LNG加注船液貨系統的設備配置及操作分析

胡秀媛

(大連中遠海運重工有限公司, 遼寧 大連 116113)

0 引 言

近年來,隨著全球液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的運輸和應用需求不斷增多,LNG燃料動力船的數量不斷增加,其燃料供給和加注技術越來越受人們的關注[1]。為保證LNG燃料動力船順利投入使用,通常要求能源加注配套產業能滿足不同港口的LNG裝卸需求和不同LNG燃料動力船的加注需求。目前,LNG燃料動力船的LNG加注主要有槽車對船加注、岸站對船加注和船對船加注等3種方式,其中:

1) 采用槽車加注,方便靈活,但充裝量較小,僅適于在防爆性碼頭為小型LNG燃料動力船加注,若為大型LNG燃料動力船加注,需延長船舶靠港時間,這會影響其作業周期;

2) 采用岸站對船加注,不僅需考慮LNG岸站作業窗口期,而且加注成本較高;

3) 船對船加注具有無需船舶進出港口、機動性強、燃料充裝量大和加注速度快等優點,最重要的是能避免在人員密集區域作業引發安全隱患,因此該加注方式得到了廣范應用。

隨著LNG燃料動力船不斷增多,主流船舶營運公司已加大對LNG加注船的建造投入。液貨系統作為LNG加注船的核心系統,具有設備配置復雜和操作流程嚴格等特點。本文通過對LNG加注船液貨系統的主要設備配置進行介紹,并對其操作流程進行分析,總結該系統的操作關鍵點,為類似船型的設計和實船操作提供參考。

1 LNG加注船液貨系統主要設備配置

LNG加注船液貨系統主要設備的配置需使系統在作業過程中具有加注速度快、操作靈活和蒸發氣(Boil Off Gas,BOG)處理可靠等特點,典型的LNG加注船液貨系統主要設備配置見表1。

表1 典型的LNG加注船液貨系統主要設備配置

2 LNG加注船液貨系統操作分析

對于LNG加注船液貨系統的設備配置而言,除了滿足該船的除氣、惰化、預冷和加注作業需求以外,還需滿足與LNG受注船進行作業匹配的要求。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LNG加注船液貨系統的操作進行分析。

2.1 LNG加注船液貨艙壓力溫度控制

LNG的組成成分因其來源和液化過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(例如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷)和極少量的氮,甲烷的沸點隨著壓力的增大而升高,見圖1。

圖1 甲烷沸點與壓力的關系曲線

LNG貨物通常儲存在溫度為-160 ℃的加注船液貨艙內,外部絕緣的熱傳導、船舶航行過程中LNG在液貨艙內的晃蕩和液貨泵的運行都會導致液貨艙溫度上升和壓力增加。根據中國船級社(China Classification Society,CCS)規范的要求,液貨艙的壓力和溫度應通過接受的方法保持在設計范圍內,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定壓力以下15 d。在LNG加注船上,通常配置有雙燃料發動機、發電機、氣體燃燒裝置和深冷裝置等,實現對LNG液貨艙壓力和溫度的控制。

在加注船正常航行過程中,可通過燃氣壓縮機抽吸其液貨艙內的BOG,輸送給雙燃料發動機或發電機,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的BOG,控制液貨艙的壓力,也可通過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。當采用深冷裝置時,供液泵從液貨艙底部吸入LNG,將其輸送給LNG深冷裝置進行交換冷卻,冷卻的LNG返回至液貨艙頂部噴淋管進行冷卻降溫(見圖2),也可通過注入管輸送至液貨艙底部,對整個液貨艙進行降溫控壓。

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加注船與受注船過駁匹配連接過程中,要充分考慮風和波浪的影響,最典型的船對船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]。綜合來看,第3種連接方式的應用比較多,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、軟管起吊保護裝置、軟管鞍座、應急切斷動力單元及相應的管路、防跌落裝置、船舶漂移監測裝置、控制系統及軟管吊等,見圖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,設計溫度為-163 ℃,軟管的設計、制造、原型試驗和工廠認可試驗符合EN1472-2標準[4]的要求。每根軟管的一端配置1個快速接頭,與受注船的一側連接,在開展加注作業之前快速將軟管與受注船對接;軟管的另一端與低溫拉斷閥連接,用于在應急狀態下快速斷開加注軟管,避免液貨濺出及軟管受損。LNG軟管兩側分別布置于鞍座上,在鞍座內設置防跌落控制系統,當加注船與受注船應急脫離時,控制軟管的下落速度,避免損壞船體外板。船舶漂移監測系統主要用于監測兩船的相對位置,當監測到兩船的相對位移超過設定值時,發送信號給拉斷閥控制系統,觸發拉斷閥應急拉斷。

圖3 船對船軟管連接示意圖

在LNG加注船與受注船的智能安全匹配連接中,要實現船對船通信、船對船相互切斷和船對船數據傳輸。當加注船與受注船在作業過程中出現意外時,觸發緊急切斷裝置,實現雙方的閥件同時自動關閉,保證兩船的安全。該項作業涉及的設備主要包括控制箱、光纖及光纖卷筒、電纜及電纜卷筒、測試設備熱線電話、公共電話及其他必要設備附件。

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之前需進行燃料艙干燥和惰化工作,主要目的是去除管路和艙內的水分,避免在后期裝載LNG時因溫度過低而在艙內出現結冰情況,進而導致管路堵塞或液貨泵受損。受注船上僅配置小型氮氣發生器,用于保證供氣系統管路及設備完成吹掃作業,無法滿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)氮氣發生器或液氮罐,供受注船燃料艙干燥和惰化使用。由于氮氣發生器提供的氮氣的密度比受注船液貨艙內的空氣的密度低,在操作過程中,通過氣相管將氮氣輸送至加注船液貨艙頂部,艙內的空氣從底部液相管路排至大氣中,見圖4。當檢測到液貨艙內的最大含氧量為2%,露點溫度低于-40 ℃時,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氣

LNG受注船燃料艙干燥惰化工作完成之后,需進行驅氣作業,對艙內的氮氣進行置換,避免其中所含CO2在低溫下結冰,堵塞閥門、濾器和噴嘴。在驅氣過程中,采用天然氣替換艙內的惰性氣體,可通過加注船的掃艙泵抽吸艙內的LNG輸送給強制蒸發器,產生的天燃氣的溫度控制在+20 ℃左右。由于天然氣的密度比惰性氣體的密度低,可通過氣相管路將天然氣輸送至受注船的燃料艙頂部,艙內的惰性氣體從底部液相管路排出。排出后的氮氣與天燃氣的混合物為非清潔氣源,港口當局禁止將其排至大氣中,并要求對其進行處理。由此,可將置換的氣體通過液相管返回至LNG加注船的氣體燃燒單元(Gas Combustion Unit,GCU)中處理,見圖5。當檢測到艙內氮氣的含量大于99%,CO2的含量小于1%時,受注船驅氣完成。

2.5 LNG加注船為受注船燃料艙冷艙

驅氣作業完成之后,需對受注船燃料艙及其管路進行預冷,避免直接加注LNG產生較大的溫差,導致管路、液罐和輸送泵應力過大。在冷艙過程中,加注船掃艙泵抽吸艙內的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行冷艙作業,艙內的氣體可通過氣相管輸送給加注船處理,也可通過加注船的GCU設備進行燃燒,同時可利用雙燃料發電機消耗,見圖6。在冷卻過程中,監測燃料艙頂部、中部和底部溫度傳感器測量的數據,控制冷卻速度,當燃料艙的溫度傳感器監測到的溫度小于等于-130 ℃時,預冷工作完成,見圖7。

圖6 受注船燃料艙冷艙示意圖

圖7 受注船燃料艙預冷溫度隨時間的變化曲線

2.6 LNG加注船為受注船燃料艙加注

LNG受注船預冷完成之后,可對其進行加注作業。為控制加注船液貨艙和受注船燃料艙內的溫度和減少BOG,在初始加注時需采用小流量輸送方式,控制液相管路內流體的速度不超過8 m/s,氣相管路內流體的速度不超過25 m/s,通過頂部加注對受注船燃料艙進行預冷降溫,在預冷過程中應確保雙方加注管路及附件的溫度達到預定的溫度[5]。LNG加注船液貨艙內通常配置有2臺輸送泵,既可滿足互為備用的需求,又可根據不同受注船燃料艙的大小進行靈活加注。

啟動加注船LNG輸送泵,打開LNG輸送泵出口閥件,通過液相管將LNG輸送給受注船的燃料艙,艙內產生的BOG通常采用3種方式消耗,其中:第1種方式是通過氣相管自然回流返回至LNG加注船的液貨艙內;第2種方式是利用加注船上的壓縮機將受注船的BOG抽至GCU或發電機中進行燃燒處理,見圖8;第3種方式是利用受注船上的雙燃料發電機進行燃燒處理。加注船也可利用掃艙管線使LNG回流至蒸發器中,產生的BOG從氣相管輸送至燃料艙內用于平衡艙壓。

圖8 受注船燃料艙加注

3 LNG加注船液貨系統操作關鍵點

1) 在進行LNG加注作業時要考慮水流、風和波浪的影響,避免在船對船加注過程中因天氣因素而觸發拉斷閥應急切斷;

2) 在對受注船燃料艙進行干燥惰化過程中,要實時監測艙內的含氧量和露點溫度,控制艙內的最大含氧量為2%,露點溫度低于-40 ℃;

3) 在對受注船燃料艙進行驅氣過程中,打開加注船的GCU設備,將受注船燃料艙排出之后的氮氣與天燃氣的混合氣充分燃燒;

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

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

6) 在為受注船加注LNG時,控制加注速度,受注船液貨艙內產生的BOG可自由回流至加注船的LNG液貨艙內,也可作為燃料供加注船上的LNG發電機燃燒使用。

4 結 語

本文研究了LNG加注船液貨系統設計過程中涉及到的液罐配置選型、再液化裝置處理BOG的能力計算和船舶規范與規則的要求等關鍵技術。通過對典型LNG加注船的液貨系統進行分析,全面介紹了液貨系統的主要設備配置,深度剖析了各設備的特性和工作原理,逐一介紹了液貨系統在1個完整的LNG加注作業流程中各環節的操作并提煉了操作注意事項。研究所得結論可為LNG加注船液貨系統的設計和操作提供參考。