小型LNG運(yùn)輸船貨物系統(tǒng)作業(yè)流程

周志峰 張 艷

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

小型LNG船通常用于近海及內(nèi)河運(yùn)輸液化天然氣，運(yùn)行于國(guó)內(nèi)航線，其總艙容一般處于2 500～40 000m3之間［1］。如需要，較大艙容的小型LNG船也可加入短程的國(guó)際航線，用于進(jìn)口液化天然氣，作為大型LNG運(yùn)輸船的補(bǔ)充。C型獨(dú)立式液貨圍護(hù)系統(tǒng)基于其設(shè)計(jì)制造工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可能將成為小型LNG運(yùn)輸船液貨艙的較優(yōu)選擇。相對(duì)于當(dāng)今主流的、適用于大型LNG運(yùn)輸船的薄膜式和B型獨(dú)立式液貨圍護(hù)系統(tǒng)而言，C型獨(dú)立式液貨圍護(hù)系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)，如無需次屏蔽，液艙設(shè)計(jì)壓力較高等。不同型式的LNG液貨艙對(duì)應(yīng)有不同的特殊貨物處理系統(tǒng)。貨物處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除了要滿足IGC等規(guī)則與船級(jí)社規(guī)范對(duì)系統(tǒng)安全與防污染要求外，還應(yīng)滿足船東在船舶營(yíng)運(yùn)中對(duì)裝卸貨、海上航行、局部檢修、進(jìn)出塢、緊急處理和其他非常規(guī)操作等所有作業(yè)工況的要求。因此，要設(shè)計(jì)好貨物處理系統(tǒng)，深入探討小型LNG船特有的貨物系統(tǒng)的作業(yè)流程是非常重要的前提。下面初步探討基于C型獨(dú)立式液貨圍護(hù)系統(tǒng)的LNG運(yùn)輸船的貨物操作流程。

1 小型LNG船作業(yè)流程圖

IGC規(guī)則對(duì)C型液貨圍護(hù)系統(tǒng)的定義：系指符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，且設(shè)計(jì)蒸氣壓力不小于本規(guī)則要求的計(jì)算所得之值的液貨艙，屬于獨(dú)立式液貨艙，無需次屏壁。圖 1（a）、圖 1（b）為 C 型獨(dú)立式液貨艙的典型橫剖面圖。

圖1 C型獨(dú)立式液貨艙

LNG船的基本作業(yè)流程可分為兩種操作模式：進(jìn)出塢操作和正常運(yùn)行操作。如圖2。

圖2 貨物系統(tǒng)作業(yè)流程圖

2 貨物系統(tǒng)作業(yè)流程分析

2.1 出塢裝貨前操作

2.1.1 貨艙處所干燥

按IGC規(guī)則，C型獨(dú)立液貨艙的周圍處所，應(yīng)充填適當(dāng)?shù)母稍锒栊詺怏w或干燥空氣，并應(yīng)用船上惰性氣體系統(tǒng)或貯存的惰性氣體提供補(bǔ)充的惰性氣體或用合適的干燥空氣設(shè)備提供的干燥空氣，以保持貨艙處所的環(huán)境。其主要目的是為了防止在船舶正常運(yùn)營(yíng)期間，在液貨艙周圍處所產(chǎn)生冷凝水滲入隔熱層而導(dǎo)致冷橋［1］。此處的環(huán)境控制包括兩個(gè)作業(yè)階段。第一階段為船舶建造后或定期檢查等開啟作業(yè)后，在裝貨之前需要使貨艙處所充分干燥。通常的方法為利用船廠的風(fēng)機(jī)和加熱器提供高溫干燥的空氣，對(duì)貨艙處所進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的通風(fēng)換氣，以去除艙內(nèi)的空氣中的水分。接著，利用船上氮?dú)獍l(fā)生器的空壓機(jī)和干燥器，向艙內(nèi)注入低露點(diǎn)的干燥空氣，因船上配置的空壓機(jī)容量一般較小，此方法耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。一般此處的空氣露點(diǎn)需降至-45℃或者更低。第二階段為貨艙處所干燥空氣的保持。在首次空氣干燥后，貨艙處所應(yīng)始終保持微正壓，阻止外部潮濕空氣的侵入，因此每個(gè)獨(dú)立貨艙處所將設(shè)置一個(gè)壓力/真空閥。另外還需設(shè)置一根自動(dòng)補(bǔ)氣管路，向艙內(nèi)補(bǔ)充低露點(diǎn)（-45℃）的干燥空氣，以保證貨艙處所不出現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，維持結(jié)構(gòu)安全性。另外，干燥的環(huán)境也能避免鋼結(jié)構(gòu)遭受酸性物質(zhì)的侵蝕。

2.1.2 干燥

在裝載LNG之前必須對(duì)液貨艙進(jìn)行干燥。干燥：用低露點(diǎn)的空氣或惰性氣體，去除液貨艙的水汽，以保證在裝入低溫液貨時(shí)不會(huì)出現(xiàn)水合物或結(jié)成冰，從而堵塞貨物系統(tǒng)的設(shè)備、閥件和管道。由于液貨艙體積較大，即使空氣中的含水率很低，其總量也是相當(dāng)可觀的：對(duì)于一艘30 000m3艙容的LNG船舶，按不同的外部環(huán)境，其含有的水量可達(dá)到100～400 kg。為了去除這些凝水，通常需要將液貨艙內(nèi)大氣環(huán)境的露點(diǎn)降至-45℃以下。通常的干燥作業(yè)：由裝貨港向貨艙提供大排量的的干燥空氣以置換液貨艙內(nèi)原來的濕空氣，達(dá)到艙內(nèi)的絕對(duì)干燥。

2.1.3 惰化

惰化：在裝貨前，液貨艙、貨物管路等貨物處理系統(tǒng)內(nèi)是充滿干燥空氣的，為防止可燃貨物蒸氣與空氣形成爆炸性混合氣體，必須用加入惰性氣體的方法降低貨物處理系統(tǒng)內(nèi)的氣體含氧量。天然氣在空氣爆炸極限為：5%～15%（體積比）?？紤]到貨物處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，氣體分布的不均勻性，儀表測(cè)量的誤差性，通常需要將液貨艙氣體的含氧量降至1.5%～2%或以下［1］。干燥和惰化作業(yè)通常來說是同時(shí)進(jìn)行的。對(duì)于小型LNG船來說，船上通常不設(shè)置大容量的惰性氣體發(fā)生裝置，僅設(shè)置小排量的氮?dú)獍l(fā)生器，主要用于液貨系統(tǒng)管路的吹掃與貨物系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的惰化。用于液貨艙干燥惰化的大量干燥的氮?dú)馔ǔ碜园渡?，即裝貨港。裝貨港會(huì)提供純度為95%以上的低露點(diǎn)（如-60℃）的氮?dú)?，通過船上的裝貨管路進(jìn)入液貨艙底部，被置換的艙內(nèi)空氣經(jīng)透氣管排入大氣，直至艙內(nèi)的大氣環(huán)境達(dá)到需要的含氧量要求和干燥度要求，即完成惰化作業(yè)。

2.1.4 充氣

充氣：使用來自岸上的天然氣蒸發(fā)氣置換液貨艙內(nèi)的氮?dú)?。?jīng)船上的蒸氣管從液貨艙頂部進(jìn)入液貨艙，艙內(nèi)氮?dú)饨?jīng)艙底部液貨裝載管排出，氮?dú)馀c蒸氣的混合物從透氣桅桿排出或排岸。為保證天然氣與氮?dú)饽軌虮３忠粋€(gè)良好分層，控制天然氣進(jìn)入速率非常重要的，因?yàn)榉€(wěn)定的分層可以得到較好的置換效果，從而減少充氣作業(yè)的時(shí)間。直到液貨艙內(nèi)的甲烷含量達(dá)到88%或透氣桅上甲烷含量達(dá)到5%，即可認(rèn)為充氣作業(yè)完成。實(shí)際上，本充氣也可認(rèn)為是預(yù)冷的前期步驟。

2.1.5 預(yù)冷

液化天然氣在常壓時(shí)的沸點(diǎn)為111.63 K，當(dāng)液態(tài)天然氣裝入液貨艙和管系時(shí)，如果液貨艙和管系內(nèi)的壓力低于液貨的飽和蒸氣壓力或溫度高于液貨在該壓力下相應(yīng)的沸點(diǎn)，這些液貨就會(huì)立即大量氣化并處于沸騰狀態(tài)。大量液體貨物急劇氣化，就會(huì)從與其相接觸的材料中迅速吸收氣化潛熱，但這些材料本身熱量傳輸有一個(gè)滯后過程，將在這些結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)部形成較大的溫差并引起材料收縮。局部的收縮會(huì)使材料內(nèi)部產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，甚至可能使結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生裂縫損壞。液體大量氣化時(shí)，若液體氣化速度大于船岸之間蒸氣回收的能力，將導(dǎo)致貨艙內(nèi)蒸氣壓力的迅速升高并可能超過壓力釋放閥的調(diào)定值，引起貨物蒸氣從透氣桅排出，這在港內(nèi)是不允許的。為了防止貨艙和管系產(chǎn)生過度的熱應(yīng)力，避免貨物進(jìn)入貨艙時(shí)出現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象，在裝貨前必須使它們的溫度逐漸降低，直至接近裝貨溫度。這一使貨物系統(tǒng)溫度逐漸降低的過程即為預(yù)冷。這一作業(yè)一般是使用來自岸上的低溫貨物氣體接入艙內(nèi)，以取代充氣作業(yè)結(jié)束后留存在艙內(nèi)的天然氣，接著接入岸上液態(tài)貨物，通過液相管從貨艙內(nèi)頂部的液貨噴淋管以霧狀噴入液貨艙內(nèi)，液貨在艙內(nèi)迅速氣化吸熱，利用液貨的氣化潛熱來冷卻貨艙。按貨艙內(nèi)的壓力和溫度變化相應(yīng)控制噴淋的速度，液相貨物氣化產(chǎn)生的蒸氣通過氣相管回流至岸上。預(yù)冷作業(yè)需持續(xù)到在貨艙底部形成一層薄的穩(wěn)定液貨，艙內(nèi)蒸氣溫度達(dá)到-130℃左右時(shí)［1］，可認(rèn)為預(yù)冷作業(yè)完成。需要注意的是，預(yù)冷的速度必須嚴(yán)格控制，以防止貨艙產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。

2.2 正常裝卸貨航行操作

2.2.1 裝貨作業(yè)

裝貨時(shí)，岸上LNG貨物從裝卸臂經(jīng)船上液相管直接輸入至貨艙底部裝艙管，還分流一部分液貨至艙內(nèi)的液貨噴淋管噴灑以均衡蒸發(fā)率和減少艙頂?shù)脚摰字g的溫度梯度，同時(shí)使液貨艙內(nèi)部分貨物蒸氣凝結(jié)，以控制裝貨時(shí)液貨艙內(nèi)壓力的升高。隨艙內(nèi)液位的升高，需要將被液體置換的蒸氣及蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸氣通過氣相管回送至岸上。對(duì)于C型獨(dú)立式液貨艙，由于為比薄膜式艙承壓高的壓力艙，蒸氣可直接由艙內(nèi)壓力的升高壓送回岸上。裝貨開始階段液貨必須緩慢裝入，并且應(yīng)監(jiān)視液貨艙的壓力、溫度變化。待壓力、溫度穩(wěn)定后再逐漸提高裝貨速度至正常水平。整個(gè)裝貨期間必須定期檢查液貨艙的壓力、溫度和液位是否在允許的范圍內(nèi)。無論如何均不能讓壓力釋放閥起跳，當(dāng)保持艙內(nèi)正常壓力有困難時(shí)，應(yīng)立刻減緩裝貨速度，必要時(shí)停止裝貨。裝貨作業(yè)結(jié)束前 15～30min［1］，應(yīng)加強(qiáng)與岸站聯(lián)系，降低裝貨速度，直至液貨艙裝到預(yù)定液位。按IGC規(guī)定，任何液貨艙的充裝極限不得超過基準(zhǔn)溫度下的98%［2］。全部液貨艙裝載完畢后，需進(jìn)行掃線作業(yè)，將甲板管路中的液體排放回液貨艙內(nèi)。掃線作業(yè)通常使用由船上的氮?dú)獍l(fā)生器提供的氮?dú)鈱?duì)液相管和氣相管路進(jìn)行清掃，以去除管路內(nèi)留存的液相與氣相天然氣，同時(shí)惰化甲板管路。

2.2.2 裝貨航行

在裝貨航行中，主要的貨物操作就是貨艙內(nèi)蒸發(fā)氣壓力確保在整個(gè)航行周期內(nèi)，艙內(nèi)壓力始終低于壓力釋放閥的設(shè)定值。對(duì)于小型LNG船，蒸發(fā)氣日蒸發(fā)率一般控制在低于總艙容的0.3%。如何處理由于航行過程中外界熱量侵入而產(chǎn)生的蒸發(fā)氣，可以說是LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)的重中之重。通常的做法是設(shè)置雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在航行過程中直接將多余的蒸發(fā)氣作為燃料，轉(zhuǎn)換為船舶的推進(jìn)動(dòng)力。相對(duì)于裝設(shè)昂貴的再液化裝置和專用氣體燃燒裝置，把蒸發(fā)氣直接用于船舶燃料是一種既節(jié)能環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的方法。此方法也被現(xiàn)在大多數(shù)LNG運(yùn)輸船所采用。

2.2.3 卸貨作業(yè)

卸貨作業(yè)通常是由設(shè)置在每個(gè)液貨艙內(nèi)的深井式液貨泵來完成。卸貨前需要對(duì)貨物管路系統(tǒng)預(yù)冷，以防止管路由于較大的溫度變化而產(chǎn)生不利的熱應(yīng)力。在卸貨過程中，由于艙內(nèi)液位的下降，液貨蒸發(fā)氣化的速度跟不上氣相空間擴(kuò)張速度，艙內(nèi)壓力會(huì)降低，這時(shí)必須需要有額外的蒸氣回流艙內(nèi)，以保證艙內(nèi)處于正壓狀態(tài)。通常的做法是岸上回流蒸氣至貨艙。如果岸上無法提供回流蒸氣時(shí)，而船上貨艙內(nèi)的液貨蒸發(fā)速度又不足以平衡貨物卸出量時(shí)，也可分流部分液貨至強(qiáng)制蒸發(fā)器，來產(chǎn)生蒸氣，回流至卸貨艙內(nèi)以平衡壓力。此時(shí)的卸貨速度必須與船上配置的強(qiáng)制蒸發(fā)器的能力相匹配，避免使貨艙產(chǎn)生負(fù)壓。在卸貨結(jié)束時(shí)，并不是將所有的液貨都卸光的。為確保在壓載航行時(shí)保持罐體內(nèi)壓，壓載到港前的貨艙冷卻及產(chǎn)生足夠蒸發(fā)氣作為船舶推進(jìn)燃料使用等，而是要留有一定數(shù)量的液貨，留存量的多少隨航行距離及其他條件而異，約為滿載貨物容量的1.5%～4.0%。主要影響因數(shù)有：壓載航行狀態(tài)下的日蒸發(fā)率，即貨艙的絕熱程度；壓載航行至到港裝貨的時(shí)間；船舶推進(jìn)燃料的消耗率；貨艙噴淋冷卻所需的液貨數(shù)量；燃料經(jīng)濟(jì)性，LNG與燃油的價(jià)格比。最終合理的貨物留存量需在運(yùn)營(yíng)中逐步修正確定。

2.2.4 壓載航行

壓載航行時(shí)主要的貨物操作是貨艙氣相層的壓力控制和艙體的溫度控制。當(dāng)液貨艙底部留有液貨，將產(chǎn)生上下溫度差，其溫度分布為，底部為液體溫度（-160℃），頂部為-60～30℃。通常在航行到港前幾天，要進(jìn)行貨艙冷卻作業(yè)，通常需由留有貨物的貨艙內(nèi)液貨泵運(yùn)行，經(jīng)甲板上縱向液貨管至每個(gè)貨艙噴淋管，進(jìn)行噴淋作業(yè)，以達(dá)到降低艙內(nèi)溫度，均衡溫度場(chǎng)的目的。另外還需檢查及試驗(yàn)各相關(guān)管系閥件、ESD閥、遙控遙測(cè)裝置的操作可靠性。

2.3 卸貨進(jìn)塢前操作

進(jìn)塢前的作業(yè)可以說是出塢裝貨前作業(yè)的逆操作，首先是必須卸光貨艙內(nèi)的所有貨物，而后再進(jìn)行以下步驟的作業(yè)。

2.3.1 掃艙

掃艙：使液貨艙內(nèi)的殘留液體清除至最少，否則液貨艙內(nèi)殘液會(huì)不斷蒸發(fā)氣化而影響后續(xù)作業(yè)的效率。對(duì)于LNG運(yùn)輸船來說通常使用液貨泵來卸掉殘留液貨，通過調(diào)整船舶的縱傾和橫傾狀態(tài)使艙內(nèi)液貨盡可能集中至液貨泵吸入井內(nèi)，同時(shí)反復(fù)幾次調(diào)節(jié)泵出口閥的開度，使泵起停幾次，把艙內(nèi)液貨掃至最少。

2.3.2 暖艙

暖艙的主要目的是使貨艙溫度上升至惰化用氣體露點(diǎn)以上，同時(shí)使艙內(nèi)的液相天然氣完全蒸發(fā)。一般是將熱天然氣通過液相裝載管送入貨艙內(nèi)來進(jìn)行的，同時(shí)通過氣相回收管將艙內(nèi)原有蒸氣送回岸上，此時(shí)需時(shí)刻監(jiān)測(cè)艙內(nèi)溫度和壓力，以控制熱天然氣輸入的速度，防止艙內(nèi)壓力大于安全釋放閥的設(shè)定點(diǎn)。熱天然氣通?？蓙碜园渡?，也可由船上壓縮機(jī)中間冷卻/加熱器或后冷卻/加熱器產(chǎn)生，其不足處為暖艙速度受制于加熱器的能力。暖艙的目標(biāo)溫度，通常需達(dá)到下步惰化作業(yè)氣體的露點(diǎn)以上，一般是將艙內(nèi)的溫度升高到0℃作為目標(biāo)。

2.3.3 惰化

與前述裝貨前惰化干燥作業(yè)相似，目的同樣是避免液艙內(nèi)產(chǎn)生可燃性混合氣體。該項(xiàng)作業(yè)是從液貨艙內(nèi)充滿貨物蒸氣開始，來自岸上的氮?dú)馔ㄟ^液相管充入貨艙置換貨物蒸氣，持續(xù)到貨物蒸氣的濃度足夠低，通常為 2%（體積比）以下［1］。

2.3.4 驅(qū)氣

貨艙惰化合格后，為了檢修的需要，人員需進(jìn)入貨艙，就需要使用干空氣來置換掉貨艙內(nèi)的惰性氣體。由岸上提供干空氣對(duì)液貨艙進(jìn)行持續(xù)通風(fēng)，直至貨艙內(nèi)的含氧量達(dá)到21%，可燃?xì)怏w含量為爆炸下限的1%以下，驅(qū)氣作業(yè)即可完成［2］。

3 結(jié)語

綜上所述，作業(yè)流程可分為三大部分：1）出塢裝貨前操作，其作業(yè)目的為使液貨艙內(nèi)的環(huán)境達(dá)到可直接裝載液態(tài)貨物的標(biāo)準(zhǔn)。2）正常裝卸貨航行操作，保證貨物安全地從裝貨港運(yùn)輸至卸貨港，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。3）卸貨進(jìn)塢前操作，其作業(yè)目的為使液貨艙內(nèi)環(huán)境達(dá)到人員可安全進(jìn)入貨艙進(jìn)行檢查維護(hù)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。確保作業(yè)流程安全的關(guān)鍵在于對(duì)貨艙溫度與壓力的控制。設(shè)計(jì)者必須深入剖析小型LNG運(yùn)輸船的各個(gè)作業(yè)流程，充分了解LNG船運(yùn)輸安全性與碼頭設(shè)施情況，才能設(shè)計(jì)與優(yōu)化LNG船最關(guān)鍵的核心系統(tǒng)——液貨系統(tǒng)。從而給船員操作帶來最大化的安全性和便利性。

［1］液貨氣運(yùn)輸船實(shí)用手冊(cè)［M］.哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1992.

［2］散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范［M］.人民交通出版社，2005.