內(nèi)河小型LNG加注船貨物系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

李岳洋，劉波濤，王 飛

(江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

隨著內(nèi)河船舶油改氣項(xiàng)目的蓬勃發(fā)展和積極推廣，采用LNG作為船舶動(dòng)力燃料，對(duì)于構(gòu)建現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系，調(diào)整優(yōu)化沿河地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局，促進(jìn)節(jié)能減排和區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)內(nèi)河水運(yùn)綠色發(fā)展具有十分重要的意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展船舶油改氣項(xiàng)目很多，然而內(nèi)河沿江流域建立岸上加氣站手續(xù)繁瑣，尤其消防評(píng)估及防洪評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，相關(guān)法規(guī)還不完善、健全，導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)整體更新后的很多LNG雙燃料船舶及LNG單燃料動(dòng)力船舶無(wú)法得到及時(shí)加氣。

本文結(jié)合一艘小型LNG加注船的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，對(duì)圍繞液態(tài)天然氣的儲(chǔ)存、布置、加注系統(tǒng)、貨物壓力/溫度控制以及貨物區(qū)域環(huán)境控制等進(jìn)行較為全面的分析研究，并初步制定實(shí)船的可行性設(shè)計(jì)方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 主尺度的初步確定

根據(jù)本船的實(shí)際停泊區(qū)域、作業(yè)功能要求情況以及船東要求等綜合因素，經(jīng)過(guò)多種方案設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)比，最終確定本船的主尺度如下：

船長(zhǎng)

33.0 m

船寬

6.2 m

型深

3.0 m

吃水

2.0 m

肋距

0.5 m

雙燃料主機(jī)型號(hào)

WHM617C245-1DF

主機(jī)功率

180 kW

額定轉(zhuǎn)速

1 000 r/min

航速

12 km/h

LNG儲(chǔ)氣罐容積

100 m3

船員

4人

航區(qū)

A級(jí)航區(qū)

1.2 總體布置

某小型LNG加注船的總體布置如圖1所示。

本船為全電焊鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。其機(jī)艙區(qū)域?yàn)閱蔚纂p舷結(jié)構(gòu)，貨艙區(qū)域?yàn)殡p底單舷側(cè)結(jié)構(gòu)。艏艉尖艙為單底單舷結(jié)構(gòu)；除貨艙區(qū)域采用縱骨架式外，其余結(jié)構(gòu)采用橫骨架式。

本船主甲板以下從艉部至艏部依次設(shè)有艉尖艙、壓載艙、燃油艙、機(jī)艙、隔離艙、液貨艙、隔離艙、壓載艙、艏尖艙。

主甲板設(shè)有廚房、衛(wèi)生間、客廳、船員室、防護(hù)用品室、干粉和氮?dú)馐壹柏浳锟刂剖摇?/p>

船員頂篷甲板設(shè)有充放電室、蓄電池室，船員室及駕駛室。

設(shè)置干粉室主要用于撲滅貨物區(qū)域甲板上的火災(zāi)(包括甲板上的貨物液體)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，立即啟動(dòng)干粉滅火系統(tǒng)。干粉滅火系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高速的氣粉流，從干粉炮或干粉槍的噴嘴中噴出，迅速射向LNG火源，起到迅速撲火或抑制火災(zāi)的作用。設(shè)置氮?dú)馐抑饕糜贚NG儲(chǔ)罐本身管路、LNG加注管路及氣體發(fā)電機(jī)組燃料供氣管路的惰化、吹掃，以避免儲(chǔ)氣罐和LNG燃料管路中出現(xiàn)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境。

貨物控制室主要是用于對(duì)船舶加注管系、補(bǔ)給管系、加注設(shè)備及LNG儲(chǔ)氣罐控制、監(jiān)測(cè)和安全系統(tǒng)等集中控制。

1.3 貨物圍護(hù)系統(tǒng)的確定

加注船貨物圍護(hù)系統(tǒng)指用于LNG儲(chǔ)存的裝置(LNG獨(dú)立液貨艙)，包括所設(shè)的主屏蔽和次屏蔽及附屬的絕熱層和屏蔽間處所，還包括必要時(shí)用于支持這些構(gòu)件的鄰接結(jié)構(gòu)。本船的貨物圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為真空絕熱C型獨(dú)立液貨艙[1](C型LNG低溫儲(chǔ)罐)，容積為100 m3儲(chǔ)氣罐，設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa，承受低溫-163 ℃。內(nèi)、外容器采用鋁合金、不銹鋼材料或者9%Ni鎳鋼[2]，無(wú)需設(shè)計(jì)次屏蔽。這種設(shè)計(jì)目前是可以考慮不用布置貨物圍堰系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化船體部分建造設(shè)計(jì)難度，同時(shí)降低建造成本。

圖1 某小型LNG加注船總布置圖

如果采用貨物圍堰系統(tǒng)，需在貨艙內(nèi)底板上方加不銹鋼材料的承滴盤(pán)(又稱次屏蔽)，承滴盤(pán)的容量能滿足100 m3LNG儲(chǔ)氣罐全部泄露時(shí)的最大承載量，并且考慮隔熱措施以防止船體結(jié)構(gòu)隨溫度的下降而變形。目前,還有采用比較普遍的水泥混凝澆注圍堰等。

C型LNG低溫儲(chǔ)罐安裝于貨艙區(qū)域大開(kāi)口下的內(nèi)底板上。為方便集中管理與控制，儲(chǔ)罐后方布置有貨控室。小型LNG加注船舶的加注設(shè)備一般設(shè)置在艏部或者中部。本船布置的特點(diǎn)是，儲(chǔ)罐前方留有足夠的空間，便于布置加注設(shè)備，同時(shí)也可以根據(jù)客戶要求設(shè)計(jì)不同貨物圍護(hù)系統(tǒng)形式，采用上出液內(nèi)置LNG低溫泵。船員住艙與貨控室、液貨艙之間空出兩檔肋位，使貨艙區(qū)域與居住區(qū)域有足夠的安全距離。

2 加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船用LNG 加注系統(tǒng)的作用是為L(zhǎng)NG 燃料動(dòng)力船進(jìn)行燃料加注。其工作原理是：LNG 液體由真空儲(chǔ)罐通過(guò)儲(chǔ)罐內(nèi)的潛液泵，打入低溫管道，充裝入加注船的LNG 儲(chǔ)存裝置；儀表風(fēng)系統(tǒng)為自動(dòng)控制閥門(mén)提供動(dòng)力來(lái)源；在此過(guò)程中，PLC 控制系統(tǒng)采用各控制點(diǎn)遠(yuǎn)傳的信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算、分析、控制、處理。

2.1 加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)1只100 m3真空絕熱LNG儲(chǔ)氣罐，布置在貨艙區(qū)域；設(shè)2臺(tái)TC-34型低溫潛液泵，布置在儲(chǔ)氣罐內(nèi)，每臺(tái)流量40 m3/h，揚(yáng)程220 m。2臺(tái)泵可同時(shí)使用，也可互為備用。

系統(tǒng)在主甲板左右舷分別設(shè)置加液口和回氣口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LNG燃料動(dòng)力船舶的加注和LNG岸基站的加注。距離主甲板約3 000 mm的左右舷加注平臺(tái)上分別設(shè)有補(bǔ)液口和回氣口，可以實(shí)現(xiàn)LNG岸基站和LNG槽車(chē)對(duì)本船的補(bǔ)給功能。對(duì)外加注采用吊機(jī)+軟管吊的方式進(jìn)行作業(yè)。軟管在非工作狀態(tài)擱置在主甲板格柵平臺(tái)的擱架上，防止軟管的非正常滑動(dòng)或破損。

加注系統(tǒng)中的緊急切斷閥由船上的壓縮空氣系統(tǒng)提供氣源。

加注系統(tǒng)管路中設(shè)2臺(tái)低溫質(zhì)量流量計(jì)：1臺(tái)CMF300和1臺(tái)CMF100，分別用于計(jì)量液相和氣相流量，差值為對(duì)受注船燃料罐的加注量。

2.2 加注系統(tǒng)工藝流程

(1)卸車(chē)流程：LNG 槽車(chē)/LNG加注躉船→管道→LNG 儲(chǔ)罐。

LNG槽車(chē)將LNG 運(yùn)至靠近加注船的岸邊，管道與卸車(chē)口連接，通過(guò)卸車(chē)口、管道、閥門(mén)等將LNG 注到加注船的LNG 低溫儲(chǔ)罐中。也可以采用LNG加注躉船將LNG 運(yùn)至靠近加注船的管道與液相口連接，通過(guò)液相口、管道、閥門(mén)等將LNG 注到加注船的LNG 低溫儲(chǔ)罐中。

(2)加液流程：LNG儲(chǔ)罐→LNG潛液泵→計(jì)量裝置→加液軟管→LNG燃料動(dòng)力船。

給LNG燃料動(dòng)力船加注時(shí)，先將專用的LNG加液軟管與LNG燃料船上氣液相接口相連接，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG潛液泵將LNG輸送到計(jì)量裝置，液體經(jīng)過(guò)計(jì)量后通過(guò)加液軟管加注到LNG燃料船儲(chǔ)罐，在計(jì)量裝置處顯示質(zhì)量(或標(biāo)方數(shù))和價(jià)格。

2.3 貨物壓力/溫度控制

貨控室布置在鄰近液貨艙、儲(chǔ)罐處，將儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)有的壓力、溫度、液位等傳感器遙測(cè)傳感器集中布置在貨控室。同時(shí)貨物加注系統(tǒng)管路上的電氣動(dòng)控制閥、低溫泵的遙控等也與上述傳感器集中布置在控制位置[1]。在選擇溫度、壓力傳感器時(shí)需要注意到以下幾點(diǎn)：

(1)必須是本安型的或者防爆型的，防爆等級(jí)不小于IIA T2。

(2)正常使用的測(cè)量范圍在靜壓下不超過(guò)測(cè)量上限的3/4，不低于測(cè)量上限的1/4。

(3)傳感器材質(zhì)采用不銹鋼，適用于露天安裝的防護(hù)等級(jí)IP67，響應(yīng)時(shí)間快，不大于0.2 s，精度較高的產(chǎn)品。

3 貨物區(qū)域的環(huán)境控制

貨物區(qū)域的環(huán)境控制包括貨艙區(qū)氣體危險(xiǎn)區(qū)的可燃?xì)怏w探測(cè)和通風(fēng)驅(qū)氣，以及貨物系統(tǒng)及管路的驅(qū)氣/惰化。

3.1 貨物系統(tǒng)惰化

由于LNG儲(chǔ)罐首次使用前必須對(duì)容器進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，以及管線需要進(jìn)行驅(qū)氣等，所以需布置一定量的氮?dú)馄俊１敬诟煞鄣獨(dú)馐铱傮w規(guī)劃時(shí)，已預(yù)留有相應(yīng)空間。氮?dú)馄咳萘坑?jì)算與置換前驅(qū)氣壓力為3～5 kPa，儲(chǔ)罐總?cè)莘e為100 m3，計(jì)算后需2～4瓶40 L氮?dú)馄?充裝壓力15 MPa)。

3.2 可燃?xì)怏w探測(cè)

對(duì)于液貨艙、貨控室(氣體危險(xiǎn)區(qū))、隔離艙(機(jī)艙與液貨艙之間)以及LNG加注區(qū)域這些處所，因可能積聚泄漏的蒸發(fā)氣體，所以應(yīng)設(shè)置固定安裝的氣體探測(cè)系統(tǒng)和聲光報(bào)警器。

3.3 貨艙區(qū)通風(fēng)與驅(qū)氣

3.3.1通風(fēng)設(shè)計(jì)要求

上述貨艙區(qū)域封閉處所，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[5]如下：

(1)氣體危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)采用負(fù)壓通風(fēng)。

(2)通風(fēng)系統(tǒng)的換氣次數(shù)應(yīng)不小于30次/h。

(3)風(fēng)機(jī)應(yīng)采用無(wú)火花型防爆風(fēng)機(jī)，如船用防爆軸流風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11800—2008中的I型和V型風(fēng)機(jī)。

(4)注意進(jìn)、排風(fēng)口的布置。

項(xiàng)目中，采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械式負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)相合的方案，既滿足了法規(guī)要求，又節(jié)約了建造成本。

3.3.2貨艙通風(fēng)

貨艙艙口圍板與儲(chǔ)罐間設(shè)計(jì)為風(fēng)雨密結(jié)構(gòu)。把貨艙當(dāng)作通常不進(jìn)入的處所，通風(fēng)系統(tǒng)采用自然對(duì)流通風(fēng)。在主甲板兩舷對(duì)稱布置鵝頸式自然通風(fēng)筒。為進(jìn)入該處所安全需要，船上需配備2臺(tái)認(rèn)可型防爆風(fēng)機(jī)和便攜式可燃?xì)怏w探測(cè)器。當(dāng)有人員進(jìn)入時(shí)，要求在進(jìn)入前需檢測(cè)甲烷氣體濃度，并進(jìn)行有效驅(qū)氣通風(fēng)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于目前還沒(méi)有完備的LNG加注船法規(guī)，本文結(jié)合現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范對(duì)內(nèi)河小型LNG加注船貨物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置進(jìn)行了初探，認(rèn)為在該類型船舶的設(shè)計(jì)上，只要設(shè)計(jì)選型得當(dāng)，是可以取得很好的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性的。相信隨著內(nèi)河LNG燃料動(dòng)力船舶的大力發(fā)展，內(nèi)河小型LNG加注船將具有更大的市場(chǎng)前景，并帶動(dòng)其相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的建立與健全。

參考文獻(xiàn)：

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