小型LNG運(yùn)輸船改裝加注功能的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

梁斌，鄭坤，周毅

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

液化天然氣(LNG)作為潔凈的一次能源，在航運(yùn)業(yè)越來(lái)越受到重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020年，全球LNG燃料海船新訂單將達(dá)到千艘。屆時(shí)，全球每年將需要400萬(wàn)～700萬(wàn)t LNG船用燃料。國(guó)內(nèi)隨著LNG動(dòng)力船舶建造數(shù)量的增加，對(duì)LNG動(dòng)力船舶的氣試作業(yè)和加注作業(yè)的需求也開始上升，但目前國(guó)內(nèi)沒有在建或運(yùn)行的LNG加注船。

中國(guó)海油憑借其在沿海眾多的LNG接收終端布局和豐富的船對(duì)船過(guò)泊作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，希望能在船對(duì)船LNG加注產(chǎn)業(yè)上實(shí)現(xiàn)突破，占據(jù)市場(chǎng)先機(jī)。如何在最短的時(shí)間內(nèi)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的需求，實(shí)現(xiàn)突破，又能最大程度上減少初投資，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，成為一個(gè)迫切的問題。中國(guó)海油計(jì)劃利用小型LNG運(yùn)輸船“海洋石油301”(簡(jiǎn)稱“301船”)的富裕運(yùn)力，在保留運(yùn)輸能力的基礎(chǔ)上改造加注能力。以最小的投資，在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)加注作業(yè)能力的突破。為了確保改造工程能順利實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)改造方案要點(diǎn)進(jìn)行分析，以期對(duì)改造工程規(guī)模和難度有清晰的了解和把控。

1 總體布置改造方案

改造方案的總體布置原則。

1)對(duì)空船重量重心和受風(fēng)面積的變化進(jìn)行評(píng)估，避免其變化對(duì)穩(wěn)性、載重線以及船體強(qiáng)度帶來(lái)不可接受的影響。

2)要保證改建部分滿足相應(yīng)法規(guī)。

3)要盡可能減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)備、管系和結(jié)構(gòu)等的影響，以期減少改造工作施工量。

總體布置改造方案見圖1。

在貨艙區(qū)域前部設(shè)置首加注集管區(qū)，并配套安裝1臺(tái)軟管吊，在該吊車范圍內(nèi)安放1個(gè)副靠球。臨近集管區(qū)位置新建1個(gè)干粉間。在貨艙區(qū)前后各布置1臺(tái)橫向系泊絞車和相應(yīng)的導(dǎo)纜器。在中部露天甲板新建1個(gè)深冷機(jī)組間和深冷機(jī)組電氣室。在原軟管吊作業(yè)范圍內(nèi)安放4個(gè)主靠球。在艉部系泊區(qū)上方增建1個(gè)焚燒裝置(簡(jiǎn)稱GCU)間，并加設(shè)配套的緩沖罐。艉部左舷設(shè)置一個(gè)副靠球和配套的吊車，右舷現(xiàn)有物料吊附近設(shè)置一個(gè)副靠球。在貨艙區(qū)新設(shè)加注軟管儲(chǔ)放平臺(tái)。

根據(jù)CCS《船舶重大改裝實(shí)施指南》(簡(jiǎn)稱《改裝指南》)第1章對(duì)船型的定義：就法定要求而言，系指該指南中所涉及各公約各篇章所對(duì)應(yīng)的船舶類型；就入級(jí)要求而言，系指CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》所給出的船舶類型[1]。盡管加注船符號(hào)是“特殊任務(wù)附加標(biāo)記”，但實(shí)質(zhì)上是一種特殊的“船舶類型附加標(biāo)記”，因此，LNG加注船改造工程改變了船舶類型，屬于船舶重大改裝。要在滿足原船執(zhí)行的規(guī)范規(guī)則的基礎(chǔ)上，首先考慮原船執(zhí)行規(guī)范規(guī)則的更新，其次考慮加注船級(jí)符號(hào)帶來(lái)的有關(guān)規(guī)范規(guī)則。

《改裝指南》第2章要求載重線和穩(wěn)性需要滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測(cè)算，“301船”改造后空船重心有一定的變化，因此，空船重心和穩(wěn)性需要重新測(cè)量和計(jì)算，但微調(diào)裝載工況后，載重線吃水不發(fā)生改變。對(duì)“301船”穩(wěn)性重新校核后表明,改造后的滿載吃水沒有超過(guò)設(shè)計(jì)最大吃水，艉傾略有增大，總縱強(qiáng)度應(yīng)力水平相比改造前略有增加，但相比許用彎矩和剪力，仍然有很大的富裕。壓載工況下的最大盲區(qū)長(zhǎng)度在艉傾增加的情況下仍然滿足SOLAS的要求。

圖1 改造后的總布置圖(粗線框內(nèi)為主要修改內(nèi)容)

《改裝指南》第5章指出：船舶類型的改變，是指在油船、具有裝載散裝油類的貨物處所的非油船和其他非油船三種類型之間的改變。由于“301船”改造不屬于在這3種類型之間的改變。同時(shí)由于改造不涉及船舶線型，滿載排水量、設(shè)計(jì)載重量和快速性都沒有發(fā)生變化，因此，無(wú)需按照MARPOL對(duì)防污染和EEDI的要求重新校核。

2 加注集管區(qū)的布置

加注集管區(qū)的布置需要解決以下幾個(gè)問題：是否需要加設(shè)專用的加注集管區(qū)以及加注集管區(qū)設(shè)于何處；加注集管區(qū)和受注船的兼容性；加注系統(tǒng)的船對(duì)船接駁方式。

由于LNG運(yùn)輸船原集管區(qū)在采用軟管加注的方式下可以兼作加注集管區(qū)，因此，是否需要加設(shè)專用的加注集管區(qū)取決于加注作業(yè)時(shí)加注集管區(qū)和受注船的位置是否匹配。

加注服務(wù)的目標(biāo)船以22 000 TEU集裝箱船、11 000 TEU集裝箱船、40萬(wàn)t礦砂船、21萬(wàn)t散貨船、30.8萬(wàn)t原油船進(jìn)行分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)散貨船(包括礦砂船)受注站的位置需要安置在貨艙區(qū)域相對(duì)靠前的位置?！?01船”舯部的加注站可以實(shí)現(xiàn)加注作業(yè)，但如果在盡可能靠艏的位置設(shè)立加注站，有利于受注站的位置盡量靠近散貨船艉部，縮短受注站到燃料艙的管路長(zhǎng)度。大型集裝箱船無(wú)論受注站位于前部上層建筑還是后部上層建筑都無(wú)法和“301船”舯部集管區(qū)/加注站匹配，需要在盡可能靠“301船”艏部位置設(shè)立加注站。由于液貨船自身的集管區(qū)位于船舯，LNG加注管可以和自身的集管區(qū)統(tǒng)一考慮布置，因此，可以采用“301船”舯部的加注站進(jìn)行匹配。

根據(jù)SGMF的建議，受注船的氣液接口布置按圖2進(jìn)行，8 in管間距不小于1.25 m。鑒于新設(shè)加注站主要用于船對(duì)船加注作業(yè)，為便于現(xiàn)場(chǎng)采用快速接頭，新設(shè)加注站集管區(qū)按L-V-L的順序布置3個(gè)8 in的接口，接口間距1.25 m。這種布置對(duì)受注船均有良好的兼容性。

船對(duì)船接駁設(shè)備主要有以下3種類型：專用軟管吊、船用加注臂、軟管加軟管吊組合。加注臂和專用軟管吊的定制化、專用化特征很明顯，很難兼容不同氣液接口。設(shè)備的作業(yè)包絡(luò)線的下界較小，側(cè)向作業(yè)距離有限，需要在兩舷分別安裝，會(huì)導(dǎo)致投資大幅增加。目前應(yīng)用案例極少，可靠性和價(jià)格缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。軟管加軟管吊的類型由于適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低、重量輕、無(wú)泄漏、對(duì)船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)要求低，因此,改造方案考慮采用軟管加軟管吊的方式。

3 系泊系統(tǒng)評(píng)估以及靠球的選取

根據(jù)OCIMF的《Mooring Equipment Guidelines》(簡(jiǎn)稱MEG)3.9的要求，加注作業(yè)中的兩船之間不適合布置橫纜，推薦前后各2根倒纜，其余應(yīng)多布置艏艉纜以滿足兩船系泊的要求[2]，因此，“301船”需要在貨艙區(qū)域前后各布置1臺(tái)雙卷筒橫向絞車。

圖2 受注站的氣液接口布置要求和新增加注站的氣液接口布置

“301船”由于舾裝數(shù)大于2 000，根據(jù)IACS在2017年3月的UR A2要求，需要按側(cè)受風(fēng)面積選取纜繩和系泊設(shè)備，通過(guò)核算，該要求并未超出現(xiàn)有纜繩和系泊設(shè)備能力。因此，無(wú)須考慮改造現(xiàn)有系泊設(shè)備。

OCIMF《船對(duì)船傳輸指南》提供了一種基于等效排水量系數(shù)的快速護(hù)舷選取表，見表1。

表1 OCIMF標(biāo)準(zhǔn)船對(duì)船傳輸操作時(shí)護(hù)舷選取快速參考[3-4]

按22 000 TEU集裝箱船和“301船”的滿載排水量計(jì)算，等效排水量系數(shù)在51 000左右，選擇使用3.3 m×6.5 m的50 kPa靠球或者3.3 m×4.5 m的80 kPa靠球。在布置可行的前提下應(yīng)該優(yōu)先考慮選用50 kPa的靠球。

為防止靠泊作業(yè)期間由于疏忽大意而造成兩船之間的接觸，通常在船艏艉設(shè)置輔助碰墊，依據(jù)LNG海上駁運(yùn)操作統(tǒng)計(jì)，選取2個(gè)直徑2 m、長(zhǎng)3.5 m的輔助碰墊。

4 貨物/加注系統(tǒng)的改造

LNG運(yùn)輸船裝卸貨作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)均由碼頭調(diào)壓后進(jìn)入管網(wǎng)或者由火炬塔處理。但加注船需要船上具備處理加注作業(yè)中產(chǎn)生的BOG，甚至還需要處理驅(qū)氣作業(yè)中置換出的高氮?dú)夂刻烊粴獾哪芰?，GCU成為了必備的改造增設(shè)內(nèi)容,因此,加注船的BOG處理系統(tǒng)是和原LNG運(yùn)輸船最大的差異所在。

“301船”的氮?dú)獍l(fā)生器能力為900 m3/h, 干燥空氣發(fā)生能力4 900 m3/h[5]，可以用于燃料艙及2船的液相管和氣相管路干燥、惰化。達(dá)飛的箱船燃料艙18 600 m3，按3倍體積計(jì)算，干燥、惰化時(shí)間約為62 h，作業(yè)能力在正常范圍內(nèi)。

驅(qū)氣作業(yè)是用天然氣驅(qū)除惰化后液艙中的惰性氣體。天然氣來(lái)源于加注船液貨的強(qiáng)制蒸發(fā)，產(chǎn)生的混合氣輸回加注船，送至GCU燒掉。

表2列出驅(qū)氣時(shí)間與蒸發(fā)氣產(chǎn)量的關(guān)系。

表2 驅(qū)氣方案作業(yè)方案

驅(qū)氣作業(yè)能力需要從3個(gè)方面考慮。

1)蒸發(fā)氣生產(chǎn)能力?！?01船”已經(jīng)配置的強(qiáng)制蒸發(fā)系統(tǒng)的最大產(chǎn)量是2 000 kg/h，溫度20 ℃。

2)回氣能力。按照22 000 TEU箱集裝箱船的燃料艙設(shè)計(jì)要求，艙壓達(dá)到40 kPa時(shí)啟動(dòng)回氣，“301船”的正常艙壓可以控制在30 kPa，2艙之間的壓差維持在5 kPa以上即可自流回氣，無(wú)需專用的回氣設(shè)備。

3)GCU處理能力。GCU的處理能力應(yīng)與驅(qū)氣作業(yè)中的蒸發(fā)氣產(chǎn)量相當(dāng)。標(biāo)稱處理能力為1 500 kg/h的GCU，實(shí)際處理能力1 800 kg/h(70%CH4，30%N2)。GCU的燃料氣須滿足供氣壓力為6～750 kPa的要求?！?01船”現(xiàn)有的BOG壓縮機(jī)，處理能力1 800 kg/h(蒸發(fā)氣的密度約為1.785 5 kg/m3)，因此，驅(qū)氣作業(yè)方案具有可行性。

在受注船的艙壓高于加注船艙壓，避免產(chǎn)生閃蒸的前提下，BOG處理能力只需要消化2船滲入熱和貨泵帶入的動(dòng)能和熱能，以22 000 TEU集裝箱船為例，分主機(jī)消耗BOG(DFDE模式)和不消耗BOG(無(wú)DFDE 模式)2種工況，回氣速率數(shù)據(jù)見表3。加注作業(yè)過(guò)程蒸發(fā)氣平衡計(jì)算見表4。

表3 22 000 TEU集裝箱船回氣工況

表4 22 000 TEU集裝箱船加注作業(yè)過(guò)程蒸發(fā)氣平衡計(jì)算

由表4可見，在DFDE工作模式下，1.5 t/h的GCU已經(jīng)具備處理加注作業(yè)過(guò)程蒸發(fā)氣的能力。但在無(wú)DFDE工作模式下還有約1.0 t/h的處理能力缺口。因此,安裝1臺(tái)1.0 t/h的再液化裝置用以增強(qiáng)處理蒸發(fā)氣的能力可以作為1個(gè)可選方案。

5 計(jì)量系統(tǒng)的改造

新加坡《TECHNICAL REFERENCE LNG bunkering》明確規(guī)定了LNG采用能量計(jì)量的方式。使用科氏質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量加注質(zhì)量。組分分析儀的采樣方式可以采用在線取樣方式，也可以采用氣體樣品容器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽樣的方式[6]。

從“ENGIE ZEEBRUGGE”號(hào)加注船的加注記錄來(lái)看，其加注過(guò)程中僅對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和GCU采用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行了燃?xì)庥?jì)量，采用CTS系統(tǒng)對(duì)加注前后貨物體積計(jì)量，得到了加注LNG和回氣的體積。貨物組分和密度采用了碼頭裝貨的數(shù)據(jù)?？梢娔壳凹幼⒂?jì)量方式還是取決于買賣雙方達(dá)成的協(xié)議。

“301船”配備有經(jīng)獨(dú)立第三方和主管當(dāng)局核準(zhǔn)的用于監(jiān)測(cè)駁運(yùn)操作的CTS系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可靠精度的連續(xù)測(cè)量能力，可以用于加注作業(yè)的計(jì)量。建議改造中預(yù)留計(jì)量撬和組分分析儀的安裝位置和基座，今后視加注市場(chǎng)需求增設(shè)。

6 其他改造內(nèi)容

6.1 消防系統(tǒng)

根據(jù)《重大改裝指南》第3章要求，“301船”的防火、探火和滅火對(duì)于改造新增部分需要滿足現(xiàn)行有效規(guī)范規(guī)則。新增設(shè)備主要包括：水霧噴淋泵、干粉滅火系統(tǒng)、艏部加注站水幕系統(tǒng)和水霧噴淋系統(tǒng)、新增深冷機(jī)組的CO2滅火系統(tǒng)。

6.2 PMS系統(tǒng)改造

PMS系統(tǒng)需要為新增設(shè)備設(shè)置重載問詢功能。新增設(shè)備用電負(fù)荷較大，因此,需要根據(jù)加注作業(yè)的最大功率值，確定加注工況下電站可用率的最小數(shù)值，來(lái)設(shè)置對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)功率限制的要求。

6.3 照明/警示燈光

規(guī)范要求加注作業(yè)時(shí)必要的設(shè)施及操作地點(diǎn)應(yīng)有照明以滿足作業(yè)照度要求。每個(gè)加注站各設(shè)兩個(gè)500 W投光燈，其中一路由應(yīng)急電源供電。規(guī)范還要求加注船與受注船之間區(qū)域應(yīng)有良好照明，在“301船”的艉、舯、艏的兩舷各設(shè)置兩個(gè)500 W投光燈，其中一路由應(yīng)急電源供電。

規(guī)范要求由營(yíng)業(yè)室至救生設(shè)備登乘處的脫險(xiǎn)通道應(yīng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的燈光或光致發(fā)光條顯示標(biāo)志。加注作業(yè)區(qū)中易于觀察的位置安裝可自動(dòng)和手動(dòng)控制的紅色警示燈，警示燈在加注過(guò)程開始時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。除相關(guān)規(guī)范明確規(guī)定外，還應(yīng)對(duì)下列各處提供應(yīng)急照明。

1)貨物控制室、營(yíng)業(yè)室、加注設(shè)備就地操作位置。

2)加注船與受注船的人員通道(如適用)。

3)加注設(shè)備與受注船的連接處。

4)布置有加注設(shè)備的區(qū)域及其通道。

6.4 電力系統(tǒng)改造方案

對(duì)電力系統(tǒng)的改造主要是由于新增和改造加注設(shè)備的供電和監(jiān)控，以及安全的要求，為加注船增加GCU、再液化設(shè)備和安全有關(guān)系的系統(tǒng)或設(shè)備。

6.5 內(nèi)部通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)

與大型LNG船的船岸連接系統(tǒng)需遵循ISO 28460標(biāo)準(zhǔn)不同， LNG加注船船船連接系統(tǒng)并沒有適用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段多數(shù)采用通用安全連接系統(tǒng)(USL)。該系統(tǒng)既滿足LNG加注船的船岸和船船連接需求，又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本。為使本項(xiàng)目滿足《液化天然氣燃料加注船舶規(guī)范》和ISO、IGF對(duì)加注船的要求，本項(xiàng)目對(duì)控制、報(bào)警、通信的系統(tǒng)改造主要包括：新增1套CCTV系統(tǒng)；每個(gè)加注站區(qū)域增加2個(gè)氣體探測(cè)系統(tǒng)手動(dòng)報(bào)警按鈕用于啟動(dòng)報(bào)警；新增1套USL系統(tǒng)；增加1套ESD系統(tǒng)；新增1套聲力電話系統(tǒng)。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)“301船”加注功能改造的設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析，明確該船改造工作范圍和內(nèi)容，確定重要技術(shù)參數(shù)，為后續(xù)的投資決策提供必要的支持。

LNG加注功能改造是相對(duì)冷門的技術(shù)領(lǐng)域，和新造船項(xiàng)目有共通之處，但有其特殊性。需要注意LNG運(yùn)輸船加注改造涉及的技術(shù)要點(diǎn)和改造內(nèi)容不限于本文所述部分，不同的LNG運(yùn)輸船改造前的不同技術(shù)狀態(tài)會(huì)帶來(lái)不同的改造內(nèi)容和技術(shù)要點(diǎn)。