一種可換箱加注的LNG船用燃料罐箱及燃料供應系統(tǒng)研究

蔣平安，陳來生，張培培，樊　杰

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 城港路155號 226002)

0　引　言

隨著全球海事界對有害物質(zhì)排放要求的日益嚴格，特別是近海及港口等一些排放控制區(qū)的規(guī)定，越來越多的船東已經(jīng)使用或考慮使用LNG作為船舶的清潔燃料。然而LNG動力船舶的迅速發(fā)展，使得LNG燃料加注供應的問題成為制約LNG動力船發(fā)展的一個最主要因素；這主要是由于目前LNG動力船舶都使用固定式燃料罐，燃料的加注供應依賴船舶靠岸或加注躉船加注，而船舶受潮漲、潮退影響，無法確定停泊的位置，且LNG輸送管道均為低溫管道，這種低溫管道屬于硬管，不易延展和伸縮，因此，岸邊的加注站給船舶加氣存在極大困難。建造LNG加注(躉)船進行LNG動力船舶燃料加注雖是比較好的模式，但由于LNG加注船的投資成本非常高，在航行區(qū)域內(nèi)LNG動力船舶投運數(shù)量達到一定量后，才會考慮建造加注船。目前建成使用的LNG水上加注船數(shù)量有限且分布不均，所以海洋LNG動力船舶燃料加注主要還是采用岸基罐車碼頭加注模式，存在加注時間長，安全隱患多的缺點，導致LNG動力船的大規(guī)模應用受到嚴重制約?？梢剖絃NG燃料罐箱在陸上液化站完成充裝后，再通過陸海聯(lián)運到港口碼頭，吊裝或滾裝固定到船上，其LNG“加注”作業(yè)可在現(xiàn)有大部分港口碼頭完成，不受水上加注站的制約，因而可移動式LNG燃料罐箱在船舶上應用得到重視。

新加坡港作為全球船舶中轉(zhuǎn)樞紐港，近年來一直致力于倡導船舶清潔能源應用。我司經(jīng)過同船東、ABS船級社和船廠就選型LNG罐箱作為船用燃料罐的可行性、安全性、加注技術優(yōu)勢等反復論證；罐箱結(jié)構方案、燃料換箱加注及工藝的總體解決方案等分析討論；最終采用船用燃料罐箱給LNG動力拖輪供氣的創(chuàng)新技術模式，獲船東和ABS的一致認可；2016年新加坡港啟動了全球首例采用可換箱加注船用燃料罐箱及燃料供應系統(tǒng)的LNG動力拖輪研制。

1　技術路線介紹

可換箱加注船用燃料罐箱是一種雙規(guī)范船用多功能可移式燃料罐+罐箱產(chǎn)品；設計和制造同時滿足IMDG罐箱規(guī)范和IGF船用燃料罐規(guī)范認證；產(chǎn)品制造同時取得罐箱證書和船級社證書，具有較大的技術跨度，是一款行業(yè)首創(chuàng)新型罐箱產(chǎn)品。

燃料罐箱結(jié)構設計中，采用了應變強化技術、低溫真空技術、絕熱技術與支撐結(jié)構技術、CAE仿真模擬分析技術；同時燃料罐箱底出液管低溫雙壁管和外罐不銹鋼材質(zhì)設計，創(chuàng)新IGF規(guī)范的LNG泄漏圍護結(jié)構，免除管閥系統(tǒng)的密封冷箱設計；實現(xiàn)燃料罐與供氣撬聯(lián)結(jié)和拆卸方便性；另外燃料罐箱采用可快速拆裝的集裝箱角件鎖與船舶固定聯(lián)接，罐箱作為C型燃料罐給LNG動力船供給燃料；當罐箱燃料用完后，船舶靠泊港口碼頭，將船舶空燃料罐箱連接管道和固定角件鎖拆開吊下船，將滿燃料罐箱吊上船與供氣管道連接供給船舶燃料?？展尴渌懧?lián)運到LNG加注工廠加注，注滿后水陸聯(lián)運到港口碼頭儲備。保證換箱加注的可實施性，同時滿足了罐箱陸海聯(lián)運要求。產(chǎn)品具有換箱加注、堆碼擴容、岸基維護保養(yǎng)、陸海聯(lián)運技術特點。船舶示意圖見圖1。

圖1　船舶示意圖Fig.1　Ship schematic

2　20英尺雙標船用燃料罐箱介紹

2.1　主要技術參數(shù)(表1)

設計、制造與檢驗所遵循的標準、規(guī)定：

UN portable tank T75 per INTERNATIONAL MARITIME DANGEROUS GOODS CODE

《國際海運危險貨物規(guī)則 聯(lián)合國T75可移動罐柜》；

European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road

《危險貨物國際道路運輸歐洲公約》(ADR)；

THE INTERNATIONAL CONVENTION FOR SAFE CONTAINERS (CSC), 1972

《1972年國際集裝箱安全公約》；

CUSTOMS CONVENTION ON CONTAINERS, 1972

《1972年集裝箱關務公約》；

ISO 1496-3 Series 1 Freight Containers-Specification and Testing-Part 3:Tank Containers for Liquids, Gases and Pressurized Dry Bulk

《貨運集裝箱系列1.規(guī)范和試驗.第3部分：液體、氣體和加壓散料用罐式集裝箱》；

International Maritime Dangerous Goods Code(IMDG),2002

《國際海運危險貨物規(guī)則》；

Specification For Insulated Cargo Tank For Nonflammable Cryogenic Liquids(CGA341) Sixth Edition

表1　主要技術參數(shù)Table 1　Main technical parameters

《不易燃的低溫液體用隔熱載油艙規(guī)范》第6版；

International Code Of Safety For Ships Using Gases Or Other Low-flashpoint Fuels(IGF CODE)

《使用氣體或其它低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》(IGF規(guī)則)；

ASME Ⅷ Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1 for pressure vessel.

《壓力容器建造規(guī)則 第八卷》；

ABS Gas Fueled Ships Guide

ABS《氣體燃料船指南》。

2.2　燃料罐箱結(jié)構介紹

圖2　船用燃料罐箱簡圖Fig.2　Diagram of marine fuel tank

船用LNG燃料罐設計遵循IGF規(guī)則，連接于燃料艙液面以下的液相管道，燃料罐與第一個閥間的管路需要設計次屏蔽保護，防止LNG直接泄漏到甲板導致船舶的損毀。燃料罐箱采用了獨特的不銹鋼外殼次屏蔽和液相管道雙壁不銹鋼次屏蔽結(jié)構，以適宜可移動式船用燃料罐箱的水陸聯(lián)運。

船用燃料罐箱(以下簡稱：罐箱)主體采用了高真空多層絕熱的絕熱型式，內(nèi)容器的材料為SA240 304，外殼的材料為SA240 304，框架材料為SPA-H。內(nèi)容器和外殼之間采用了一端玻璃鋼支撐(移動端)，另一端支撐錐支撐(固定端)結(jié)構，使其保持良好的受力狀態(tài)，并連接牢固。罐體與框架的連接采用COLLAR支撐結(jié)構。罐箱上設安全組合裝置，用以防止升壓過高，從而保證罐體的安全。內(nèi)容器與外殼之間的夾層上設有外殼安全裝置，防止因真空夾層的真空丟失而導致升壓過快，從而確保外殼的安全。

罐箱在框架前后端分別設有閥門箱及工具箱。閥門箱及工具箱的材料為SA240 304，閥門箱、工具箱與罐體采用焊接連接，從而防止管路泄漏而對船體損壞。閥門和儀表集中放置在閥門箱中，電磁閥及防爆接線箱等電控元件集中放置在工具箱中。

2.3　液相管路次屏蔽結(jié)構介紹

圖3　液相管路次屏蔽結(jié)構圖Fig. 3　The secondary shielding structure of the liquid phase

次屏蔽管技術可以實現(xiàn)船用燃料罐箱的管閥氣密冷箱免除，簡化燃料罐箱閥門箱結(jié)構，滿足燃料罐箱水陸聯(lián)運要求。當燃料艙管路LNG泄漏時，LNG首先漏到次屏蔽管路與燃料艙管路夾層空間，屏蔽了低溫液體直接泄漏到船體上，防止船舶結(jié)構的低溫下降到不安全程度。

燃料艙液面以下管道穿入次屏蔽管道中，雙層管道與鍛制雙壁管接頭對接焊，采用內(nèi)壁管規(guī)格彎管模具進行雙層管彎管，彎制成型的雙層管路為雙壁管道。雙壁管道一端的鍛制雙壁管接頭與燃料艙封頭焊接，管道引出不銹鋼圍護屏外殼后，另一端與第一道閥門對焊。

雙壁管道的夾層中充入一定量的氮氣，雙壁管道的次屏蔽管上開設一個或若干檢測孔，檢測孔上焊接取樣管路，連通壓力變送器和可燃氣體分析儀，實時監(jiān)測雙壁管路壁間壓力變化及壁間可燃氣體檢測分析，監(jiān)測燃料艙液面以下管道液體是否泄漏。

2.4　燃料罐箱與船舶固定結(jié)構

圖4　燃料罐箱與船舶固定結(jié)構Fig. 4　Fuel tank and ship fixed structure

罐箱與船體之間采用角件鎖連接，手動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鎖緊，可實現(xiàn)快速換箱的功能。

3　燃料供應系統(tǒng)介紹

3.1　供氣系統(tǒng)工藝介紹

圖5　供氣系統(tǒng)工藝流程圖(PID)Fig. 5　Process flow chart of gas supply system (PID)

燃料罐箱及供氣系統(tǒng)工藝流程主要分為卸車、增壓、供氣、EAG放散、氮氣置換、罐箱及管路初次惰化冷卻六種基本功能。

3.1.1加注流程

1．岸基槽車加注：從岸上來的LNG(過磅)→加注軟管→充裝撬→LNG燃料罐箱。

2．換箱加注：空箱連接管道拆下，集裝箱角件鎖拆除→空箱吊下船→滿箱吊上船→管道連接，鎖鍵緊固。

3.1.2增壓流程

LNG燃料罐箱→LNG管路→水浴式增壓器→LNG燃料罐箱氣相。

3.1.3供氣流程

LNG燃料罐箱→LNG管路→水浴式氣化器→緩沖罐→調(diào)壓系統(tǒng)→發(fā)動機。

3.1.4EAG放散

LNG燃料罐箱/管路→安全閥→LNG透氣總管。

3.1.5氮氣置換

制氮機→管路吹掃口→排放閥→安全放散系統(tǒng)。

3.1.6罐箱及管路初次惰化冷卻

常溫氮氣→罐箱/管路→放散總管；

低溫氮氣/液氮→罐箱/管路→放散總管。

3.2　供氣系統(tǒng)總體設計介紹

供氣系統(tǒng)主要設備包括2臺20 ft LNG燃料罐箱，1臺氣化調(diào)壓撬，1臺充裝撬，1臺循環(huán)水泵、設備間連接管路以及控制系統(tǒng)組成。單臺LNG燃料罐箱有效容積是18.54 m3。燃料罐箱對外設有5個連接口，分別為充裝口、回氣口、出液口、儀表空氣口、放空接口，所有接口均為法蘭連接。氣化調(diào)壓撬由水浴式氣化器、1000 L緩沖罐、調(diào)壓系統(tǒng)以及管閥儀表等組成。氣化調(diào)壓撬及充裝撬均設有不銹鋼積液盤，同時調(diào)壓撬及充裝撬與船體間鋪設玻璃鋼板，以防止泄漏的LNG通過框架對船體造成低溫影響。

燃料罐箱以及充裝橇位于船舶甲板上，氣化調(diào)壓撬位于甲板下，其間高差約3 m。氣化撬進液口與罐箱出液口相連接，氣化撬增壓出氣口與罐箱回氣口相連接，氣化撬的出氣口經(jīng)緩沖罐以及調(diào)壓裝置向船舶的主機提供氣體燃料。汽化器/增壓器采用船舶主機循環(huán)水通過循環(huán)水泵進行加熱，既減少外部能源消耗，又避免了氣化過程對外部環(huán)境的污染。

罐箱與充裝撬采用不銹鋼硬管以及金屬軟管的連接方式，降低熱脹冷縮以及加工誤差引起的應力。同時，低溫管路采用柔性保溫材料LTD和LT進行多層復合保溫。整個供氣系統(tǒng)均做防靜電設計，對所有密封墊片的管接頭結(jié)構均設有電氣連接裝置。

整套供氣系統(tǒng)可實現(xiàn)完全遠程自動化操作，同時控制系統(tǒng)放置在駕駛室，以便航行過程中監(jiān)測。燃料罐箱設有液位及壓力測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)罐箱液位計壓力遠程控制和就地顯示。當罐箱液位達容積的80%時，系統(tǒng)液位報警裝置將發(fā)出聲光報警信號，當罐箱液位達容積的90%時，控制系統(tǒng)將關閉卸車管路中的緊急切斷閥。當罐箱液位降到容積的20%時，系統(tǒng)液位報警裝置將發(fā)出聲光報警信號。當罐箱壓力達到安全閥整定壓力的90%時，將觸發(fā)高壓警報。實際使用中，可選擇兩個罐箱同時供液，也可選擇先使用其中一臺。液相、氣相以及溢流位置溫度測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)就地顯示及遠傳監(jiān)測。

每臺罐箱、氣化調(diào)壓撬、充裝撬分別設有固定式可燃氣體探測器，當探測器監(jiān)測到可燃氣體濃度達到20%LEL時，控制系統(tǒng)將發(fā)出聲光報警信號，當可燃氣體濃度達到40%LEL時，安全保護系統(tǒng)啟動。

圖6　燃料罐箱及供氣系統(tǒng)總體布置圖Fig. 6　General arrangement of fuel tank and gas Supply system

圖7　燃料供應撬方案圖Fig.7　Fuel supply portable diagram

圖8　充裝撬方案圖Fig.8　The fuel filling portable

4　燃料罐箱加注特點和風險

船用LNG燃料罐箱具有的換箱加注特色模式：可移動式LNG燃料罐箱在陸上LNG工廠完成充裝后，再通過陸海聯(lián)運到港口碼頭，通過吊裝或滾裝固定到船上；其LNG“加注”作業(yè)可在現(xiàn)有大部分港口碼頭完成，不受水上加注站的制約；與固定式船用燃料罐比較，具有顯著不同的特點：

1．燃料換箱“加注”操作頻繁；燃料罐箱一般采用標準20 ft或40 ft罐箱，在陸地LNG工廠完成充裝后，通過公路、鐵路或水路運輸?shù)酱a頭，吊裝上船完成換箱“加注”；標準罐箱作為燃料供應罐，其裝量容積有限，對于燃料耗量較大的大型遠洋船舶，為保證船舶燃料正常供應，其換箱“加注”操作比配置大型固定式LNG燃料罐加注更加頻繁。存在一定的吊裝失效風險。

2．燃料罐箱與船舶供氣系統(tǒng)軟管連接模式；與配置固定式燃料罐不同，燃料罐箱作為可移動搬卸的燃料供應罐，必須采用柔性軟管與船舶固定安裝的供氣系統(tǒng)連接，并且每次的換箱“加注”前后，均需要進行軟管接頭的斷開和重新連接。存在一定的連接失效風險。

3．燃料罐箱船上可堆碼擴容布置；2個以上的固定式燃料罐在甲板上布置時，一般采用單層并排方式，空間浪費嚴重；燃料罐箱可以互相之間堆碼或者與其他貨物集裝箱堆碼，充分利用甲板高度方向的空間；但也存在堆碼失效的風險。

圖9　燃料罐箱充裝LNGFig.9　Fuel tank filling of LNG

圖10　燃料罐箱運輸及吊裝換箱加注Fig.10　Fuel tank transportation, hoisting and changing

5　結(jié)束語

研發(fā)的船用燃料罐箱是一款既符合罐箱規(guī)范又符合船用燃料罐規(guī)范的雙規(guī)范產(chǎn)品，既可用于LNG運輸，又可用于LNG動力船舶燃料供應，具有快速換箱加注、堆碼擴容、上岸維護、陸海聯(lián)運等特點，目前屬行業(yè)首創(chuàng)；項目產(chǎn)品研制過程中，聯(lián)合船舶設計院、船級社、海事，基于風險評估理論，開展了LNG罐箱用于LNG運輸、船舶燃料供應、儲存及加注等水上應用的關鍵技術研發(fā)和試點試驗研究；首套產(chǎn)品試制成功后交付新加坡港口拖輪使用，其成功運行將為行業(yè)制定相關的安全技術標準積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，為LNG罐箱水上產(chǎn)業(yè)鏈的安全應用提供技術保障。

罐箱作為船用可移式LNG燃料罐工況為“裝船—供氣—卸船”，循環(huán)使用過程存在4種主要失效風險：吊裝失效、隔離失效、供氣連接失效和堆碼失效風險；筆者將跟進新加坡港口首條拖輪的運營情況，繼續(xù)進行安全性研究。