小型LNG運輸船改裝加注功能的設(shè)計要點分析

梁斌，鄭坤，周毅

(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)

液化天然氣(LNG)作為潔凈的一次能源，在航運業(yè)越來越受到重視。據(jù)統(tǒng)計，到2020年，全球LNG燃料海船新訂單將達到千艘。屆時，全球每年將需要400萬～700萬t LNG船用燃料。國內(nèi)隨著LNG動力船舶建造數(shù)量的增加，對LNG動力船舶的氣試作業(yè)和加注作業(yè)的需求也開始上升，但目前國內(nèi)沒有在建或運行的LNG加注船。

中國海油憑借其在沿海眾多的LNG接收終端布局和豐富的船對船過泊作業(yè)經(jīng)驗，希望能在船對船LNG加注產(chǎn)業(yè)上實現(xiàn)突破，占據(jù)市場先機。如何在最短的時間內(nèi)應(yīng)對市場的需求，實現(xiàn)突破，又能最大程度上減少初投資，降低項目風(fēng)險，成為一個迫切的問題。中國海油計劃利用小型LNG運輸船“海洋石油301”(簡稱“301船”)的富裕運力，在保留運輸能力的基礎(chǔ)上改造加注能力。以最小的投資，在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)加注作業(yè)能力的突破。為了確保改造工程能順利實現(xiàn)，需要對改造方案要點進行分析，以期對改造工程規(guī)模和難度有清晰的了解和把控。

1 總體布置改造方案

改造方案的總體布置原則。

1)對空船重量重心和受風(fēng)面積的變化進行評估，避免其變化對穩(wěn)性、載重線以及船體強度帶來不可接受的影響。

2)要保證改建部分滿足相應(yīng)法規(guī)。

3)要盡可能減少對現(xiàn)有設(shè)備、管系和結(jié)構(gòu)等的影響，以期減少改造工作施工量。

總體布置改造方案見圖1。

在貨艙區(qū)域前部設(shè)置首加注集管區(qū)，并配套安裝1臺軟管吊，在該吊車范圍內(nèi)安放1個副靠球。臨近集管區(qū)位置新建1個干粉間。在貨艙區(qū)前后各布置1臺橫向系泊絞車和相應(yīng)的導(dǎo)纜器。在中部露天甲板新建1個深冷機組間和深冷機組電氣室。在原軟管吊作業(yè)范圍內(nèi)安放4個主靠球。在艉部系泊區(qū)上方增建1個焚燒裝置(簡稱GCU)間，并加設(shè)配套的緩沖罐。艉部左舷設(shè)置一個副靠球和配套的吊車，右舷現(xiàn)有物料吊附近設(shè)置一個副靠球。在貨艙區(qū)新設(shè)加注軟管儲放平臺。

根據(jù)CCS《船舶重大改裝實施指南》(簡稱《改裝指南》)第1章對船型的定義：就法定要求而言，系指該指南中所涉及各公約各篇章所對應(yīng)的船舶類型；就入級要求而言，系指CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》所給出的船舶類型[1]。盡管加注船符號是“特殊任務(wù)附加標(biāo)記”，但實質(zhì)上是一種特殊的“船舶類型附加標(biāo)記”，因此，LNG加注船改造工程改變了船舶類型，屬于船舶重大改裝。要在滿足原船執(zhí)行的規(guī)范規(guī)則的基礎(chǔ)上，首先考慮原船執(zhí)行規(guī)范規(guī)則的更新，其次考慮加注船級符號帶來的有關(guān)規(guī)范規(guī)則。

《改裝指南》第2章要求載重線和穩(wěn)性需要滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測算，“301船”改造后空船重心有一定的變化，因此，空船重心和穩(wěn)性需要重新測量和計算，但微調(diào)裝載工況后，載重線吃水不發(fā)生改變。對“301船”穩(wěn)性重新校核后表明,改造后的滿載吃水沒有超過設(shè)計最大吃水，艉傾略有增大，總縱強度應(yīng)力水平相比改造前略有增加，但相比許用彎矩和剪力，仍然有很大的富裕。壓載工況下的最大盲區(qū)長度在艉傾增加的情況下仍然滿足SOLAS的要求。

圖1 改造后的總布置圖(粗線框內(nèi)為主要修改內(nèi)容)

《改裝指南》第5章指出：船舶類型的改變，是指在油船、具有裝載散裝油類的貨物處所的非油船和其他非油船三種類型之間的改變。由于“301船”改造不屬于在這3種類型之間的改變。同時由于改造不涉及船舶線型，滿載排水量、設(shè)計載重量和快速性都沒有發(fā)生變化，因此，無需按照MARPOL對防污染和EEDI的要求重新校核。

2 加注集管區(qū)的布置

加注集管區(qū)的布置需要解決以下幾個問題：是否需要加設(shè)專用的加注集管區(qū)以及加注集管區(qū)設(shè)于何處；加注集管區(qū)和受注船的兼容性；加注系統(tǒng)的船對船接駁方式。

由于LNG運輸船原集管區(qū)在采用軟管加注的方式下可以兼作加注集管區(qū)，因此，是否需要加設(shè)專用的加注集管區(qū)取決于加注作業(yè)時加注集管區(qū)和受注船的位置是否匹配。

加注服務(wù)的目標(biāo)船以22 000 TEU集裝箱船、11 000 TEU集裝箱船、40萬t礦砂船、21萬t散貨船、30.8萬t原油船進行分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)散貨船(包括礦砂船)受注站的位置需要安置在貨艙區(qū)域相對靠前的位置。“301船”舯部的加注站可以實現(xiàn)加注作業(yè)，但如果在盡可能靠艏的位置設(shè)立加注站，有利于受注站的位置盡量靠近散貨船艉部，縮短受注站到燃料艙的管路長度。大型集裝箱船無論受注站位于前部上層建筑還是后部上層建筑都無法和“301船”舯部集管區(qū)/加注站匹配，需要在盡可能靠“301船”艏部位置設(shè)立加注站。由于液貨船自身的集管區(qū)位于船舯，LNG加注管可以和自身的集管區(qū)統(tǒng)一考慮布置，因此，可以采用“301船”舯部的加注站進行匹配。

根據(jù)SGMF的建議，受注船的氣液接口布置按圖2進行，8 in管間距不小于1.25 m。鑒于新設(shè)加注站主要用于船對船加注作業(yè)，為便于現(xiàn)場采用快速接頭，新設(shè)加注站集管區(qū)按L-V-L的順序布置3個8 in的接口，接口間距1.25 m。這種布置對受注船均有良好的兼容性。

船對船接駁設(shè)備主要有以下3種類型：專用軟管吊、船用加注臂、軟管加軟管吊組合。加注臂和專用軟管吊的定制化、專用化特征很明顯，很難兼容不同氣液接口。設(shè)備的作業(yè)包絡(luò)線的下界較小，側(cè)向作業(yè)距離有限，需要在兩舷分別安裝，會導(dǎo)致投資大幅增加。目前應(yīng)用案例極少，可靠性和價格缺乏競爭力。軟管加軟管吊的類型由于適應(yīng)性強、造價低、重量輕、無泄漏、對船的相對運動要求低，因此,改造方案考慮采用軟管加軟管吊的方式。

3 系泊系統(tǒng)評估以及靠球的選取

根據(jù)OCIMF的《Mooring Equipment Guidelines》(簡稱MEG)3.9的要求，加注作業(yè)中的兩船之間不適合布置橫纜，推薦前后各2根倒纜，其余應(yīng)多布置艏艉纜以滿足兩船系泊的要求[2]，因此，“301船”需要在貨艙區(qū)域前后各布置1臺雙卷筒橫向絞車。

圖2 受注站的氣液接口布置要求和新增加注站的氣液接口布置

“301船”由于舾裝數(shù)大于2 000，根據(jù)IACS在2017年3月的UR A2要求，需要按側(cè)受風(fēng)面積選取纜繩和系泊設(shè)備，通過核算，該要求并未超出現(xiàn)有纜繩和系泊設(shè)備能力。因此，無須考慮改造現(xiàn)有系泊設(shè)備。

OCIMF《船對船傳輸指南》提供了一種基于等效排水量系數(shù)的快速護舷選取表，見表1。

表1 OCIMF標(biāo)準(zhǔn)船對船傳輸操作時護舷選取快速參考[3-4]

按22 000 TEU集裝箱船和“301船”的滿載排水量計算，等效排水量系數(shù)在51 000左右，選擇使用3.3 m×6.5 m的50 kPa靠球或者3.3 m×4.5 m的80 kPa靠球。在布置可行的前提下應(yīng)該優(yōu)先考慮選用50 kPa的靠球。

為防止靠泊作業(yè)期間由于疏忽大意而造成兩船之間的接觸，通常在船艏艉設(shè)置輔助碰墊，依據(jù)LNG海上駁運操作統(tǒng)計，選取2個直徑2 m、長3.5 m的輔助碰墊。

4 貨物/加注系統(tǒng)的改造

LNG運輸船裝卸貨作業(yè)時產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)均由碼頭調(diào)壓后進入管網(wǎng)或者由火炬塔處理。但加注船需要船上具備處理加注作業(yè)中產(chǎn)生的BOG，甚至還需要處理驅(qū)氣作業(yè)中置換出的高氮氣含量天然氣的能力，GCU成為了必備的改造增設(shè)內(nèi)容,因此,加注船的BOG處理系統(tǒng)是和原LNG運輸船最大的差異所在。

“301船”的氮氣發(fā)生器能力為900 m3/h, 干燥空氣發(fā)生能力4 900 m3/h[5]，可以用于燃料艙及2船的液相管和氣相管路干燥、惰化。達飛的箱船燃料艙18 600 m3，按3倍體積計算，干燥、惰化時間約為62 h，作業(yè)能力在正常范圍內(nèi)。

驅(qū)氣作業(yè)是用天然氣驅(qū)除惰化后液艙中的惰性氣體。天然氣來源于加注船液貨的強制蒸發(fā)，產(chǎn)生的混合氣輸回加注船，送至GCU燒掉。

表2列出驅(qū)氣時間與蒸發(fā)氣產(chǎn)量的關(guān)系。

表2 驅(qū)氣方案作業(yè)方案

驅(qū)氣作業(yè)能力需要從3個方面考慮。

1)蒸發(fā)氣生產(chǎn)能力。“301船”已經(jīng)配置的強制蒸發(fā)系統(tǒng)的最大產(chǎn)量是2 000 kg/h，溫度20 ℃。

2)回氣能力。按照22 000 TEU箱集裝箱船的燃料艙設(shè)計要求，艙壓達到40 kPa時啟動回氣，“301船”的正常艙壓可以控制在30 kPa，2艙之間的壓差維持在5 kPa以上即可自流回氣，無需專用的回氣設(shè)備。

3)GCU處理能力。GCU的處理能力應(yīng)與驅(qū)氣作業(yè)中的蒸發(fā)氣產(chǎn)量相當(dāng)。標(biāo)稱處理能力為1 500 kg/h的GCU，實際處理能力1 800 kg/h(70%CH4，30%N2)。GCU的燃料氣須滿足供氣壓力為6～750 kPa的要求。“301船”現(xiàn)有的BOG壓縮機，處理能力1 800 kg/h(蒸發(fā)氣的密度約為1.785 5 kg/m3)，因此，驅(qū)氣作業(yè)方案具有可行性。

在受注船的艙壓高于加注船艙壓，避免產(chǎn)生閃蒸的前提下，BOG處理能力只需要消化2船滲入熱和貨泵帶入的動能和熱能，以22 000 TEU集裝箱船為例，分主機消耗BOG(DFDE模式)和不消耗BOG(無DFDE 模式)2種工況，回氣速率數(shù)據(jù)見表3。加注作業(yè)過程蒸發(fā)氣平衡計算見表4。

表3 22 000 TEU集裝箱船回氣工況

表4 22 000 TEU集裝箱船加注作業(yè)過程蒸發(fā)氣平衡計算

由表4可見，在DFDE工作模式下，1.5 t/h的GCU已經(jīng)具備處理加注作業(yè)過程蒸發(fā)氣的能力。但在無DFDE工作模式下還有約1.0 t/h的處理能力缺口。因此,安裝1臺1.0 t/h的再液化裝置用以增強處理蒸發(fā)氣的能力可以作為1個可選方案。

5 計量系統(tǒng)的改造

新加坡《TECHNICAL REFERENCE LNG bunkering》明確規(guī)定了LNG采用能量計量的方式。使用科氏質(zhì)量流量計計量加注質(zhì)量。組分分析儀的采樣方式可以采用在線取樣方式，也可以采用氣體樣品容器進行現(xiàn)場抽樣的方式[6]。

從“ENGIE ZEEBRUGGE”號加注船的加注記錄來看，其加注過程中僅對動力系統(tǒng)和GCU采用質(zhì)量流量計進行了燃氣計量，采用CTS系統(tǒng)對加注前后貨物體積計量，得到了加注LNG和回氣的體積。貨物組分和密度采用了碼頭裝貨的數(shù)據(jù)。可見目前加注計量方式還是取決于買賣雙方達成的協(xié)議。

“301船”配備有經(jīng)獨立第三方和主管當(dāng)局核準(zhǔn)的用于監(jiān)測駁運操作的CTS系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠精度的連續(xù)測量能力，可以用于加注作業(yè)的計量。建議改造中預(yù)留計量撬和組分分析儀的安裝位置和基座，今后視加注市場需求增設(shè)。

6 其他改造內(nèi)容

6.1 消防系統(tǒng)

根據(jù)《重大改裝指南》第3章要求，“301船”的防火、探火和滅火對于改造新增部分需要滿足現(xiàn)行有效規(guī)范規(guī)則。新增設(shè)備主要包括：水霧噴淋泵、干粉滅火系統(tǒng)、艏部加注站水幕系統(tǒng)和水霧噴淋系統(tǒng)、新增深冷機組的CO2滅火系統(tǒng)。

6.2 PMS系統(tǒng)改造

PMS系統(tǒng)需要為新增設(shè)備設(shè)置重載問詢功能。新增設(shè)備用電負荷較大，因此,需要根據(jù)加注作業(yè)的最大功率值，確定加注工況下電站可用率的最小數(shù)值，來設(shè)置對電力推進系統(tǒng)功率限制的要求。

6.3 照明/警示燈光

規(guī)范要求加注作業(yè)時必要的設(shè)施及操作地點應(yīng)有照明以滿足作業(yè)照度要求。每個加注站各設(shè)兩個500 W投光燈，其中一路由應(yīng)急電源供電。規(guī)范還要求加注船與受注船之間區(qū)域應(yīng)有良好照明，在“301船”的艉、舯、艏的兩舷各設(shè)置兩個500 W投光燈，其中一路由應(yīng)急電源供電。

規(guī)范要求由營業(yè)室至救生設(shè)備登乘處的脫險通道應(yīng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的燈光或光致發(fā)光條顯示標(biāo)志。加注作業(yè)區(qū)中易于觀察的位置安裝可自動和手動控制的紅色警示燈，警示燈在加注過程開始時自動啟動。除相關(guān)規(guī)范明確規(guī)定外，還應(yīng)對下列各處提供應(yīng)急照明。

1)貨物控制室、營業(yè)室、加注設(shè)備就地操作位置。

2)加注船與受注船的人員通道(如適用)。

3)加注設(shè)備與受注船的連接處。

4)布置有加注設(shè)備的區(qū)域及其通道。

6.4 電力系統(tǒng)改造方案

對電力系統(tǒng)的改造主要是由于新增和改造加注設(shè)備的供電和監(jiān)控，以及安全的要求，為加注船增加GCU、再液化設(shè)備和安全有關(guān)系的系統(tǒng)或設(shè)備。

6.5 內(nèi)部通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)

與大型LNG船的船岸連接系統(tǒng)需遵循ISO 28460標(biāo)準(zhǔn)不同， LNG加注船船船連接系統(tǒng)并沒有適用的國際標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段多數(shù)采用通用安全連接系統(tǒng)(USL)。該系統(tǒng)既滿足LNG加注船的船岸和船船連接需求，又簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本。為使本項目滿足《液化天然氣燃料加注船舶規(guī)范》和ISO、IGF對加注船的要求，本項目對控制、報警、通信的系統(tǒng)改造主要包括：新增1套CCTV系統(tǒng)；每個加注站區(qū)域增加2個氣體探測系統(tǒng)手動報警按鈕用于啟動報警；新增1套USL系統(tǒng)；增加1套ESD系統(tǒng)；新增1套聲力電話系統(tǒng)。

7 結(jié)論

通過對“301船”加注功能改造的設(shè)計要點的分析，明確該船改造工作范圍和內(nèi)容，確定重要技術(shù)參數(shù)，為后續(xù)的投資決策提供必要的支持。

LNG加注功能改造是相對冷門的技術(shù)領(lǐng)域，和新造船項目有共通之處，但有其特殊性。需要注意LNG運輸船加注改造涉及的技術(shù)要點和改造內(nèi)容不限于本文所述部分，不同的LNG運輸船改造前的不同技術(shù)狀態(tài)會帶來不同的改造內(nèi)容和技術(shù)要點。