LNG加注船液货系统的设备配置及操作分析

胡秀媛

(大连中远海运重工有限公司, 辽宁 大连 116113)

0 引 言

近年来,随着全球液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)的运输和应用需求不断增多,LNG燃料动力船的数量不断增加,其燃料供给和加注技术越来越受人们的关注[1]。为保证LNG燃料动力船顺利投入使用,通常要求能源加注配套产业能满足不同港口的LNG装卸需求和不同LNG燃料动力船的加注需求。目前,LNG燃料动力船的LNG加注主要有槽车对船加注、岸站对船加注和船对船加注等3种方式,其中:

1) 采用槽车加注,方便灵活,但充装量较小,仅适于在防爆性码头为小型LNG燃料动力船加注,若为大型LNG燃料动力船加注,需延长船舶靠港时间,这会影响其作业周期;

2) 采用岸站对船加注,不仅需考虑LNG岸站作业窗口期,而且加注成本较高;

3) 船对船加注具有无需船舶进出港口、机动性强、燃料充装量大和加注速度快等优点,最重要的是能避免在人员密集区域作业引发安全隐患,因此该加注方式得到了广范应用。

随着LNG燃料动力船不断增多,主流船舶营运公司已加大对LNG加注船的建造投入。液货系统作为LNG加注船的核心系统,具有设备配置复杂和操作流程严格等特点。本文通过对LNG加注船液货系统的主要设备配置进行介绍,并对其操作流程进行分析,总结该系统的操作关键点,为类似船型的设计和实船操作提供参考。

1 LNG加注船液货系统主要设备配置

LNG加注船液货系统主要设备的配置需使系统在作业过程中具有加注速度快、操作灵活和蒸发气(Boil Off Gas,BOG)处理可靠等特点,典型的LNG加注船液货系统主要设备配置见表1。

表1 典型的LNG加注船液货系统主要设备配置

2 LNG加注船液货系统操作分析

对于LNG加注船液货系统的设备配置而言,除了满足该船的除气、惰化、预冷和加注作业需求以外,还需满足与LNG受注船进行作业匹配的要求。下面主要从LNG加注船液货舱压力温度控制、LNG加注船与受注船匹配连接、LNG加注船为受注船燃料舱干燥惰化、LNG加注船为受注船燃料舱驱气、LNG加注船为受注船燃料舱冷舱和LNG加注船为受注船燃料舱加注燃料等方面对LNG加注船液货系统的操作进行分析。

2.1 LNG加注船液货舱压力温度控制

LNG的组成成分因其来源和液化过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烃类(例如乙烷、丙烷、丁烷和戊烷)和极少量的氮,甲烷的沸点随着压力的增大而升高,见图1。

图1 甲烷沸点与压力的关系曲线

LNG货物通常储存在温度为-160 ℃的加注船液货舱内,外部绝缘的热传导、船舶航行过程中LNG在液货舱内的晃荡和液货泵的运行都会导致液货舱温度上升和压力增加。根据中国船级社(China Classification Society,CCS)规范的要求,液货舱的压力和温度应通过接受的方法保持在设计范围内,可采用蒸气再液化、蒸气热氧化、压力积聚和液化气体燃料冷却等方式[2],使液货舱的压力维持在液货舱压力释放阀的设定压力以下15 d。在LNG加注船上,通常配置有双燃料发动机、发电机、气体燃烧装置和深冷装置等,实现对LNG液货舱压力和温度的控制。

在加注船正常航行过程中,可通过燃气压缩机抽吸其液货舱内的BOG,输送给双燃料发动机或发电机,控制液货舱的压力;在加注船靠港期间,可采用船上配置的气体燃烧装置消耗液货舱内的BOG,控制液货舱的压力,也可通过船上配置的再液化装置或深冷装置控制液货舱的压力和温度。当采用深冷装置时,供液泵从液货舱底部吸入LNG,将其输送给LNG深冷装置进行交换冷却,冷却的LNG返回至液货舱顶部喷淋管进行冷却降温(见图2),也可通过注入管输送至液货舱底部,对整个液货舱进行降温控压。

图2 液货舱喷淋冷却示意图

2.2 LNG加注船与受注船匹配连接

在LNG加注船与受注船过驳匹配连接过程中,要充分考虑风和波浪的影响,最典型的船对船LNG加注连接有采用加注臂连接、采用LNG柔性软管连接和采用软管吊与柔性软管配合连接等3种[3]。综合来看,第3种连接方式的应用比较多,其连接部件主要包括超低温干式快速接头、超低温拉断阀、低温加注软管、软管起吊保护装置、软管鞍座、应急切断动力单元及相应的管路、防跌落装置、船舶漂移监测装置、控制系统及软管吊等,见图3。加注软管通常采用2根,分别用于连接液相管路和气相管路,设计温度为-163 ℃,软管的设计、制造、原型试验和工厂认可试验符合EN1472-2标准[4]的要求。每根软管的一端配置1个快速接头,与受注船的一侧连接,在开展加注作业之前快速将软管与受注船对接;软管的另一端与低温拉断阀连接,用于在应急状态下快速断开加注软管,避免液货溅出及软管受损。LNG软管两侧分别布置于鞍座上,在鞍座内设置防跌落控制系统,当加注船与受注船应急脱离时,控制软管的下落速度,避免损坏船体外板。船舶漂移监测系统主要用于监测两船的相对位置,当监测到两船的相对位移超过设定值时,发送信号给拉断阀控制系统,触发拉断阀应急拉断。

图3 船对船软管连接示意图

在LNG加注船与受注船的智能安全匹配连接中,要实现船对船通信、船对船相互切断和船对船数据传输。当加注船与受注船在作业过程中出现意外时,触发紧急切断装置,实现双方的阀件同时自动关闭,保证两船的安全。该项作业涉及的设备主要包括控制箱、光纤及光纤卷筒、电缆及电缆卷筒、测试设备热线电话、公共电话及其他必要设备附件。

2.3 LNG加注船为受注船燃料舱干燥惰化

受注船在第一次装载LNG之前需进行燃料舱干燥和惰化工作,主要目的是去除管路和舱内的水分,避免在后期装载LNG时因温度过低而在舱内出现结冰情况,进而导致管路堵塞或液货泵受损。受注船上仅配置小型氮气发生器,用于保证供气系统管路及设备完成吹扫作业,无法满足液货舱的干燥和惰化工作需求。LNG加注船可配置大容量变压吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)氮气发生器或液氮罐,供受注船燃料舱干燥和惰化使用。由于氮气发生器提供的氮气的密度比受注船液货舱内的空气的密度低,在操作过程中,通过气相管将氮气输送至加注船液货舱顶部,舱内的空气从底部液相管路排至大气中,见图4。当检测到液货舱内的最大含氧量为2%,露点温度低于-40 ℃时,受注船干燥惰化完成。

图4 受注船燃料舱干燥惰化示意图

2.4 LNG加注船为受注船燃料舱驱气

LNG受注船燃料舱干燥惰化工作完成之后,需进行驱气作业,对舱内的氮气进行置换,避免其中所含CO2在低温下结冰,堵塞阀门、滤器和喷嘴。在驱气过程中,采用天然气替换舱内的惰性气体,可通过加注船的扫舱泵抽吸舱内的LNG输送给强制蒸发器,产生的天燃气的温度控制在+20 ℃左右。由于天然气的密度比惰性气体的密度低,可通过气相管路将天然气输送至受注船的燃料舱顶部,舱内的惰性气体从底部液相管路排出。排出后的氮气与天燃气的混合物为非清洁气源,港口当局禁止将其排至大气中,并要求对其进行处理。由此,可将置换的气体通过液相管返回至LNG加注船的气体燃烧单元(Gas Combustion Unit,GCU)中处理,见图5。当检测到舱内氮气的含量大于99%,CO2的含量小于1%时,受注船驱气完成。

2.5 LNG加注船为受注船燃料舱冷舱

驱气作业完成之后,需对受注船燃料舱及其管路进行预冷,避免直接加注LNG产生较大的温差,导致管路、液罐和输送泵应力过大。在冷舱过程中,加注船扫舱泵抽吸舱内的LNG至液相管路中,将其输送至受注船燃料舱顶部的喷淋管线中进行冷舱作业,舱内的气体可通过气相管输送给加注船处理,也可通过加注船的GCU设备进行燃烧,同时可利用双燃料发电机消耗,见图6。在冷却过程中,监测燃料舱顶部、中部和底部温度传感器测量的数据,控制冷却速度,当燃料舱的温度传感器监测到的温度小于等于-130 ℃时,预冷工作完成,见图7。

图6 受注船燃料舱冷舱示意图

图7 受注船燃料舱预冷温度随时间的变化曲线

2.6 LNG加注船为受注船燃料舱加注

LNG受注船预冷完成之后,可对其进行加注作业。为控制加注船液货舱和受注船燃料舱内的温度和减少BOG,在初始加注时需采用小流量输送方式,控制液相管路内流体的速度不超过8 m/s,气相管路内流体的速度不超过25 m/s,通过顶部加注对受注船燃料舱进行预冷降温,在预冷过程中应确保双方加注管路及附件的温度达到预定的温度[5]。LNG加注船液货舱内通常配置有2台输送泵,既可满足互为备用的需求,又可根据不同受注船燃料舱的大小进行灵活加注。

启动加注船LNG输送泵,打开LNG输送泵出口阀件,通过液相管将LNG输送给受注船的燃料舱,舱内产生的BOG通常采用3种方式消耗,其中:第1种方式是通过气相管自然回流返回至LNG加注船的液货舱内;第2种方式是利用加注船上的压缩机将受注船的BOG抽至GCU或发电机中进行燃烧处理,见图8;第3种方式是利用受注船上的双燃料发电机进行燃烧处理。加注船也可利用扫舱管线使LNG回流至蒸发器中,产生的BOG从气相管输送至燃料舱内用于平衡舱压。

图8 受注船燃料舱加注

3 LNG加注船液货系统操作关键点

1) 在进行LNG加注作业时要考虑水流、风和波浪的影响,避免在船对船加注过程中因天气因素而触发拉断阀应急切断;

2) 在对受注船燃料舱进行干燥惰化过程中,要实时监测舱内的含氧量和露点温度,控制舱内的最大含氧量为2%,露点温度低于-40 ℃;

3) 在对受注船燃料舱进行驱气过程中,打开加注船的GCU设备,将受注船燃料舱排出之后的氮气与天燃气的混合气充分燃烧;

4) 在LNG加注船为受注船冷舱过程中,严格控制冷舱温度,避免温度急剧下降导致受注船液货舱因受到过冷冲击而受损;

5) 合理规划作业窗口期,可利用船上配置的LNG深冷装置控制舱内温度,保证为受注船提供低温LNG货品;

6) 在为受注船加注LNG时,控制加注速度,受注船液货舱内产生的BOG可自由回流至加注船的LNG液货舱内,也可作为燃料供加注船上的LNG发电机燃烧使用。

4 结 语

本文研究了LNG加注船液货系统设计过程中涉及到的液罐配置选型、再液化装置处理BOG的能力计算和船舶规范与规则的要求等关键技术。通过对典型LNG加注船的液货系统进行分析,全面介绍了液货系统的主要设备配置,深度剖析了各设备的特性和工作原理,逐一介绍了液货系统在1个完整的LNG加注作业流程中各环节的操作并提炼了操作注意事项。研究所得结论可为LNG加注船液货系统的设计和操作提供参考。