内河LNG 岸基加注泵撬流程设计

张皓威，徐建浩，顾陈杰，邵雪锋，王俊凯

（中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201203）

内河航运是国内运输行业的重要组成部分，成本低、效益高，能极大地带动流域经济发展。我国内河航运的传统船舶动力以柴油为主，污染排放严重。近年来，为了促进多元化船舶能源结构，船用LNG 燃料已经逐渐成为绿色航运体系的重要发展方向[1]。液化天然气（LNG）具有能量密度大、运输方便、安全性好、经济效益显著等特点。LNG 应用于船舶动力时，相比传统燃油，温室气体和污染物排放更低；LNG 着火点更高且不易引爆，能更好地保证运输安全；LNG 的燃料成本也比常用柴油更低[2]。

内河水运正在积极推进LNG 清洁能源的使用，除去LNG 动力船舶制造和改装外，LNG 岸基加注站的搭建正在逐渐铺开[3]。长江、西江和京杭运河等内河沿线都在布局“气化”方案，共规划有74 座LNG 加注码头，2021 年12 月底已建成22 座[4,5]。LNG 岸基加注系统是LNG 岸基加注站的核心组成部分，主要由加注泵撬、加注臂、EAG 放散系统、氮气系统及控制系统等部件组成，通过潜液泵将岸上储罐内的LNG 加注到目标船燃料罐内。不过需要注意的是，LNG 加注系统涉及危险品、低温和流程复杂等诸多设计难点，要在设计中对这些问题开展细节全面的分析。

鲁亮等人[6]对内河的LNG 岸基加注站的加注管径选择和加注速度进行了分析，给出了岸基加注系统中加注流量、管径和压损的对应关系。赵鑫哲[7]给出了沿海干沟LNG 加注站选址的综合评价指标体系，并且比较了配置方案下的加注站运行情况。李恬[8]对LNG 岸基加注站的组成分级、设计选址、总体布局和工艺设计进行了讨伐和分析，给出了相应的建议。不过，目前LNG船舶保有量较少，LNG 加注站投资成本高、安全责任大，岸基加注系统的研究和设计工作仍然比较缺乏[3]。

目前已知内河LNG 岸基加注站单台加注流量大多在20～30m3/h，当对容量较大的受注船或加注船的燃料储罐加注时，加注时间就会很长。所以有必要设计大流量的岸基加注系统，采用双泵变频控制，同时满足大流量和小流量的需求。

LNG 岸基加注系统中，绝热泵撬系统是加注站正常运行的关键核心，由潜液泵、气化器和NG 储罐等部件组成，承担着加注、计量、增压、吹扫和保冷循环的功能。本文聚焦于LNG 岸基加注系统中的绝热泵撬系统，对系统流程进行了优化设计。对设计的绝热泵撬系统开展流动、管道壁厚、管道保冷、返回气流量等进行计算，验证系统设计参数设置的合理性，为后续LNG岸基加注站实施提供支撑。

1 加注泵撬组成及功能

加注泵撬为一体化集成设备，是加注站内LNG 储罐和船岸设备之间的重要连接模块，主要由撬体、潜液泵（带泵池）、流量计、气化器、柱塞泵、NG 储罐、调节阀、仪器仪表、燃气报警器以及其他阀门和管路等组成，原理图如图1 所示。

图1 加注系统原理图

其主要功能如下：

（1）加注功能：泵撬中设置两台额定流量为30m3/h 的潜液泵，总加注流量为60m3/h，可通过变频协作方式来满足不同的流量需求。

（2）计量功能：在液相加注管路和气相回气管路中各设置一台流量计。两台流量计均被集成在泵撬内，两个流量的差值，可作为加注量的实际值，亦可采用精确度更高的热值仪测量。

（3）增压功能：泵撬中设置气化器和柱塞泵，既可给LNG 储罐增压，也可以为NG 储罐增压。

（4）保冷功能：设置循环低温管路，保证潜液泵、流量计在系统非工作时间内一直处于低温状态，减少关键设备预冷时间，保证计量精度。

（5）吹扫功能：泵撬中设置氮气储罐，可以在系统刚启用或停止使用时进行管路惰化；设置NG 储罐，可以进行氮气吹扫后的置换，也可以在加注完成后，将管路中残留的LNG 吹向受注燃料罐。

2 加注泵撬基本流程

在加注泵撬的液相和气相管路分别与LNG 储罐以及受注船连接完毕的状态下，按如下流程完成加注作业。

（1）提前开启保冷管路，加注管路应处于低温状态；

（2）打开氮气管路对泵撬和受注船之间的加注管路进行惰化吹扫，然后用NG 储罐内的NG 进行氮气置换；

（3）打开加注阀，先小流量加注，待受注罐预冷完毕后，调节潜液泵逐渐增加加注流量；

（4）当受注船储罐快要到达其额定充满率时，开始逐渐降低加注流量；

（5）待加注停止后，使用NG 储罐内NG 进行吹扫；此时若其压力不足，则会报警。需要启动柱塞泵对其增压。

（6）NG 吹扫后，使用氮气对加注段管路进行惰化，然后再断开泵撬和受注船之间的连接；

（7）在整个过程中，流量计、压力/温度变送器实时监测，各设备状态亦实时显示在操控屏上。

3 设计计算

根据功能要求，对相关流程校核计算，对重要设备进行选型计算。

3.1 设计要求

设计输入参数如表1 所示，作为计算依据。

表1 设计要求参数

3.2 流动计算

主要对含有潜液泵的主加注管路进行计算，通过计算来校核管径，并指导泵的选型。各管段输入参数如表2 所示。

表2 各管段参数

表3 各管段流速

各管段沿程阻力计算结果如表4 所示，其中雷诺数（Re）按照公式计算，沿程阻力系 数（Frictional resistance coefficient，λ）按照公式计算，沿程阻力（Frictional resistance，h）按照公式计算。

表4 沿程阻力计算

各位置局部阻力系数（coefficient of local resistance,ξ）如表5 所示，其中管路弯头局部阻力直接取所有弯头局部阻力的总和。各位置局部阻力按照公式计算，最终相加得到总的局部阻力为31.35m。

表5 局部阻力计算

根据表4 和表5 计算，管路整体阻力为39.58m，在对潜液泵进行选型时，除了考虑该管路的阻力，还应根据加注站实际布置，考虑加注撬与受注船之间管路和接头的阻力。

3.3 管道壁厚校核

根据GB/T 20801-2020《压力管道规范 工业管道》对加注主管道强度进行计算。首先对管道壁厚进行校核，计算条件及内容如表6 所示。

表6 管道壁厚校核计算

其中：

计算厚度（Calculate thickness）由公式计算得到。

材料厚度负偏差（Thickness Negative deviation）由公式计算。有效厚度（Effective thickness）由公式计算。

试验压力下管道应力（Pipe stress under PT）由公式计算。

试验下的许用应力（Yield strength under PT）由公式

3.4 管道保温层厚度计算

深冷状态的LNG，最低温可达-163℃，加注管道会因低温产生结露结霜，并使大量LNG 气化，影响安全和正常使用。因此需要对加注管道进行保冷，依据保冷计算确定安装敷设保冷材料的厚度，以保证加注管道表面不出现结露结霜，LNG 不会因漏热而过度气化。

保冷计算输入条件如表7 所示。

表7 保温层厚度计算条件

根据GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》，圆筒保冷层厚度计算公式计算。

式中，D1 为保温层外径，D0 为保温层内径，即管道外径，λ 为保温材料导热系数，ts 为保温层外表面温度，ta 为环境温度，t 为保温内表面温度，αs 为对流换热系数，根据GB50264，取值为8.141W/(m2K)。

3.5 返回气量计算

为相对更准确计量，在液相加注管路和气相返回管路同时安装流量计。根据潜液泵的选型参数可以很方便对液相流量计进行选型，但对测量气相返回流量的流量计进行选型时，需要计算其大概的返回量作为参考。

计算过程假设受注罐物理容积80m3，充满率从10%到85%，相关条件和计算如表8 所示。

表8 返回气计算

根据加注初始状态和终了状态的相关参数，以及公式计算返回气的流量。其中采用初始密度计算出最大流量663.06kg/h，采用终了密度计算出最小流量107.68kg/h。

4 试验测试

根据LNG 岸基加注泵撬的流程设计、计算和设备选型，进行结构设计和制造，并对加注撬进行低温试验、压力试验、流量试验等性能试验。

采用液氮进行低温试验，加注泵撬状态如图2 所示，测试监控界面如3 所示。

图2 低温试验状态

试验结果如表9 所示。

表9 试验结果

试验结果满足最初设计要求，潜液泵变频控制、柱塞泵运行增压、各设备实时监控等均可正常工作。

5 结论

本文设计了一套LNG 岸基加注泵撬，通过流程设计和必要的性能和设备选型计算，在此基础上完成加注泵撬的制造，并通过试验测试。通过试验结果可知，所设计的加注泵撬具有占用空间小、安装运输方便、操作简单、安全可靠等特点；加注、计量、增压、保冷、吹扫等功能均达到预期目的，可以满足内河LNG 燃料船舶的加注需求。