小型LNG運輸加氣船供氣系統研究

高德輩等

【摘 要】近年來隨著經濟的發展對于清潔能源的需求不斷增強，國內對于天然氣的需求量越來越大。目前，我國的天然氣運輸方式主要有：常規陸路運輸、管道運輸、船舶運輸等。本課題研究主要研究內容為通過三種加氣方式的對比，加氣操作流程及原理的介紹確定設計方案，最終解決小型LNG運輸加氣船加氣系統關鍵設備設計建造及技術國產化難題。

【關鍵詞】LNG加氣船 天然氣 加氣系統

1 引言

近幾年，全球變暖、氣候異常等話題已逐漸成為人們關注的焦點，綠色環保、節能減排也已成為全世界大多數國家的共識。在這樣的大環境下，隨著全球航運業的發展，船舶所造成的污染也越來越引起國際社會的關注。

世界知名船用主機供應商瓦錫蘭集團和曼公司已經向市場推出批量化、系列化的雙燃料中速發動機產品，雙燃料低速機也已經進入商業化生產階段。LNG作為船用燃料，NOx的排放減少85～90%，SOx和顆粒物質的排放與燃料油相比可減少幾乎100%。CO2凈排放量降低15～20%。LNG動力船型初始投資比傳統燃料船型高出10%～20%。但隨著排放控制區對SOx排放的強制限制、EEDI的生效以及技術改進和完善，雙燃料發動機船型和全氣機船型將逐步成為市場主流，并且影響的船舶類型的范圍也將不斷擴展。隨著我國“氣化長江”計劃的持續開展，在長江等幾大內河流域及一些沿海港口船只開始采用LNG為船舶燃料。但是一部分船東也在處于觀望狀態，因為畢竟LNG的加氣沒有柴油方便，國內也只有幾個在建的LNG加氣港口。那么LNG加氣船的出現極大程度上的解決了這個問題，LNG加氣船建造起來比LNG加氣港簡單，而且使用起來可以靈活的運用。綜上所述建造小型LNG加氣運輸船是發展液化天然氣（LNG）為船舶燃料首當其沖的保障。而LNG作為LNG加氣船燃料更是節省了船舶本身的運營成本。

突破和解決小型LNG加氣運輸船加氣系統關鍵設備設計建造及技術國產化難題。同時提升核心系統和裝置國產化率。

2 供氣系統研究內容與技術方案

2.1 供氣系統目標與技術指標

小型LNG運輸加氣船供氣系統研究所用到的規則和規范有：中國船級社的《液化天然氣燃料水上加氣躉船入級與建造規范2014》，中國船級社的《天然氣燃料動力船舶規范2013》，《國內航行海船建造規范》，《材料與焊接規范》（2012），國內航行海船法定檢驗技術規則（2011年），中國船級社的《國際散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》，MSC.285（86）決議 有關安全安裝船舶天然氣燃料發動機的臨時導則，中國船級社的《天然氣燃料動力船舶規范2013》，其中參考導則為《LNG動力船加氣的標準及規范研究》（挪威德國船級社）。

2.2 主要研究內容

通過以上規則規范來設計用于給LNG動力船加氣的加氣系統，并對本系統中的不同的加氣形式進行比較：

（1）采用加氣臂的形式給受注船加氣；

（2）采用加氣軟管的形式給受注船加氣；

（3）采用軟管吊的形式給受注船加氣；

（4）采用低溫離心泵給受注船加氣；

（5）采用低溫潛液泵給受注船加氣。

2.3可行性分析

2.3.1 不同形式的LNG加氣方式的比較及可行性分析

（1）采用加氣臂的形式：如圖1。

圖1 加氣臂的形式

（2） 采用加氣軟管的形式：如圖2。

圖2 軟管的形式

（3） 采用軟管吊的形式：如圖3。

圖3 軟管吊的形式

綜上所述：本船的LNG加氣擬采用LNG軟管對受注船進行加氣。

2.3.2不同形式的LNG泵

加氣系統不同形式的LNG泵有：采用低溫離心泵給受注船加氣和采用低溫潛液泵給受注船加氣。考慮到經濟性及整體安裝空間的緊湊性，本船采用LNG低溫離心泵用于LNG的輸送。經過以上對于加氣船和受注船連接方式的比較以及不同的LNG輸送方案的比較，本船擬采用LNG軟管進行加氣，采用低溫離心泵進行LNG的輸送。

3 設計方案

3.1 加氣流程

受注船燃料罐加氣的加氣過程中，利用放在罐艙內的LNG泵將LNG儲罐內的LNG 轉移到受注船上的LNG燃料罐內，受注船上燃料罐內的貨物蒸汽可以從氣相加氣管回到加氣船LNG儲罐內。

加注過程中，利用放在罐艙內的LNG泵將LNG儲罐內的LNG 轉移到受注船上的LNG燃料罐內，受注船上燃料罐內的貨物蒸汽可以從氣相加注管回到加注船LNG儲罐內。

3.2 系統組成

LNG加氣系統主要系統有：LNG泵，LNG加氣站，安全系統，管系和閥件，儀器儀表，控制系統，計量系統。

3.2.1 LNG加氣站

該系統設計用于向受注船LNG燃料罐內充裝燃料，帶回氣功能。設有充裝接口以滿足需要。為便于控制受注船燃料罐的蒸氣壓，充裝過程中貨物蒸氣可采用回氣或上噴淋維持壓力。充裝系統的布置應能使充裝時不會有氣體排放到大氣中。

充裝結束時，采用氮氣將充裝管線內的液體排出。

在駁運易燃氣體/液體時，燃料供應方和船廠的充裝站之間提供一套等電位連接裝置。

3.2.2安全系統

（1）氮氣系統。氮氣用于對LNG加氣管系進行惰化以及在加氣結束后對管線進行吹掃。

（2）透氣管線。透氣管用于將LNG加氣管系上安全閥出口的貨物蒸氣排放至大氣中。

（3）透氣桅。在羅經甲板的頂部安裝有1套透氣桅及透氣管線。透氣桅頂端的透氣頭可以將來自透氣管線的氣體直接排入大氣。透氣頭裝有防護格柵并配備有防火網，透氣頭的材料采用不銹鋼。透氣口的高度應高于露天甲板6米以上。

（4）應急速閉按鈕。應急速閉按鈕安裝在燃料加氣站附近，并帶有30 米電纜。用于緊急情況下，迅速切斷應急速閉閥。

（5）儀表氣源。儀表氣源用于給遠程控制閥提供干燥潔凈的壓縮空氣，該系統設有低壓報警。

操作壓力：7bar 帶干燥器。

3.2.3 LNG管系和閥件

當設計溫度低于-110℃或更低時，對管系的每一分支應提交一份完整的應力分析資料供認可。

LNG管系采用不銹鋼，由管線、法蘭、管件、螺栓螺母、墊片等組成。按照船級社的要求設計。LNG充裝管線采用高真空多層絕熱低溫管，內外管之間抽真空，采用珍珠巖填充，內外管之間設有支撐塊。LNG充裝站與LNG儲罐之間的管系由廠家提供。

LNG充裝管線穿艙壁處進行絕熱處理。

3.2.4 LNG閥件

閥門需滿足規范要求，所有LNG閥門采用不銹鋼材質：液相為公稱直徑100以下：采用對焊式球閥或截止閥；氣相為公稱直徑100以下：采用對焊式球閥或截止閥；安全閥為彈簧式安全閥。在燃氣儲罐，充裝站液相管和氣相管線的合適位置安裝氣動式速閉閥以滿足規范的要求。

3.2.5 儀器儀表

所有安裝在危險區域的儀器儀表應為防爆型，并滿足該區域最低防爆等級要求。充裝管系溫度測量，應安裝溫度指示裝置在液相充裝管線和蒸氣回流管線。

3.2.6 壓力指示及報警

充裝管系壓力測量， 應安裝壓力指示裝置在液相充裝管線和蒸氣回流管線。

3.2.7控制系統

啟動器是LNG泵電機啟動器與控制柜集成在一起。

主控制板，在集控室設有一套主控制臺，集中對燃氣系統及設備進行控制。主控制系統采用可編程控制器進行控制和管理。同時設有一套人機顯示界面，用于顯示和管理整個燃料供應系統，根據船舶規范，駕駛臺需提供必要的報警功能。所有的系統及設備根據廠家的標注以及規范和公約要求，提供必要的報警及速閉功能。

在主控制站，可對儲罐的壓力、液位進行監測，同時，還可執行高液位報警及自動切斷功能。

燃氣供應系統相關聯的裝置在集控室內的主控制站上進行遠程控制與監控，包括LNG燃料加氣控制，LNG燃料充裝控制，冷卻/加熱系統，氣體探測系統，LNG儲罐液位/溫度/壓力指示及報警，儲罐處所內的溫度指示及報警，應急速閉系統的控制。

4 結語

本套LNG加氣系統經本次研究得到以下結論：

本系統對幾種LNG加氣方式進行了比較，采用最適合本項目的軟管加氣，極大程度上的減少了建造成本，也降低了設備維修難度。