LNG-燃油合建加注躉船設(shè)計研究

于全虎，戴雪良

(江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

LNG-燃油合建加注躉船設(shè)計研究

于全虎，戴雪良

(江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

LNG(液化天然氣)-燃油合建加注躉船是同時具有燃油和LNG加注能力的水上加注站，可為LNG動力船舶提供LNG和燃油雙燃料補給。通過對該類船舶的LNG系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、防火及滅火、危險區(qū)域控制、監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵性問題進行的技術(shù)研究，提出了各系統(tǒng)的設(shè)計特點和設(shè)備選型原則，并以200 m3LNG-柴油合建加注躉船為例設(shè)計了船型方案。

LNG；加注躉船；技術(shù)論證

0 引言

隨著內(nèi)河LNG動力貨船的營運推廣， 水上LNG加注站點缺乏的問題日益突出。 LNG-燃油合建加注躉船是同時具有燃油和LNG加注能力的水上加注站，采用沿岸系泊的躉船作為站基載體，為LNG動力船舶提供LNG和燃油雙燃料補給。這種加注模式改變了以往LNG動力船大部分依靠岸上LNG罐車補給，以致加注損失大、連續(xù)加注能力不強的現(xiàn)狀，克服了因以可拖帶移動躉船為載體造成岸基站完全不可改變位置的缺點。隨著LNG動力船舶營運數(shù)量的增加，各種LNG加注船的市場需求也會不斷增加，因而急需開展相關(guān)配套船型的設(shè)計研究，本文以服務(wù)“京杭運河江蘇段水運應(yīng)用LNG綜合示范區(qū)” LNG動力船舶中的200 m3LNG-柴油合建加注躉船設(shè)計方案(簡稱200 m3加注躉船)為例，通過對加注躉船的LNG系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、防火及滅火、危險區(qū)域控制、監(jiān)控系統(tǒng)等提出設(shè)計要點和設(shè)備選型依據(jù)，為該類型船舶的設(shè)計提供參考。

1 規(guī)范適用

LNG-燃油合建加注躉船以中國船級社(CCS)《液化天然氣燃料水上加注躉船入級與建造規(guī)范》和中國海事局(CMSA)《液化天然氣燃料內(nèi)河加注躉船法定檢驗暫時規(guī)定》為主要規(guī)范、法規(guī)依據(jù)。需要指出的是，中國船級社2016年6月完成了《液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范》(初稿)，即將替代2014版《液化天然氣燃料水上加注躉船入級與建造規(guī)范》?？紤]到船舶的建造需要一定的周期，因此在進行200 m3加注躉船的設(shè)計研究過程中主要參考《液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范》(2016)。

CCS規(guī)范按LNG儲罐總?cè)莘e和油艙總?cè)莘e將LNG-燃油合建加注躉船分為I、II、III 3個等級。200 m3加注躉船采用200 m3LNG(單罐100 m3)和115 m3柴油的儲備量，屬于I級加注躉船，能較好地兼顧京杭運河LNG動力船的加注需求及加注躉船建造經(jīng)濟性。

2 船舶布置與防火布置

《液化天然氣燃料加注躉船規(guī)范》(2016)明確允許油艙可以布置在LNG貨艙區(qū)下方，加注躉船的結(jié)構(gòu)與布置的防火主要通過耐熱與結(jié)構(gòu)分隔、防火距離等實現(xiàn)。本船配備的LNG儲罐布置在開敞甲板上，外殼采用耐低溫不銹鋼材料制造，且管路接頭處設(shè)有冷箱(液貨艙接頭處所)，因此不設(shè)攔蓄區(qū)。上述規(guī)范對防火布置的要求是：生活區(qū)與氣體管路上軟管接頭處、管路法蘭等可能產(chǎn)生泄漏地方的水平最小距離應(yīng)不小于10 m，且當(dāng)甲板室面向LNG貨艙區(qū)的限界面有水霧系統(tǒng)保護時，甲板室與LNG貨艙區(qū)的水平最小防火間距可降至10 m。本船甲板室與LNG貨艙區(qū)的間距設(shè)為10.7 m，生活區(qū)與LNG貨艙區(qū)之間的空間已足夠布置貨油艙，因此不需要在LNG儲罐區(qū)下方設(shè)置貨油艙。

3 LNG系統(tǒng)

目前加注躉船LNG補給主要依靠岸上LNG罐車提供。LNG系統(tǒng)主要由卸車(液)系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、加液系統(tǒng)、BOG(逃逸氣體)利用系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)(包括安全放散系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、NG(天然氣)吹掃系統(tǒng)、氮氣置換系統(tǒng)、儲罐增壓系統(tǒng)、BOG增壓系統(tǒng)等)組成，其系統(tǒng)組成簡圖如圖1所示。

圖1 加注躉船LNG系統(tǒng)組成簡圖

3.1 LNG儲存系統(tǒng)

LNG儲存系統(tǒng)主要由低溫LNG儲罐及其相關(guān)低溫閥門、儀表等附件構(gòu)成。油氣合建加注躉船比較適合使用C型臥式罐，沿船長方向布置。單罐容積不宜過大，以100、175、200 m3單罐容積多罐組合的方式達到總?cè)莘e500 m3以內(nèi)的儲存量。投資允許的前提下應(yīng)首選高真空纏繞式氣罐，比真空填充式氣罐更安全可靠。200 m3加注躉船采用單罐100 m3規(guī)格的2只C型不銹鋼高真空纏繞臥式儲罐構(gòu)成LNG儲存系統(tǒng)。

3.2 LNG卸車(液)系統(tǒng)

卸車系統(tǒng)主要由卸車橇、船岸連接設(shè)備、連接管路和控制系統(tǒng)組成，主要作用是對加注躉船上的LNG儲罐補充LNG。目前內(nèi)河LNG加注躉船主要依靠岸上LNG罐車補充，但也要預(yù)先考慮到今后采用LNG加注船進行補液的發(fā)展趨勢，因此200 m3加注躉船預(yù)留了從水上補充LNG的連接設(shè)施。

卸車橇是否使用低溫卸車泵主要考慮卸車橇與加注躉船的距離。距離較長時必須使用卸車泵，即使距離較近的情況下，使用卸車泵也可加快卸液速度，減少LNG吸熱汽化，對安全性和經(jīng)濟性都有益處。卸車橇與加注躉船之間的接管應(yīng)考慮使用真空絕熱硬管連接，僅在船岸連接處使用絕熱軟管，以適應(yīng)水位變化及船舶的位移。由于軟管的絕熱性一般比硬管差，因此在滿足補償位移的前提下不易過長。

3.3 LNG加注系統(tǒng)

加注系統(tǒng)主要由加注橇、連接管路、加液軟管和控制系統(tǒng)組成，主要作用是完成LNG的加注、計量等。加注橇采用集成的方式設(shè)計，將泵及泵池、流量計、管路、閥門、儲罐增壓器、BOG儲氣罐、安全放散管路、儀表風(fēng)管路和電器控制元件等集成在冷箱內(nèi)。冷箱由耐低溫材料制成，縮小了危險區(qū)，并且無需再設(shè)LNG攔蓄區(qū)。加氣臂功能復(fù)雜，占地大，成本高，但加注速度快，安全性高，適應(yīng)性強，更適合大流量加注；加氣軟管吊投資少，設(shè)備簡單，適合內(nèi)河小流量加注，因而200 m3加注躉船采用軟管吊方案。200 m3加注躉船LNG儲存、卸車和加注系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

①LNG燃料罐 ②冷箱 ③BOG緩沖罐 ④預(yù)留運輸船液相管 ⑤預(yù)留運輸船氣相管 ⑥加氣控制柜 ⑦LNG加注遠程操作控

3.4 BOG利用系統(tǒng)

BOG(逃逸氣體)利用系統(tǒng)主要由BOG緩沖罐、汽化器、燃氣調(diào)壓器及管道、氣體發(fā)電機等裝置組成，其主要作用是將LNG儲罐內(nèi)BOG氣體用于發(fā)電，降低儲罐壓力及避免BOG排放。200 m3加注躉船采用岸電供電，應(yīng)急電源采用蓄電池組，氣體燃料發(fā)電機組設(shè)于本質(zhì)安全型機艙內(nèi)，其定位為非船舶主電源，僅僅是利用BOG氣體實現(xiàn)節(jié)能減排效果。

3.5 LNG吹掃系統(tǒng)

LNG吹掃系統(tǒng)主要由BOG儲氣罐、閥門和管路組成，用于每次加注完成后對加液管路進行吹掃除液。吹掃系統(tǒng)一般使用N2(氮氣)作為吹掃氣體，氣源使用N2瓶組或N2發(fā)生器，每次吹掃用氣量可根據(jù)吹掃系統(tǒng)的容積進行估算。一般情況下，200 m3LNG加注躉船N2裝置發(fā)生量約取為15～20 Nm3/h，500 m3LNG加注躉船N2裝置發(fā)生量約取為30 Nm3/h。若使用N2瓶組作為氣源，氣瓶儲存量可參照上述要求估算。由于氣瓶組要整體更換，在頻繁加注時可能會出現(xiàn)氣瓶供應(yīng)不及時而影響加注作業(yè)問題，因此N2裝置的造價在發(fā)生量為15～20 Nm3/h 接近情況下，200 m3加注躉船N2裝置取為20 Nm3/h，更利于加注躉船滿負荷工作。

4 燃油系統(tǒng)

4.1 加油系統(tǒng)

水上加油站加油系統(tǒng)常見有3種形式，即人工控制方式、微機控制方式和稅控加油方式。

4.1.1 人工控制加油系統(tǒng)

由人工控制油泵的啟停作業(yè)，流量計一般使用精度較低的機械式流量計，通過流量計測算累計流量，再經(jīng)計算得出當(dāng)次加油量。這種加油方式現(xiàn)已很少使用，偶見于船齡較老的水上加油站，計量精度已難以符合國家關(guān)于售油企業(yè)度量精度控制的要求。如果是企業(yè)內(nèi)部自備加油船，加油計量僅作為參考，則這種加油方式可以作為低成本方案使用。

4.1.2 微機發(fā)油控制器控制加油系統(tǒng)

系統(tǒng)核心是微機發(fā)油控制器，主要由操作編碼器、主機單元、顯示單元3部分構(gòu)成。與人工方式相比，采用IC卡和聯(lián)網(wǎng)管理，極大簡化了發(fā)油操作，提高了發(fā)油效率和精度。實現(xiàn)計算機管理，可隨時查詢各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，計量精度滿足國標(biāo)要求。

4.1.3 成套稅控微機加油機系統(tǒng)

成套稅控微機加油機系統(tǒng)這種方式最先在陸上加油站廣泛推廣使用，技術(shù)上成熟可靠，核心之一是運用大流量加油槍與油泵聯(lián)動微機控制的方式，可以和石油公司的陸上加油站聯(lián)網(wǎng)使用，數(shù)據(jù)共享；核心之二是采用正壓輸油技術(shù)，輸油泵采用潛油泵，無氣阻現(xiàn)象，非常適用于高辛烷值和添加劑油料環(huán)境。泵馬達整體浸沒在油品里，工作環(huán)境純凈，溫度穩(wěn)定，故障率低，對輸油管的長度和鋪設(shè)方式限制少，有利于靈活設(shè)計水上加油站的總體布局，是加注躉船最適合的加油方式。200 m3加注躉船采用正壓輸油技術(shù)及稅控電腦加油系統(tǒng)，在系統(tǒng)的功能性、維護性、成本控制、聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)性等方面都具有優(yōu)勢。

4.2 貨油艙液位測量系統(tǒng)

4.2.1 常用測量方法與儀器

常用液位測量方法的特點和適用性見表1。

4.2.1.1 人工液位測量

采用浸入式刻度鋼尺直接人工目視測量液位。

4.2.1.2 浮體式液位測量

浮體式液位儀是由1個空心不銹鋼球體穿在1根不銹鋼管上隨液位上下浮動。鋼管內(nèi)部設(shè)有繼電器，空心球體內(nèi)則安裝磁鐵，空心球體的運動被繼電器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的液位信號。

4.2.1.3 伺服式液位測量

伺服式液位測量方法是將漂在液面上的浮子一端掛在儀表本體上，伺服步進電機驅(qū)動體積較小的浮子，根據(jù)步進電機的計數(shù)計算出液位。

4.2.1.4 雷達式液位測量

利用雷達電子脈沖測量基準(zhǔn)點和液面之間的距離來測算液位。通過發(fā)射的電磁波脈沖遇到被測介質(zhì)表面時發(fā)生反射，回波信號與發(fā)射信號的頻率差正比于發(fā)射點至液體間的距離，換算出液位高度。

4.2.1.5 超聲波液位測量

發(fā)射出的超聲波在被測量液面產(chǎn)生反射后被接收，通過測量超聲波從發(fā)射端到接收端的時間差，結(jié)合超聲波在介質(zhì)中的傳播速度來測算液位。

4.2.1.6 差壓式液位測量

差壓式液位儀是通過液體底部壓強使半導(dǎo)體擴散硅薄膜產(chǎn)生形變而引起電橋不平衡，電路輸出電壓與液位高度相對應(yīng)的原理測量液位。

4.2.1.7 磁致伸縮式液位測量

利用磁致伸縮技術(shù)原理，通過內(nèi)部安裝的磁鐵浮子產(chǎn)生固定磁場。測量時，通過發(fā)出“詢問”電流脈沖磁場沿波導(dǎo)管傳導(dǎo)，電流磁場與浮子磁場相遇產(chǎn)生“波導(dǎo)扭曲”脈沖，“詢問”脈沖與“波導(dǎo)扭曲”脈沖的時間差對應(yīng)相應(yīng)的液位。磁致伸縮式液位測量系統(tǒng)原理如圖3所示。

表1 幾種常見液位測量方法對照表

圖3 磁致伸縮式液位測量系統(tǒng)原理圖

4.2.1.8 電容式液位測量

利用電容式傳感器極板之間充滿被測液體，液體液位高度發(fā)生變化導(dǎo)致電容傳感器的電容值發(fā)生相應(yīng)改變，電容值的變化對應(yīng)液位高度。

4.2.1.9 激光式液位測量

測量原理與超聲波液位測量相似，由傳感器發(fā)射激光照射液面，通過測算發(fā)射至接收光的時間差折算液位。

4.2.1.10 光纖式液位測量

光纖液位測量方法采用光纖作為傳感器，根據(jù)光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變，通過換算，實現(xiàn)對液位進行測量。

4.2.2 加注躉船貨油艙測量系統(tǒng)

加注躉船的貨油艙甲板上設(shè)有轉(zhuǎn)動式油艙蓋，蓋上的固定氣密觀察孔可以觀測油艙液位。此外，油艙還設(shè)有測深自閉閥，通過油尺測量油位，緊急情況下松開重錘，測量口會自動關(guān)閉。人工測量油位的方式目前雖然仍舊被廣泛采用，但是勞動強度較高，且存在安全性問題，可以作為加注躉船貨油艙液位測量的補充手段，起到簡單校驗其他類型液位計的作用。磁致伸縮液式液位測量方式測量精度高，安裝成本低，日常維護量小，壽命長，并且柴油的霧化和蒸氣以及油料表面的泡沫等都不會對測量精度造成較大影響，可同時反映油水和油氣界面位置，目前在燃油儲存和銷售行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，非常適合作為加注躉船貨油艙液位的主要測量形式。該類型測量儀表產(chǎn)品的自動化程度也非常高，適合水陸之間信息化聯(lián)網(wǎng)的需要。

200m3加注躉船采用磁致伸縮式液位儀和測深自閉閥(人工)構(gòu)成貨油艙液位測量系統(tǒng)。磁致伸縮式液位儀是主要液位測量裝置，其信號接入船上的計算機管理系統(tǒng)，并可遠傳至岸上管理中心。從已有加油船測量應(yīng)用情況可以知道，磁致伸縮式液位儀(例如TLS50液位儀)和測深自閉閥(人工手工檢尺)的測量數(shù)據(jù)偏差基本在±1 mm，最大偏差為3 mm。液位儀可以在實際使用中替代人工檢測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量的自動化。

5 滅火系統(tǒng)

加注躉船的固定式滅火系統(tǒng)中的水消防、泡沫滅火、水幕、水霧系統(tǒng)都需要壓力水源。需要注意的是，水滅火系統(tǒng)要求消火栓處的表壓不小于0.5 MPa，高于一般船舶消防對水壓力要求?？紤]管系沿程阻力損失和垂直壓力損失后，消防泵的壓力一般要求不低于0.7 MPa，完全可以兼顧泡沫泵，而水霧、水幕泵的壓力一般要求在0.5～0.6 MPa，因此該泵一般也會用來兼作壓載泵。表2列出了200 m3加注躉船的消防系統(tǒng)配備情況，圖4表示了200 m3加注躉船的艙面水消防、水幕、水霧系統(tǒng)布置情況，圖5為化學(xué)干粉系統(tǒng)布置情況。

6 危險區(qū)域控制

加注躉船的危險區(qū)域除了需要考慮LNG儲罐區(qū)和加注區(qū)的危險區(qū)域劃分要求外，對于200 m3加注躉船這樣設(shè)有氣體燃料發(fā)電機組的，還需考慮GVU箱和雙壁管的透氣管口直徑3 m內(nèi)也是1類危險區(qū)域。此外，必須結(jié)合油船的危險區(qū)域劃分要求，使危險區(qū)域相互間協(xié)調(diào)，將危險區(qū)域盡量控制在最小范圍內(nèi)，且對被加注船舶及岸基的影響最小化。圖6為機艙氣體發(fā)電機GVU箱和雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。將該系統(tǒng)的出風(fēng)口布置于頂棚上，是考慮到頂棚上電氣設(shè)備設(shè)置較少，危險氣體也易于被風(fēng)吹散，同時該出風(fēng)口形成的4.5 m半徑的球形危險區(qū)域(1類和2類)位于船體之外，為船體上各種非防爆空間和設(shè)備的布置帶來極大的便利，也不會將船上的危險區(qū)域擴大至沿岸碼頭。

表2 200 m3加注躉船固定式消防系統(tǒng)概況表

7 安保控制系統(tǒng)

安?？刂葡到y(tǒng)包括監(jiān)測和控制兩方面的功能，擔(dān)負LNG儲罐、低溫泵、站內(nèi)工藝閥門監(jiān)控和管理。監(jiān)控系統(tǒng)完成卸車、儲存、調(diào)壓、加氣等各種工藝過程的采集、控制、顯示、報警等監(jiān)控功能，需要具有參數(shù)查詢、歷史記錄查詢及報表打印等管理功能，同時要完成對加注躉船的安全狀態(tài)進行監(jiān)測，通過泄漏報警探測裝置等及時監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)泄漏隱患，并發(fā)出警報、關(guān)閉緊急切斷閥?？刂葡到y(tǒng)由溫度變送器、壓力變送器、液位計、電磁閥、PLC控制器、工控機等設(shè)備組成，船上的火災(zāi)報警系統(tǒng)也納入控制系統(tǒng)中。200 m3加注躉船設(shè)有氣體燃料發(fā)動機組，因此控制系統(tǒng)還含有對發(fā)電機及機艙的安?？刂乒δ堋?/p>

8 結(jié)語

(1)通過對LNG關(guān)鍵性系統(tǒng)和設(shè)備，以及BOG利用；燃油加油、貨油液位測量；防火及滅火、危險區(qū)域控制、監(jiān)控的分析與研究，指出了其中的設(shè)計關(guān)注點與設(shè)備選型的原則性要求。

(2)以200 m3LNG-柴油合建加注躉船為例設(shè)計了船型方案，將原則性設(shè)計研究與實船方案進行了理論與實踐結(jié)合分析。

(3)LNG-燃油合建加注躉船的設(shè)計與建造還處于起步階段，上述內(nèi)容旨在對這類船舶設(shè)計中的主要問題進行一些探討。隨著LNG動力船舶的發(fā)展，水上油氣補給站的建設(shè)必然會快速發(fā)展，其設(shè)計與設(shè)備技術(shù)水平的發(fā)展必將不斷完善、提高。

圖4 200 m3加注躉船艙面消防系統(tǒng)示意圖(水消防、水幕、水霧系統(tǒng))

圖5 200 m3加注躉船化學(xué)干粉系統(tǒng)示意圖

圖6 200 m3加注躉船機艙氣體發(fā)電機GVU箱和雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

[1] 中國船級社.天然氣燃料動力船舶規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2] 中國海事局.液化天然氣燃料內(nèi)河加注躉船法定檢驗暫行規(guī)定[M].北京：人民交通出版社，2014.

[3] 中國海事局.內(nèi)河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規(guī)定[M].北京：人民交通出版社，2013.

[4] 武維茂.電容式液位計設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[5] 齊永生，宋生奎，涂亞慶.儲油罐液位測量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 石油工程建設(shè)，2006，32(4)：1-3.

2016-08-05

于全虎(1974—)，男，高級工程師，從事船舶科研與設(shè)計工作；戴雪良(1963—)，男，研究員級高級工程師，從事科研管理工作。

U662.2

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