干式快速接頭、超低溫拉斷閥、低溫加注軟管、軟管起吊保護(hù)裝置、軟管鞍座、應(yīng)急切斷動(dòng)力單元及相應(yīng)的管路、防跌落裝置、船舶漂移監(jiān)測(cè)裝置、控制系統(tǒng)及軟管吊等,見(jiàn)圖3。加注軟管通常采用2根,分別用于連接液相管路和氣相管路,設(shè)計(jì)溫度為-163 ℃,軟管的設(shè)計(jì)、制造、原型試驗(yàn)和工廠認(rèn)可試驗(yàn)符合EN1472-2標(biāo)準(zhǔn)[4]的要求。每根軟管的一端配置1個(gè)快速接頭,與受注船的一側(cè)連接,在開(kāi)展加注作業(yè)之前快速將軟管與受注船對(duì)接;軟管的另一端與低溫拉斷閥連接,用于在應(yīng)急狀態(tài)下快速斷開(kāi)加注軟管,避免液貨濺出及軟管受損。LNG軟管兩側(cè)分別布置于鞍座上,在鞍座內(nèi)設(shè)置防跌落控制系統(tǒng),當(dāng)加注船與受注船應(yīng)急脫離時(shí),控制軟管的下落速度,避免損壞船體外板。船舶漂移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)兩船的相對(duì)位置,當(dāng)監(jiān)測(cè)到兩船的相對(duì)位移超過(guò)設(shè)定值時(shí),發(fā)送信號(hào)給拉斷閥控制系統(tǒng),觸發(fā)拉斷閥應(yīng)急拉斷。

圖3 船對(duì)船軟管連接示意圖

在LNG加注船與受注船的智能安全匹配連接中,要實(shí)現(xiàn)船對(duì)船通信、船對(duì)船相互切斷和船對(duì)船數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)加注船與受注船在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)意外時(shí),觸發(fā)緊急切斷裝置,實(shí)現(xiàn)雙方的閥件同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉,保證兩船的安全。該項(xiàng)作業(yè)涉及的設(shè)備主要包括控制箱、光纖及光纖卷筒、電纜及電纜卷筒、測(cè)試設(shè)備熱線電話(huà)、公共電話(huà)及其他必要設(shè)備附件。

2.3 LNG加注船為受注船燃料艙干燥惰化

受注船在第一次裝載LNG之前需進(jìn)行燃料艙干燥和惰化工作,主要目的是去除管路和艙內(nèi)的水分,避免在后期裝載LNG時(shí)因溫度過(guò)低而在艙內(nèi)出現(xiàn)結(jié)冰情況,進(jìn)而導(dǎo)致管路堵塞或液貨泵受損。受注船上僅配置小型氮?dú)獍l(fā)生器,用于保證供氣系統(tǒng)管路及設(shè)備完成吹掃作業(yè),無(wú)法滿(mǎn)足液貨艙的干燥和惰化工作需求。LNG加注船可配置大容量變壓吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)氮?dú)獍l(fā)生器或液氮罐,供受注船燃料艙干燥和惰化使用。由于氮?dú)獍l(fā)生器提供的氮?dú)獾拿芏缺仁茏⒋贺浥搩?nèi)的空氣的密度低,在操作過(guò)程中,通過(guò)氣相管將氮?dú)廨斔椭良幼⒋贺浥擁敳?艙內(nèi)的空氣從底部液相管路排至大氣中,見(jiàn)圖4。當(dāng)檢測(cè)到液貨艙內(nèi)的最大含氧量為2%,露點(diǎn)溫度低于-40 ℃時(shí),受注船干燥惰化完成。

圖4 受注船燃料艙干燥惰化示意圖

2.4 LNG加注船為受注船燃料艙驅(qū)氣

LNG受注船燃料艙干燥惰化工作完成之后,需進(jìn)行驅(qū)氣作業(yè),對(duì)艙內(nèi)的氮?dú)膺M(jìn)行置換,避免其中所含CO2在低溫下結(jié)冰,堵塞閥門(mén)、濾器和噴嘴。在驅(qū)氣過(guò)程中,采用天然氣替換艙內(nèi)的惰性氣體,可通過(guò)加注船的掃艙泵抽吸艙內(nèi)的LNG輸送給強(qiáng)制蒸發(fā)器,產(chǎn)生的天燃?xì)獾臏囟瓤刂圃?20 ℃左右。由于天然氣的密度比惰性氣體的密度低,可通過(guò)氣相管路將天然氣輸送至受注船的燃料艙頂部,艙內(nèi)的惰性氣體從底部液相管路排出。排出后的氮?dú)馀c天燃?xì)獾幕旌衔餅榉乔鍧崥庠?港口當(dāng)局禁止將其排至大氣中,并要求對(duì)其進(jìn)行處理。由此,可將置換的氣體通過(guò)液相管返回至LNG加注船的氣體燃燒單元(Gas Combustion Unit,GCU)中處理,見(jiàn)圖5。當(dāng)檢測(cè)到艙內(nèi)氮?dú)獾暮看笥?9%,CO2的含量小于1%時(shí),受注船驅(qū)氣完成。

2.5 LNG加注船為受注船燃料艙冷艙

驅(qū)氣作業(yè)完成之后,需對(duì)受注船燃料艙及其管路進(jìn)行預(yù)冷,避免直接加注LNG產(chǎn)生較大的溫差,導(dǎo)致管路、液罐和輸送泵應(yīng)力過(guò)大。在冷艙過(guò)程中,加注船掃艙泵抽吸艙內(nèi)的LNG至液相管路中,將其輸送至受注船燃料艙頂部的噴淋管線中進(jìn)行冷艙作業(yè),艙內(nèi)的氣體可通過(guò)氣相管輸送給加注船處理,也可通過(guò)加注船的GCU設(shè)備進(jìn)行燃燒,同時(shí)可利用雙燃料發(fā)電機(jī)消耗,見(jiàn)圖6。在冷卻過(guò)程中,監(jiān)測(cè)燃料艙頂部、中部和底部溫度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù),控制冷卻速度,當(dāng)燃料艙的溫度傳感器監(jiān)測(cè)到的溫度小于等于-130 ℃時(shí),預(yù)冷工作完成,見(jiàn)圖7。

圖6 受注船燃料艙冷艙示意圖

圖7 受注船燃料艙預(yù)冷溫度隨時(shí)間的變化曲線

2.6 LNG加注船為受注船燃料艙加注

LNG受注船預(yù)冷完成之后,可對(duì)其進(jìn)行加注作業(yè)。為控制加注船液貨艙和受注船燃料艙內(nèi)的溫度和減少BOG,在初始加注時(shí)需采用小流量輸送方式,控制液相管路內(nèi)流體的速度不超過(guò)8 m/s,氣相管路內(nèi)流體的速度不超過(guò)25 m/s,通過(guò)頂部加注對(duì)受注船燃料艙進(jìn)行預(yù)冷降溫,在預(yù)冷過(guò)程中應(yīng)確保雙方加注管路及附件的溫度達(dá)到預(yù)定的溫度[5]。LNG加注船液貨艙內(nèi)通常配置有2臺(tái)輸送泵,既可滿(mǎn)足互為備用的需求,又可根據(jù)不同受注船燃料艙的大小進(jìn)行靈活加注。

啟動(dòng)加注船LNG輸送泵,打開(kāi)LNG輸送泵出口閥件,通過(guò)液相管將LNG輸送給受注船的燃料艙,艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG通常采用3種方式消耗,其中:第1種方式是通過(guò)氣相管自然回流返回至LNG加注船的液貨艙內(nèi);第2種方式是利用加注船上的壓縮機(jī)將受注船的BOG抽至GCU或發(fā)電機(jī)中進(jìn)行燃燒處理,見(jiàn)圖8;第3種方式是利用受注船上的雙燃料發(fā)電機(jī)進(jìn)行燃燒處理。加注船也可利用掃艙管線使LNG回流至蒸發(fā)器中,產(chǎn)生的BOG從氣相管輸送至燃料艙內(nèi)用于平衡艙壓。

圖8 受注船燃料艙加注

3 LNG加注船液貨系統(tǒng)操作關(guān)鍵點(diǎn)

1) 在進(jìn)行LNG加注作業(yè)時(shí)要考慮水流、風(fēng)和波浪的影響,避免在船對(duì)船加注過(guò)程中因天氣因素而觸發(fā)拉斷閥應(yīng)急切斷;

2) 在對(duì)受注船燃料艙進(jìn)行干燥惰化過(guò)程中,要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)的含氧量和露點(diǎn)溫度,控制艙內(nèi)的最大含氧量為2%,露點(diǎn)溫度低于-40 ℃;

3) 在對(duì)受注船燃料艙進(jìn)行驅(qū)氣過(guò)程中,打開(kāi)加注船的GCU設(shè)備,將受注船燃料艙排出之后的氮?dú)馀c天燃?xì)獾幕旌蠚獬浞秩紵?

4) 在LNG加注船為受注船冷艙過(guò)程中,嚴(yán)格控制冷艙溫度,避免溫度急劇下降導(dǎo)致受注船液貨艙因受到過(guò)冷沖擊而受損;

5) 合理規(guī)劃作業(yè)窗口期,可利用船上配置的LNG深冷裝置控制艙內(nèi)溫度,保證為受注船提供低溫LNG貨品;

6) 在為受注船加注LNG時(shí),控制加注速度,受注船液貨艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG可自由回流至加注船的LNG液貨艙內(nèi),也可作為燃料供加注船上的LNG發(fā)電機(jī)燃燒使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了LNG加注船液貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到的液罐配置選型、再液化裝置處理BOG的能力計(jì)算和船舶規(guī)范與規(guī)則的要求等關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)對(duì)典型LNG加注船的液貨系統(tǒng)進(jìn)行分析,全面介紹了液貨系統(tǒng)的主要設(shè)備配置,深度剖析了各設(shè)備的特性和工作原理,逐一介紹了液貨系統(tǒng)在1個(gè)完整的LNG加注作業(yè)流程中各環(huán)節(jié)的操作并提煉了操作注意事項(xiàng)。研究所得結(jié)論可為L(zhǎng)NG加注船液貨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作提供參考。