LNG動力船舶加注碼頭加注工藝設(shè)計

張軒維 徐宏斌

中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

1 引言

為推進(jìn)綠色航運發(fā)展和船舶節(jié)能減排，液化天然氣(以下簡稱LNG)等清潔能源在我國內(nèi)河、沿海船舶燃料的應(yīng)用越來越普遍。目前，國內(nèi)LNG加注在內(nèi)河航運發(fā)展較快，已建成投用多座船舶LNG加注站。以長江LNG加注站及配套碼頭項目的建設(shè)為依托，介紹項目的設(shè)計經(jīng)驗，供類似工程參考。

2 項目基本情況

該項目采用岸站向LNG船加注的方式，利用陸域建設(shè)LNG加注站內(nèi)的儲罐，沿陸域管道、引橋或引堤上管道(如有)輸送至碼頭前沿，通過低溫軟管或輸液臂、輸氣臂對靠泊在加注碼頭的LNG動力船加注[1]。該方式可以兼顧小容量、大容量的充裝。

該項目岸站占地約7 000 m2,岸站內(nèi)設(shè)有2座LNG低溫儲罐、加注泵、配電間、控制室、放散系統(tǒng)等，并設(shè)有LNG槽車卸車設(shè)施。

3 工藝流程

加注站工藝流程為：LNG通過槽車運輸至岸站，經(jīng)卸車裝置卸至加注岸站儲罐，再由儲罐通過低壓加注泵輸送至碼頭對LNG動力船舶進(jìn)行加注，同時卸車及加注產(chǎn)生的氣相BOG(Boil-off Gas,蒸發(fā)氣體)返回至加注站內(nèi)儲罐。

3.1 加注工藝流程

岸基LNG加注典型工藝流程見圖1。如有多個罐或加注點，則需多套流程。LNG加注液相流程為：LNG槽車或管道→罐1→閥1→泵1→陸域管線→閥2→水域管線→碼頭平臺閥區(qū)、加注機→加注臂/低溫軟管→船舶燃料艙。LNG加注氣相流程為：船舶燃料艙→回氣臂/低溫軟管→加注機、碼頭平臺閥區(qū)→水域管線→閥3→陸域管線→閥4→罐1。

圖1 岸基加注典型工藝流程

3.2 卸車工藝流程

LNG卸車流程為：LNG液相低溫軟管→泵2→卸車管線→罐1(見圖2)。當(dāng)槽車罐內(nèi)液位較低或罐1壓力較高時，需啟動增壓流程，利用增壓器氣化LNG，提高槽車罐內(nèi)壓力，進(jìn)而提高泵2的出口壓力，將液相輸送至罐1；或通過卸車泵副線直接將液相壓入罐1。

圖2 LNG卸車典型工藝流程

3.3 保冷工藝流程

碼頭無加注作業(yè)時，碼頭加注總管需要進(jìn)行小流量的LNG液相循環(huán)來保持低溫，用于保冷循環(huán)的LNG由岸站循環(huán)泵或小型加注泵通過冷循環(huán)管線輸送至碼頭前沿，然后通過加注總管返回儲罐。循環(huán)流程為：罐1→閥5→泵2→陸域管線→閥6→水域管線→碼頭前沿加注總管→加注總管水域管線→閥2→陸域管線→閥1→罐1。

3.4 BOG回氣和放散流程

碼頭、卸車區(qū)、加注泵撬附近產(chǎn)生的BOG均通過回氣管道返回站內(nèi)LNG儲罐，超壓后BOG也可進(jìn)入BOG緩沖罐，再通過放散系統(tǒng)放空。當(dāng)儲罐超壓時，罐頂設(shè)置的安全閥排出的BOG也經(jīng)過放散系統(tǒng)放空。

4 碼頭加注點布置

4.1 船舶加注位置

船舶主機位于船舶艉部，LNG儲罐也安裝在艉部，故多數(shù)LNG動力船受注口位于船舶艉部，船舶左右舷均有接口，但個別改造的小型船舶只有一側(cè)有受注口。液體散裝貨物運輸船舶管匯接口一般位于船舯，這是船舶LNG加注碼頭設(shè)計應(yīng)當(dāng)慎重對待的關(guān)鍵點。

4.2 碼頭加注點布置

內(nèi)河LNG加注碼頭加注設(shè)備布置應(yīng)考慮受注船的適應(yīng)性，布置在船舶受注接口附近。在設(shè)計加注點布置時，應(yīng)明確船舶受注口布置情況，結(jié)合碼頭各尺寸船舶靠泊組合情況，合理布置加注臂或加注軟管，不同大小船舶加注點能盡量合并，減小工程造價。

(1)碼頭較小，受注船型較少時，以圖3中船型組合為例，可?？?艘10 000 DWT受注船，或同時?？?艘500 DWT受注船。在對應(yīng)大船艏艉兩端的位置均設(shè)置加注點，確保船頭朝向不同時均可加注，且適合感潮河段的碼頭加注，同時可滿足小船的加注需求。當(dāng)小船只有一側(cè)有受注口時，若受注口在船體左側(cè)，可選擇?？吭趫D3中右側(cè)加注點，反之可停靠在圖3中左側(cè)加注點。

圖3 短碼頭船型組合圖

(2)碼頭較長，受注船型較多時，以圖4中船型組合為例。如果4種船型組合船舶受注口處均設(shè)置加注點，泊位上需設(shè)置加注點過多，且建成后碼頭前沿較為雜亂，操作、管理均不便利，設(shè)備投資也較高?？筛鶕?jù)LNG船舶發(fā)展?fàn)顩r，將部分船型組合優(yōu)化：①目前內(nèi)河5 000 DWT及以上噸級船舶采用LNG作為燃料的較少，可以考慮減少10 000 DWT加注點設(shè)置；②20 000 DWT加注點可預(yù)留，近期僅為10 000 DWT及以下噸級的船舶提供加注服務(wù)；③同時?？?艘500 DWT受注船情況較少，且500 DWT受注船可以兼顧靠在3 000 DWT加注點。因此，簡化后可僅保留3個3 000 DWT加注點，1個10 000 DWT加注點。按此方案布置加注點，船舶需按設(shè)計船型布置的方式?？?。

圖4 長碼頭船型組合圖

5 主要加注設(shè)施

5.1 加注管道

碼頭工藝管道尺寸主要根據(jù)加注流量確定，根據(jù)前文擬定的單艘船舶加注流量，再結(jié)合碼頭船型組合確定同時加注船舶數(shù)量，即可確定總流量，最終確定加注主管尺寸、各加注點加注管道尺寸。

管道材質(zhì)可選擇ASTM A312-TP304，管道保冷材料及外保護(hù)層、管道支架等宜選擇不燃性材料或難燃性材料。

由于內(nèi)河水位變化比較大，當(dāng)碼頭采用浮式碼頭時，主管道局部應(yīng)采用軟管連接，軟管需用不銹鋼低溫軟管，適合LNG輸送。

5.2 LNG儲罐

岸基加注站儲存容積應(yīng)考慮日常加注量，結(jié)合LNG補給便利性和及時性，內(nèi)河岸基加注站最大儲存容積不超過2 000 m3；內(nèi)河Ⅳ～Ⅶ航道岸基加加注站總罐容不超過500 m3，有利于控制加注碼頭處通航密度，保證通航安全。

根據(jù)《船舶液化天然氣加注站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51312-2018)的規(guī)定，岸站儲罐的單罐最大罐容不超過250 m3。

LNG儲罐選用真空絕熱罐，設(shè)計壓力建議盡量提高，因為當(dāng)船舶不能及時加注LNG時，尤其是雙燃料船舶，船上LNG儲罐壓力逐步升高，安全閥起跳頻繁，岸罐高壓力有利于接收船罐BOG,保證加注作業(yè)順利完成。

5.3 加注設(shè)備

5.3.1 加注臂、低溫軟管

船岸連接設(shè)備可采用加注臂或者低溫軟管，采用低溫軟管時，宜設(shè)置軟管吊機，低溫軟管長度宜小于15 m。大型內(nèi)河LNG動力船如10 000 DWT及以上的泊位，由于加注流量較高，管徑選取較大，為便于操作控制，可設(shè)置加注臂、氣相返回臂。小型內(nèi)河LNG動力船可采用低溫軟管，并設(shè)置軟管吊機。

對于改造不規(guī)范，僅船體單側(cè)設(shè)有受注口的，存在加注臂/軟管無法與受注口連接的問題，經(jīng)調(diào)研，目前有的加注碼頭針對這類船舶額外配置1～2根低溫軟管，延長連接距離。

為避免LNG泄漏，加注臂可考慮配置ERC(Emergency Respense Center,緊急脫離系統(tǒng))，低溫軟管端部配置拉斷閥。

5.3.2 LNG定量加注設(shè)施

碼頭每個加注點需設(shè)置LNG定量加注機。加注機應(yīng)具備計量、計價、自動切斷功能，并在碼頭中控室設(shè)置電腦監(jiān)控，由電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、顯示、計費、票據(jù)打印等功能。

5.3.3 加注泵及卸車泵

加注泵及卸車泵可選用立式潛液泵，該型泵一般由低溫潛液電動機、導(dǎo)流器、電動機、推力平衡結(jié)構(gòu)以及軸承等組成。泵為離心泵結(jié)構(gòu)，滿足-196℃的低溫要求，并具有好的抗氣蝕性能[2]。

該型泵可成撬安裝，設(shè)置泵池。加注泵也可不設(shè)置泵池而安裝在儲罐內(nèi)部。該泵的優(yōu)點如下：①潛液泵無密封結(jié)構(gòu)，泵的電機等核心部件均沉沒在LNG中，在降低了設(shè)備工作產(chǎn)生噪聲的同時，杜絕了電機與空氣的接觸，不存在爆炸風(fēng)險；②泵內(nèi)平衡機構(gòu)可有效平衡軸向力，延長軸承使用壽命；③軸承可通過介質(zhì)自身潤滑，不需要設(shè)計額外的潤滑油系統(tǒng)。

5.3.4 卸車增壓器

為保證順利卸車，一般需將LNG槽車罐內(nèi)壓力維持在0.6 MPa左右，當(dāng)槽車內(nèi)壓力較小時或儲罐壓力較高時，需依托卸車撬中的增壓流程，利用增壓器提高潛液泵出口壓力，將液相輸送至加注站內(nèi)儲罐。增壓器可選擇空溫式換熱器。

5.3.5 放散系統(tǒng)

放散系統(tǒng)主要用于BOG集中放空，平面布置和高度要滿足規(guī)范要求，保證安全。放散系統(tǒng)具有加熱功能，可將較冷的BOG加熱到合適溫度，使BOG比空氣輕，再放散排放。

6 加注流量的確定

目前3 000 DWT LNG動力船的燃料艙容積多為20 m3。按照《內(nèi)河天然氣燃料動力船舶法定檢驗暫行規(guī)定(2013)》中的相關(guān)規(guī)定，對于放置在開敞式船艙的LNG燃料罐最大容積不得超過20 m3；5 000～10 000 DWT內(nèi)河貨船、江海直達(dá)型貨輪或海輪目前也逐漸增多，且該類船只燃料艙大小及加注量與其噸位和航線距離有關(guān)，為150～500 m3。

《內(nèi)河液化天然氣加注碼頭設(shè)計規(guī)范》(試行)中規(guī)定“一艘船的凈加注時間，可取0.5～1 h”，因此，小船單次加注量可定為約30 m3/h，大船單次加注量可定為約300 m3/h。

7 結(jié)語

LNG作為船舶燃料已經(jīng)成為內(nèi)河航運發(fā)展的大趨勢，本文介紹的內(nèi)河LNG加注碼頭的工藝設(shè)計主要設(shè)計技術(shù)，相關(guān)成果可供LNG碼頭設(shè)計時參考。