LNG動力船舶燃料艙預(yù)冷加注關(guān)鍵工藝技術(shù)

邱春東，楊春暉，張 劍2,，李永正，包國治，濮春榮

(1.華潤(南京)市政設(shè)計有限公司，江蘇 南京 211111；2.華潤燃?xì)?上海)有限公司，上海 201900；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

全球低碳和節(jié)能減排的趨勢使各國航運(yùn)業(yè)均在尋找新的替代能源。作為清潔低碳能源，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)顯然可滿足國際公約和國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，在能源替代方面贏得先機(jī)，LNG將在燃料動力應(yīng)用發(fā)展方面迎來新的機(jī)遇[1]。

國際海事組織明確要求，自2020年1月1日起，在全球船舶所消耗燃油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)降至0.5%[2]。船舶若此后繼續(xù)在污染控制區(qū)航行，為滿足嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)，則必須在使用LNG、安裝洗滌器和使用低硫燃油中作出抉擇。低硫燃油供應(yīng)量有限，而船舶需求的增大必然導(dǎo)致低硫燃油價格的上漲。洗滌器的安裝需要在船舶上進(jìn)行重大改造，無疑會大幅提高船舶的運(yùn)營成本；同時，洗滌器的廣泛使用受到持續(xù)監(jiān)控減排和碼頭污染處理設(shè)施等因素的限制[3]。相比之下，LNG具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此，使用LNG是擺脫對船用傳統(tǒng)燃油依賴的較為有效的措施[4]。

由于LNG的超低溫特性，大量低溫液體在進(jìn)入常溫儲罐時，會出現(xiàn)急劇且不均勻的降溫現(xiàn)象，使罐體內(nèi)的應(yīng)力集中，且罐內(nèi)壓力急劇升高，危險性較大，因此LNG燃料艙及其附屬管路在正式注入低溫液體前，應(yīng)進(jìn)行充分冷卻，即需要一個預(yù)冷過程[5]。該過程是LNG動力船舶在投運(yùn)前不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)船舶燃料艙在設(shè)計和建造過程中有無缺陷及各項(xiàng)指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計要求的重要步驟，是LNG動力船舶燃料艙在加注后試航檢驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。LNG燃料艙預(yù)冷過程包含氣液兩相共存的復(fù)雜熱交換過程，預(yù)冷介質(zhì)的特性、加注量、加注速度和加注流程對預(yù)冷效果、預(yù)冷時間和預(yù)冷成本均具有較大的影響，如何控制預(yù)冷介質(zhì)的加注量和加注速度是關(guān)鍵技術(shù)[6]。李欣欣等[7]結(jié)合LNG加注系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，提出多輛LNG槽車匯流加注的總體設(shè)計方案；劉騰龍等[8]研究槽車對船用LNG燃料罐的惰化、預(yù)冷和加注，提出加注方案；徐建勇等[9]識別LNG加注船及加注作業(yè)的危險源，提出事前預(yù)防與事后防護(hù)措施，并給出加注船與受注船兼容性方面的考慮。在此基礎(chǔ)上，所進(jìn)行的研究更加側(cè)重針對某一具體船舶進(jìn)行論述，將工藝流程中的參數(shù)細(xì)化至加注溫度、流速、壓力和時間等，可為相關(guān)作業(yè)提供實(shí)際性指導(dǎo)。

1 熱傳導(dǎo)原理

1.1 傅里葉定律

熱傳導(dǎo)是在介質(zhì)內(nèi)無宏觀運(yùn)動時的傳熱現(xiàn)象，主要存在于固體之間及靜止氣體或液體中，在流體中與熱對流同時發(fā)生。

在傳熱過程中，在單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，其大小與截面面積和截面方向上的溫度梯度成正比，且熱流方向與溫升方向相反[10]。

適用于均勻且各向同性固體的傳熱問題，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

q=-λgradT

(1)

式中：q為熱流密度，W/m2；λ為傳熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，℃。

在溫度梯度確定的情況下，熱流密度隨著材料導(dǎo)熱系數(shù)的加大而增加。導(dǎo)熱系數(shù)主要受材料物態(tài)和材料類型的影響[11]。與液體相比，固體金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較大，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。由式(1)可推出式(2)，即通過試驗(yàn)獲得導(dǎo)熱系數(shù)的理論基礎(chǔ)：

(2)

1.2 牛頓冷卻公式

對流換熱是一種重要的傳熱方式，其發(fā)生是由于流體不同部分的相對位移引起的宏觀流動，熱傳遞過程由具有溫度梯度的流體融合引起。牛頓冷卻公式是對流換熱的計算公式，若2種流體的接觸表面積為A，則通過接觸表面的換熱量Q的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Q=hAΔt

(3)

式中：Δt為固體表面與流體的溫差；h為比例系數(shù)，稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

2 LNG動力船舶基本參數(shù)

2.1 LNG動力船舶主要尺寸

選取的某型LNG動力船舶是目前世界上最大的采用LNG雙燃料推進(jìn)的集裝箱船，主要尺寸如表1所示。

表1 主要尺寸

2.2 燃料艙參數(shù)及加注要求

該型船的LNG動力燃料艙采用法國GTT公司的薄膜艙，艙內(nèi)容積為18 600 m3，設(shè)計溫度為-163 ℃，最大允許工作壓力為0.07 MPa。加注站位于艏島下部、LNG燃料艙上部兩舷，距基線約24.0 m。加注管接口管直徑為200 mm，接口高度約24.0 m，最大加注流速為10 m/s，最大加注流量為1 100 m3/h，LNG裝載效率為1 000 m3/h，LNG卸載效率為64 m3/h。

根據(jù)LNG燃料艙預(yù)冷加注的技術(shù)要求[12]，一般燃料艙加注可分為初始冷卻、艙室冷卻和裝載等3個階段，如圖1所示，每個過程均存在氣液兩相的熱換過程，對預(yù)冷介質(zhì)加注量和加注速度的控制標(biāo)準(zhǔn)較高。在初始冷卻和艙室冷卻過程中，應(yīng)根據(jù)內(nèi)置傳感器實(shí)時獲得艙內(nèi)的冷卻溫度和冷卻狀態(tài)，以便控制預(yù)冷介質(zhì)的加注量和加注速度。

圖1 燃料艙加注的3個階段

3 預(yù)冷加注技術(shù)要求

3.1 預(yù)冷加注階段劃分

該型船LNG燃料艙的預(yù)冷加注步驟可分為如下5個階段：

(1)第一階段：在預(yù)冷前用氮?dú)獯祾撸瑢⑺羞B接軟管內(nèi)的水分吹干，將氣體的露點(diǎn)溫度控制在-40 ℃，艙內(nèi)氧的體積分?jǐn)?shù)<2%。

(2)第二階段：在艙內(nèi)進(jìn)行氣體預(yù)冷，通過控制艙內(nèi)壓力和氮?dú)饬髁?，確保燃料艙放空閥口處測試氣體溫度至-10 ℃以下，中控和現(xiàn)場觀察罐底部溫度在-10 ℃以下則氣體預(yù)冷結(jié)束。

(3)第三階段：在艙內(nèi)進(jìn)行氣體預(yù)冷，控制氮?dú)饬髁考芭搩?nèi)壓力，艙內(nèi)溫度控制在每小時下降5 ℃，并根據(jù)溫度變化速率控制低溫氮?dú)饬髁?，直至艙?nèi)溫度下降至-130 ℃，對船舶其他設(shè)備和管道進(jìn)行吹掃預(yù)冷及放空。

(4)第四階段：艙內(nèi)預(yù)冷至-130 ℃，利用艙內(nèi)氮?dú)鈱Υ叭細(xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷測試。

(5)第五階段：主要進(jìn)行艙內(nèi)的低溫氮?dú)獯祾吆凸艿琅c設(shè)備的氣體置換。甲烷氣體由艙頂進(jìn)液管進(jìn)入艙內(nèi)置換氮?dú)?，并由艙底放空管排空。采用甲烷測試儀在燃料艙放空口處測試甲烷的體積分?jǐn)?shù)，在甲烷的體積分?jǐn)?shù)>99%時，燃料艙置換完畢。由進(jìn)液管灌入液態(tài)LNG，進(jìn)液結(jié)束置換船上其他管道和設(shè)備，整船進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)。

5個階段操作分3步進(jìn)行：第一至第四階段氮?dú)獯祾哳A(yù)冷為5 d，第五階段加注LNG為2 d；在LNG加注后進(jìn)行船舶系統(tǒng)調(diào)試，其間應(yīng)保證艙內(nèi)7 d均存有LNG，以便觀察燃料艙狀態(tài)[13]。

3.2 預(yù)冷原則及工藝流程

3.2.1 預(yù)冷原則

在LNG燃料艙預(yù)冷時，為防止出現(xiàn)由于溫度驟降而出現(xiàn)管件和設(shè)備損傷的問題，管道系統(tǒng)和艙內(nèi)的溫度應(yīng)避免急冷[14]。在進(jìn)液過程中需要實(shí)時監(jiān)測艙內(nèi)壓力，在出現(xiàn)艙內(nèi)壓力過高時，立即關(guān)閉進(jìn)液閥。由于艙內(nèi)預(yù)冷與整體管線預(yù)冷同時進(jìn)行，因此需要對系統(tǒng)中的各管線進(jìn)行充分預(yù)冷。艙內(nèi)及管道預(yù)冷完成，在LNG到場前應(yīng)對艙內(nèi)及部分管路始終進(jìn)行充氮保護(hù)[15]。

3.2.2 預(yù)冷工藝流程

預(yù)冷工藝流程如圖2所示。

圖2 預(yù)冷工藝流程

(1)將進(jìn)液管道的金屬軟管正確連接至液氮槽車液相管。

(2)關(guān)閉進(jìn)液管的所有手動放空閥和旁通閥，打開艙頂進(jìn)液管線和進(jìn)液管的閥門，便于槽車以自增壓方式升壓，將槽車頂部的低溫氮?dú)馔ㄟ^氣化撬向艙內(nèi)緩慢充入，控制氮?dú)饬髁?、溫度和燃料艙壓力?/p>

(3)第二階段結(jié)束30 min，緩慢調(diào)大槽車液相閥，加大低溫氮?dú)夤?yīng)量，調(diào)節(jié)氣化撬閥門，使氮?dú)鉁囟缺３衷?165 ℃。整個調(diào)節(jié)過程需要不斷排放氣體，確保內(nèi)罐壓力不超過設(shè)計壓力。在艙內(nèi)上下溫差>80 ℃時立即停止進(jìn)氣，待溫差下降至80 ℃再進(jìn)行預(yù)冷，并根據(jù)溫度變化速率控制低溫氮?dú)饬髁?，直至艙?nèi)溫度下降至-130 ℃，再對船舶其他設(shè)備和管道進(jìn)行吹掃預(yù)冷及放空。在艙內(nèi)預(yù)冷過程中，可利用艙內(nèi)的低溫氮?dú)鈱Υ叭細(xì)庀到y(tǒng)中的管線及設(shè)備進(jìn)行初步預(yù)冷(氣預(yù)冷)，通過預(yù)冷管道的放空管排空。

3.3 加注原則及工藝流程

3.3.1 加注原則

在正式加注過程中，需要實(shí)時監(jiān)控燃料艙內(nèi)各關(guān)鍵因素，確保加注過程安全，其中艙內(nèi)的最高壓力不得超過0.07 MPa，在該壓力下液氮的飽和溫度為-191 ℃，LNG的飽和溫度約-163 ℃，因此，只要艙底溫度不低于-163 ℃，則不會產(chǎn)生液氮與LNG的積聚。液氮飽和壓力與溫度對照如表2所示。

表2 液氮飽和壓力與溫度對照

根據(jù)燃料艙加注安全手冊，艙內(nèi)預(yù)冷至-130 ℃即可進(jìn)行正常的LNG加注，在加注前應(yīng)對艙內(nèi)進(jìn)行氣體置換[16]。氣體置換流程如下：

(1)將卸車區(qū)進(jìn)液管道的金屬軟管與LNG槽車的液相管正確相連。

(2)關(guān)閉進(jìn)液管所有手動放空閥和旁通閥，打開進(jìn)液管和艙頂進(jìn)液管線的閥門，使槽車以自增壓方式升壓，將槽車頂部的低溫LNG向艙內(nèi)緩慢充入，并控制低溫LNG流量，確保艙壓力控制在設(shè)計范圍內(nèi)。

(3)通過燃料艙溢流口處和液位計氣液兩相處的甲烷測試儀測試各測點(diǎn)位置的甲烷體積分?jǐn)?shù)。在甲烷體積分?jǐn)?shù)>99%時，燃料艙置換完畢。

3.3.2 加注工藝流程

燃料艙完成置換開始LNG加注。在剛開始進(jìn)液時，由于艙內(nèi)溫度較高，初始進(jìn)入的LNG吸收艙內(nèi)溫度轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，此時艙內(nèi)的LNG存在氣液兩相的復(fù)雜狀態(tài)，在加注過程中需要實(shí)時關(guān)注艙內(nèi)的加注狀況。

加注工藝流程如圖3所示。

圖3 加注工藝流程

(1)將槽車的液相閥緩慢打開至較小開度，關(guān)閉槽車的加壓液相閥，少量LNG應(yīng)由燃料艙進(jìn)液閥進(jìn)入，該過程需要不斷地排出氣體，并控制內(nèi)罐壓力不超過設(shè)計范圍。

(2)在加注過程中控制LNG流速，艙內(nèi)溫度控制在每小時下降5 ℃，該型船的燃料艙可儲存700 t LNG，加注期間會產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣體(Boiled Off Gas，BOG)，可利用BOG對船舶燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行置換吹掃。

(3)在液位計顯示一定液位時，停止加注。

(4)為防止壓力升高，在進(jìn)液過程中應(yīng)密切觀察并記錄艙內(nèi)壓力。若壓力持續(xù)升高，應(yīng)及時關(guān)閉進(jìn)液閥。

(5)1輛槽車卸完液體，再加注送液應(yīng)按上述程序進(jìn)行。

(6)上述過程結(jié)束，停止進(jìn)液進(jìn)行檢查，關(guān)閉所有打開的閥門，再進(jìn)行下一步。

4 預(yù)冷加注注意事項(xiàng)

(1)在LNG加注前、中、后應(yīng)密切觀察燃料艙和船體連接構(gòu)件的變形情況，并做好書面記錄。檢查焊縫和外管材質(zhì)有無裂紋等損壞，尤其是法蘭焊接部位。檢查管道的冷縮量及管托支撐的變化情況。觀察并記錄補(bǔ)償器和管道彎頭的變形量。檢查燃料艙外壁船體有無“出汗”和“結(jié)霜”現(xiàn)象。

(2)檢查低溫閥門的靈活性和密封性，是否被凍住。閥體螺栓是否松動，填料、閥桿及閥體法蘭是否泄漏。檢查法蘭連接部位有無泄漏情況，螺栓預(yù)緊力是否因冷縮而降低。在預(yù)冷過程中，若發(fā)現(xiàn)泄漏或設(shè)備與材料發(fā)生問題與故障，應(yīng)及時關(guān)閉閥門，停止進(jìn)氣，停止該段預(yù)冷，標(biāo)記位置，及時報告并進(jìn)行應(yīng)急處理，處理合格方可再進(jìn)行預(yù)冷。所有低溫閥門在操作時若出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)或打不開現(xiàn)象，可澆熱水解凍，嚴(yán)禁強(qiáng)力開關(guān)。

(3)在注入低溫氣體時，由于低溫氣體膨脹，燃料艙內(nèi)的壓力會升高。密切注意升壓速度，控制預(yù)冷速度。在壓力過高時，打開放空閥以降低艙內(nèi)壓力；在壓力不再升降時，可提高進(jìn)氣速度。在操作時應(yīng)注意閥門關(guān)閉順序，嚴(yán)禁長時間關(guān)閉低溫氣體。

(4)在預(yù)冷過程中發(fā)現(xiàn)燃料艙某種性能或技術(shù)參數(shù)發(fā)生突變，應(yīng)及時通知現(xiàn)場總指揮，同時停止對燃料艙預(yù)冷。在得到船廠認(rèn)可的前提下方可對燃料艙進(jìn)行預(yù)冷。

(5)在燃料艙外部管路或閥門為冷態(tài)的情況下，操作人員必須戴棉布防護(hù)手套，以免低溫對人員的冷凍傷害。

5 結(jié) 語

以國內(nèi)某型LNG雙燃料推進(jìn)的大型集裝箱船為例，詳細(xì)論述LNG動力船舶燃料艙在加注過程中的關(guān)鍵工藝技術(shù)。充分考慮燃料艙內(nèi)氣液兩相熱交換的復(fù)雜情況，結(jié)合LNG燃料艙加注安全要求，開展燃料艙預(yù)冷、置換、加注等過程的關(guān)鍵工藝流程研究。應(yīng)用實(shí)踐證明，LNG燃料艙加注關(guān)鍵工藝技術(shù)對指導(dǎo)LNG燃料艙的加注具有重要的作用。