(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

目前，船舶的LNG燃料加注方式基本有4種：槽車對船(TTS)、岸站對船(PTS)、便攜式液罐傳輸和船對船(STS)[1]。前三種加注方式會因?yàn)榇a頭、港口及其周邊民眾的居住和日常活動的限制，僅適用于中小型的船舶[2]。對于大型船舶的LNG燃料加注問題，船對船(STS)LNG加注方式，非常適合用于在海上為大型船舶進(jìn)行LNG燃料加注[3-4]，與此相關(guān)的安全、可靠、完善的LNG燃料加注系統(tǒng)是技術(shù)關(guān)鍵。

為此，對市場上數(shù)量較多的7 000 m3LNG加注船進(jìn)行LNG加注系統(tǒng)設(shè)計。

1 設(shè)計要點(diǎn)

在設(shè)計方面需要關(guān)注的規(guī)范主要是IGC Code，SOLAS，MARPOL，ILLC等規(guī)范[5]。主要的技術(shù)要點(diǎn)如下。

1)LNG儲存?？紤]本船的液貨罐的選型和布置。

2)LNG加注特殊船用設(shè)備。主要考慮液貨泵選型和液貨裝卸管系的設(shè)計。

3)LNG加注船與受注船的接口(加注方式和相應(yīng)設(shè)備)。船對船加注連接裝置分析。

LNG船對船(STS)加注在一定程度上類似于LNG的船對船海上過駁，不同之處見表1[6]

設(shè)計船對船LNG燃料加注系統(tǒng)須考慮表1中LNGSTS加注的特點(diǎn)和要求。

表1 LNG STS過駁與STS加注方式對比

2 系統(tǒng)選型

2.1 LNG液貨罐選型

目前，在大型LNG運(yùn)輸船上使用的液貨罐形式多為薄膜型(GTT No.96和GTT Mark III)，還有少量的Moss型和SPB型。通常，此類液貨罐只在5萬立方米以上的大型LNG運(yùn)輸船上使用，小型運(yùn)輸船還沒有使用記錄。已有的小型LNG船舶較多使用的是獨(dú)立“C”型液貨罐，該罐完全由自身支持，并不構(gòu)成船體結(jié)構(gòu)的一部分，也不分擔(dān)船體強(qiáng)度[7]。

LNG加注船儲運(yùn)LNG燃料的溫度為-163 ℃時，揮發(fā)氣壓力為0.435 MPa。據(jù)此，選用半冷半壓式儲運(yùn)方式，選用九鎳鋼或不銹鋼制成的獨(dú)立“C”型液貨罐。

7 000 m3LNG加注船屬于中型船舶，考慮到液貨罐的設(shè)計和制作，設(shè)置2個容積為3 500 m3的“C”型液貨罐較為適合。

2.2 液貨泵選型

2.2.1 液貨泵型式

目前市場上氣體船的低溫液貨泵主要有離心式和往復(fù)式兩種。相對于普通離心泵，輸送LNG的離心泵應(yīng)滿足耐低溫、氣密、防爆等多方面的要求，主要有以下特點(diǎn)[8]。

1)要求具有較低的氣蝕余量，一般LNG泵都會設(shè)有誘導(dǎo)輪。

2)低壓泵為立式屏蔽結(jié)構(gòu)，電機(jī)安裝在液貨艙外，泵體浸沒在LNG液體中運(yùn)行，電機(jī)和泵為同軸連接。

3)需用防爆電機(jī)。泵密封系統(tǒng)必須絕對安全可靠，確保安全，防止LNG外泄引起爆炸。為防止處于氣-液平衡狀態(tài)的LNG在泵體內(nèi)氣化，必須保持泵體內(nèi)LNG與燃料艙內(nèi)LNG具有相同的溫度，LNG泵除需要采用浸沒式結(jié)構(gòu)外，還需要采取保冷措施。

與離心式LNG泵一樣，往復(fù)式LNG泵也要求耐低溫、氣密、電氣安全、防爆。主要應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1)具有較強(qiáng)的自吸能力，但是容易造成抽真空，產(chǎn)生氣蝕。

2)可獲得很高的排壓，且流量與壓力無關(guān)，但會有壓力脈沖，影響下游系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在出口處加裝穩(wěn)壓設(shè)備。

3)泵的性能不隨壓力和輸送介質(zhì)黏度的變動而變動，但是速度低，尺寸大，結(jié)構(gòu)較離心泵復(fù)雜，同流量下比離心泵體積大。

4)效率高而且高效區(qū)寬，但制造成本和安裝費(fèi)用都較高，且不易維修。

對比兩型液貨泵的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，由于LNG的通常儲存狀態(tài)處于臨界點(diǎn)，一旦出現(xiàn)低壓便會產(chǎn)生氣化，所以往復(fù)泵較強(qiáng)的自吸能力不適合用于LNG的輸送，故選取離心泵。目前LNG船舶基本都采用離心式LNG低溫泵。

另外，LNG蒸汽質(zhì)量輕，如果離心泵內(nèi)是蒸汽，則泵旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力不足以造成較大的低壓，LNG就無法流入泵體內(nèi)，因此，LNG液貨泵一般直接浸沒在液貨罐內(nèi)。

所以，浸沒式離心泵是LNG加注船作為液貨泵的最佳選擇。

2.2.2 液貨泵的數(shù)量和排量

首先，液貨泵的數(shù)量應(yīng)根據(jù)船上液貨罐數(shù)量確定，每個液貨罐至少配1臺液貨泵，如果是雙耳型液貨罐且中間設(shè)有隔艙壁，則該液罐需要安裝2臺液貨泵分布在隔艙壁的左右兩側(cè)。

其次，液貨泵排量取決于LNG船的卸貨時間要求。根據(jù)一些大型油氣公司的慣例，總卸油時間一般為18 h左右，并按照液貨泵的可選規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。液貨泵的總排量計算公式如下。

(1)

式中：qvp為涂貨泵總排量，m3/h；qw為裝卸貨總量，m3；T為總卸貨時間,h；b1為液貨泵排出系數(shù)，取1.1；b2為考慮掃艙的時間系數(shù)，取1.1～1.2。

1)液貨泵總排量計算。根據(jù)7 000 m3LNG加注船的總體布置，本加注船設(shè)有2個雙耳型液貨罐，總共需要設(shè)置4臺液貨泵，每個液貨罐各設(shè)置2臺。按式(1)計算液貨泵的排量為470.55 m3/h。

2)LNG加注船的總排量計算。本加注船的卸貨速率為500 m3/h，雖然本船設(shè)有4臺液貨泵，但是因其工作流程是單罐順序卸貨。所以，最大工況為2臺貨油泵同時工作，所以確定單臺液貨泵的排量為250 m3/h，卸貨時間約為17 h。

2.3 液貨裝卸管系

液貨裝卸管系主要有獨(dú)立式和總管式。

獨(dú)立式液貨裝卸管系即每個液貨罐都設(shè)有一套輸送管路。這種管系型式具有最大的分割能力，適用于載運(yùn)多種不同品種液貨的運(yùn)輸船。同時，由于液貨泵安裝在LNG液貨罐內(nèi)，不需要設(shè)置專用的泵艙，減少了發(fā)生火災(zāi)、爆炸和人員傷亡事故的潛在危險性。所以，目前市場上的多用途氣體運(yùn)輸船廣泛使用的為獨(dú)立式液貨裝卸管系。

總管式液貨裝卸管系與獨(dú)立式液貨裝卸管系相比，除了各液貨罐共用1套液貨裝卸管系外，其他設(shè)計是完全一樣的。雖然總管式液貨裝卸管系的分割能力低于獨(dú)立式液貨裝卸管系，但是適用于長期載運(yùn)單一品種液貨、沒有液貨隔離要求的運(yùn)輸船。

考慮到7 000 m3LNG加注船運(yùn)送的液貨只有LNG一種，對于液貨沒有分割要求，所以采用的是總管式液貨管系。2個液貨罐布置在船體貨艙內(nèi)，氣室穿透主甲板。各液貨罐的液貨泵電機(jī)、壓力釋放閥及各種儀表等設(shè)備都安裝在相應(yīng)的氣室之上，液貨泵排出管和液貨裝卸管系均布置在主甲板面，便于操作人員在液貨控制室的觀察和將來的保養(yǎng)及維護(hù)。

7 000 m3LNG加注船的液貨裝卸管系，由縱向總管、橫向總管及裝卸站等組成。

1)縱向總管。接自各液貨泵排出管，之后在主甲板面匯總成一路總管接至船舶中部與橫向總管相連。在縱向管路上需要設(shè)置膨脹接頭，避免管路因溫度變化而造成損傷。此外，各管段的法蘭連接處采用導(dǎo)電原件進(jìn)行跨接，使管路與船體結(jié)構(gòu)間良好電連接。

2)橫向總管。引向兩舷的液貨裝卸站。

3)裝卸站。液貨裝卸站的設(shè)計應(yīng)符合IGC Code和OCIMF等組織的推薦要求。

4)液貨管路通徑的確定。液貨管的通徑由液貨泵排量及管內(nèi)允許最大流速而定，液貨管內(nèi)的流速應(yīng)根據(jù)允許的壓力降來核算。液貨在管內(nèi)的流速還要特別考慮可能產(chǎn)生靜電的影響。

為此，本船液貨的裝卸集管區(qū)布置在船中部，且裝卸總管的數(shù)量也按照石油公司國際海事討論會(OCIMF)的推薦，設(shè)有2根。

其次，7 000 m3LNG加注船的液貨總管的通徑要滿足裝/卸載LNG的速率要求，LNG的最大流速應(yīng)不大于6 m/s，蒸發(fā)氣的最大流速應(yīng)不大于25 m/s。同時，根據(jù)該船2個液貨罐是依次卸貨的原則，最大卸貨速率為500 m3/h?？偣芡◤接嬎闶綖?/p>

(2)

式中：di為管子內(nèi)徑，m;qv為體積流量,m3/h；qv為管內(nèi)流體流速，m/s。

管徑計算結(jié)果為di=0.172 m。

實(shí)取外徑為219 mm、壁厚為8 mm，通徑為203 mm的SUS316L不銹鋼管。

2.4 船對船LNG加注連接裝置

目前LNG加注船的設(shè)計中，最典型的船對船LNG加注連接有3種。

1)剛性鉸接加注臂系統(tǒng)。加注臂具有效率高、操作簡單、安全環(huán)保、使用壽命長等特點(diǎn)。但是加注臂的造價高、靈活性較差、維修不方便。而且加注臂的活動限制范圍一般為扇形空間，各自由度的可活動范圍有限，僅適用于水面運(yùn)動較為平靜工況，即岸基加注、躉船加注。見圖1。

圖1 加注臂連接現(xiàn)場示意

2)LNG柔性軟管連接系統(tǒng)。軟管的優(yōu)點(diǎn)有：成本相對較低、如果軟管長度合適且布置合理，則可較好地適應(yīng)船與船之間的相對運(yùn)動。但是軟管也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：考慮到軟管的彎折，其通徑不能太大、軟管屬于易損耗設(shè)備，需要定期更換、在兩船相對運(yùn)動較大時，軟管的對接相對困難，需要特別的裝置協(xié)助對接。適用于船對船、躉船加注。見圖2。

圖2 軟管連接現(xiàn)場示意

3)軟管+吊架連接系統(tǒng)。軟管+吊架的優(yōu)點(diǎn)是成本適中、可適應(yīng)船舶間相對運(yùn)動、操作靈活、安全性高(拉斷閥)；缺點(diǎn)是需要定期更換軟管。見圖3。

圖3 軟管+軟管吊連接示意

加注方式主要由受注對象決定，如果受注船型固定，干舷高度差別不大，則可選擇加注臂方式；若考慮受注船類型多樣，干舷高度有較大差別，則選用加注軟管配合軟管吊較為合適。

對比上述3種連接方式，根據(jù)7 000 m3LNG加注船的服務(wù)對象不固定、船型多種多樣、干舷高度差較大的工作特性，確定使用軟管+軟管吊的方案。

3 加注船加注系統(tǒng)方案確定

首先，本LNG加注系統(tǒng)可在18 h內(nèi)為受注船舶提供7 000 m3的LNG燃料。液貨泵選擇浸沒式離心泵，安裝在液貨罐內(nèi)，其驅(qū)動電機(jī)安裝在氣室上，通過傳動軸連接，傳動軸穿過氣室處裝有機(jī)械密封裝置，以防止LNG氣體的泄漏。貨油泵的具體參數(shù)見表2。

表2 貨油泵參數(shù)表

其次，本液貨加注系統(tǒng)在主甲板面只設(shè)1根共用的液貨總管，用于2個液貨罐的裝卸。

再次，本液貨加注系統(tǒng)的最大裝/卸載速率均取500 m3/h，液貨總管最大流速約為4.3 m/s。

最后，采用加注軟管和軟管吊的連接方式，用于船對船的LNG加注系統(tǒng)的連接。

方案充分考慮了7 000 m3LNG加注船的服務(wù)對象不固定、船型多種多樣、干舷高度差較大的工作特性，以及LNG儲存和運(yùn)輸特性，既保證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和安全性又具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。

船上C型LNG儲罐艙容量為7 000 m3，其儲存和提供LNG，也產(chǎn)生蒸發(fā)氣。工藝流程，安全間距，空間利用，操作等方面較合理。

本船要加注滿艙，建議的加注時間是10 h。那么需要1 000 m/h的加注量。一般來說岸上或者加注船內(nèi)都設(shè)置了較大功率的LNG輸送泵，這些泵將LNG輸送到船艙，在加注時會產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣，這些蒸發(fā)氣在短時間內(nèi)船舶難以消耗和處理，需要返回到岸上儲罐或者加注船艙，這樣也平衡了由于LNG的卸載，而產(chǎn)生的壓力下降。加注量一般以岸上加注站和加注船上的計量為準(zhǔn)。

不論船舶加注LNG還是正常運(yùn)行，都有蒸發(fā)氣產(chǎn)生。加注時部分的蒸發(fā)氣通過蒸發(fā)氣返回臂返回到岸上LNG大罐，以平和罐內(nèi)壓力，其余的蒸發(fā)氣將由蒸發(fā)氣壓縮機(jī)壓縮，輸送至主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐。正常運(yùn)行時的蒸發(fā)氣也由壓縮機(jī)輸送去主機(jī)、輔機(jī)或者鍋爐。

4 LNG加注船加注系統(tǒng)基本流程

裝載流程。裝載的LNG通過共用的液貨總管(LH11/15/16/18)和支管(LH25/35)分別注入2個液貨罐，裝載過程中液貨罐內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣則通過蒸發(fā)氣支管(LH26/36)和總管(LH19/4)提供給加注船的雙燃料主/輔機(jī)作為燃料，也可經(jīng)管匯處的蒸發(fā)氣總管(LH19/13/12)被碼頭接收處理。

加注流程。液貨罐內(nèi)的LNG由液貨泵排出，經(jīng)液貨總管(LH18/16/15/11)輸送至受注船舶。受注船舶產(chǎn)生的蒸發(fā)氣則經(jīng)蒸發(fā)氣總管(LH12/14/20)返回，由貨物壓縮機(jī)輸送給加注船的雙燃料主/輔機(jī)作為燃料使用，或送至LNG消耗裝置(GCU)處理。見圖4。

圖4 加注流程

雙燃料主/輔機(jī)LNG供給流程。在船舶航行過程中，當(dāng)液貨罐內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣不滿足主/輔機(jī)同時使用時，可由LNG燃料泵從液貨罐抽取LNG經(jīng)過管路(LH28/29)、蒸發(fā)器和加熱器處理后提供給主/輔機(jī)作為燃料使用。具體見圖5。

5 結(jié)論

船對船LNG加注系統(tǒng)的開發(fā)研究是在各型液化氣運(yùn)輸船液貨裝卸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本身使用要求展開的，經(jīng)過對各船型的液貨罐、液貨輸送系統(tǒng)和加注連接裝置的對比和研究，開發(fā)出的船對船LNG加注系統(tǒng)符合船級社規(guī)范和規(guī)則；又借鑒了各大油氣公司的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可滿足在海上進(jìn)行LNG的加注要求。

圖5 雙燃料主/輔機(jī)LNG供給流程