內(nèi)河LNG加注碼頭應(yīng)用前景及工藝系統(tǒng)分析

林佐輪

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410008）

內(nèi)河水運(yùn)積極推廣LNG 清潔能源步伐正在加快，除大力推動(dòng)LNG 動(dòng)力船舶建造和改造外，LNG 加注碼頭設(shè)計(jì)和建設(shè)工作正全面鋪開(kāi)。水上LNG 加注碼頭屬于危險(xiǎn)品碼頭，安全責(zé)任大，涉及影響因素較多，碼頭設(shè)計(jì)除需充分考慮其安全、防洪、通航和環(huán)保等專項(xiàng)問(wèn)題外，更要重視其核心的工藝加注和補(bǔ)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 國(guó)內(nèi)外LNG 船舶和加注碼頭現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

（1）國(guó)外LNG 船舶起步早、規(guī)模不大。據(jù)英國(guó)SEA-LNG 在2020年2月發(fā)布數(shù)據(jù)，全球有175 艘LNG動(dòng)力海船，在造203 艘，另有141 艘LNG 動(dòng)力預(yù)留船在運(yùn)行或在造訂單上，主要為集裝箱運(yùn)輸船、客渡船和滾裝船。

（2）根據(jù)2020年12月22日《中國(guó)交通的可持續(xù)發(fā)展》白皮書(shū)：我國(guó)已建成290 多艘LNG 動(dòng)力船，大部分已投運(yùn)，主要航行于長(zhǎng)江、京杭運(yùn)河及黃浦江等水域。

（3）預(yù)計(jì)到2025年長(zhǎng)江水系LNG 動(dòng)力船舶的加注需求量將達(dá)到199.1 萬(wàn)t，船舶規(guī)模達(dá)19040 艘。

（4）長(zhǎng)江、京杭運(yùn)河及西江航線共規(guī)劃有74 座LNG 加注碼頭，其中，長(zhǎng)江45 座，京杭運(yùn)河19 座，西江10 座。

（5）截止2021年12月底，國(guó)內(nèi)已建成內(nèi)河LNG加注碼頭達(dá)22 個(gè)，其中長(zhǎng)江已建成9 座，見(jiàn)表1，另有多個(gè)LNG 加注碼頭已開(kāi)工建設(shè)。其余內(nèi)河航線建成的多座LNG 加注站受LNG 動(dòng)力船舶限制，目前基本還未實(shí)質(zhì)投入使用。

表1 長(zhǎng)江已建成的液化天然氣加注碼頭表

2 LNG 加注碼頭的問(wèn)題分析

（1）受市場(chǎng)價(jià)格因素影響，航運(yùn)企業(yè)新建改造LNG 動(dòng)力船舶的意愿不足，船舶保有量較少，LNG 加注碼頭工程投資大，運(yùn)行成本高，整體發(fā)展緩慢。

（2）LNG 加注碼頭敏感性較高，安全責(zé)任大，建設(shè)運(yùn)營(yíng)涉及部門多，各部門對(duì)LNG 使用管理認(rèn)識(shí)不一、審批依據(jù)不完善，客觀上造成LNG 加注碼頭建設(shè)運(yùn)營(yíng)審批困難。

（3）現(xiàn)有港口總體規(guī)劃大多未考慮LNG 加注碼頭功能及其規(guī)劃方案，需加快推進(jìn)港口總體規(guī)劃的調(diào)整。

3 內(nèi)河LNG 加注碼頭補(bǔ)液、加注工藝

補(bǔ)液、加注工藝系統(tǒng)是內(nèi)河LNG 加注碼頭的核心，補(bǔ)液工藝主要依托LNG 儲(chǔ)罐、運(yùn)輸船或罐車三種補(bǔ)給方式完成；加注工藝則依托LNG 儲(chǔ)罐、加注泵撬、真空絕熱管、BOG 系統(tǒng)、儲(chǔ)罐調(diào)壓系統(tǒng)、放散系統(tǒng)、吹掃裝置等設(shè)備聯(lián)合完成。

3.1 加注方式

目前，LNG 加注碼頭加注工藝分為四種方式：罐車加注、岸基加注、躉船加注、LNG 加注船加注，其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 加注模式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

其中，罐車加注其加注能力小，一般只在陸域儲(chǔ)罐未建成之前作為過(guò)渡的一種加注形式；LNG 加注船加注工藝方式受安全監(jiān)管和航道條件限制，可操作性差，在內(nèi)河無(wú)實(shí)際應(yīng)用案例；我國(guó)內(nèi)河已建成LNG 加注碼頭主要為岸基加注(儲(chǔ)罐位于陸域)、躉船加注(儲(chǔ)罐位于躉船)兩種工藝加注形式，LNG 主要加注碼頭典型結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 罐車加注（左）、岸基加注（中）和躉船加注（右）

內(nèi)河LNG 加注碼頭加注方式的選擇與其泊位等級(jí)和水位差密切相關(guān)。以長(zhǎng)江干流為例，蕪湖港以下至長(zhǎng)江口通航船舶大多在10000 噸級(jí)以上，其最大水位落差12m 左右且低水位工況維持時(shí)間較短，為保證加注工藝操作的便捷性和靠泊的安全性，其下游LNG 加注碼頭優(yōu)先采用直立式碼頭，配合岸基加注方式；蕪湖以上至重慶段，通航船舶大多在10000 噸級(jí)以下，其最大水位落差達(dá)18m 左右，大多碼頭優(yōu)先采用加注操作性好、投資省的浮式躉船結(jié)構(gòu)，采用的加注工藝方式既有躉船加注，也有岸基加注。

3.2 加注、補(bǔ)液及掃線工藝流程

（1）躉船加注：LNG 罐車→卸車平臺(tái)卸車撬（含計(jì)量）→引橋真空絕熱管線→真空軟管→躉船真空絕熱管線→躉船LNG 儲(chǔ)罐→加注泵撬（含計(jì)量）→液相和氣相真空絕熱管線及閘閥系統(tǒng)→真空軟管加注連接（軟管吊/加注臂）→貨船。躉船碼頭可通過(guò)水上LNG 運(yùn)輸船和陸上補(bǔ)給。其工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 躉船加注及補(bǔ)液工藝流程圖

（2）岸基加注：LNG 罐車/管道→潛液泵→碼頭陸域LNG 儲(chǔ)罐→引橋真空絕熱管線→碼頭平臺(tái)→加液泵撬（含計(jì)量）→真空軟管連接（軟管吊/加注臂）→貨船。岸基加注不應(yīng)從水上補(bǔ)給。

（3）掃線流程：卸車前先用氮?dú)鈱⒐に嚬艿纼?nèi)部空氣惰化，再通過(guò)BOG 系統(tǒng)將低壓天然氣吹掃置換管內(nèi)氮?dú)?，置換完畢再進(jìn)行卸車補(bǔ)液操作；卸車完畢后通過(guò)BOG 系統(tǒng)將低壓天然氣吹掃管內(nèi)殘液至LNG 儲(chǔ)罐，再利用氮?dú)獯祾咧脫QBOG 氣體，置換完畢后方可拆卸加注或卸車用軟管。

3.3 LNG 儲(chǔ)罐容積確定

躉船LNG 儲(chǔ)罐容積大小取決于日均LNG 氣源補(bǔ)給量和加注需求量。由于LNG 加注特殊性，從安全角度考慮，補(bǔ)給和加注不能同時(shí)進(jìn)行，LNG 加注作業(yè)只能在白天進(jìn)行，作業(yè)按12 小時(shí)計(jì)；LNG 罐車補(bǔ)給在晚間進(jìn)行，作業(yè)按9 小時(shí)計(jì)。

（1）日均補(bǔ)給量。LNG 罐車容積約為50m/輛，計(jì)算裝卸率0.8 后加注量為40m/輛，一般情況下卸完1 輛車約1.5 小時(shí)，每天單線最多裝卸6 輛，單線日均補(bǔ)給量240m。

（2）單船加注量。載貨量500～5000 噸運(yùn)輸船，柴油機(jī)總功率300～1700kW：按柴油機(jī)總功率計(jì)算燃油消耗量Q=T×N×g×10-6(t)；式中：T 為連續(xù)航行時(shí)間，取24h；N為柴油機(jī)總功率；g為柴油機(jī)燃油消耗率，一般取220g/kW.h，則油耗為1.584～8.98t，換算后500～5000DWT 貨船按300 公里行程所需LNG 為2.82～16m，考慮充裝率及余量后，載貨量500～5000DWT 受注船LNG 儲(chǔ)罐一般取5～20m較為合理。

（3）單船加注時(shí)間。由于受注船LNG 儲(chǔ)罐（以10～15m為例）進(jìn)料管徑約40～50mm，加注流速過(guò)快，易引起靜電，一般選用流量20～30m/h 加注泵，可將LNG 純加注時(shí)間控制在20～30 分鐘，單船完成加注和靠離泊作業(yè)控制在1 小時(shí)內(nèi)較為合理。

（4）日均加注量。按白天12 小時(shí)工作計(jì)，每天可加注500～5000DWT 的船舶12 艘次，加注量在60～240m/天。

（5）LNG 儲(chǔ)罐容積比較：①當(dāng)泊位為500～1000噸級(jí)時(shí)，單個(gè)LNG 加注碼頭日均加氣量約60～80m，配100m儲(chǔ)罐較為經(jīng)濟(jì)。②當(dāng)泊位為1000～3000 噸級(jí)時(shí)，單個(gè)LNG 加注碼頭日均加氣量約80～180m，配200m儲(chǔ)罐較為經(jīng)濟(jì)。③當(dāng)泊位為3000～5000 噸級(jí)時(shí)，單個(gè)LNG 加注碼頭日均加氣量約180～240m，配300m儲(chǔ)罐較為經(jīng)濟(jì)。④當(dāng)泊位為5000～10000 噸級(jí)時(shí)，單個(gè)LNG 加注碼頭日均加氣量約240～360m，配500m儲(chǔ)罐較為經(jīng)濟(jì)。

3.4 躉船加注工藝管線及設(shè)備的布置

內(nèi)河某躉船LNG 加注碼頭工藝平面布置見(jiàn)圖3，該LNG 加注躉船平面尺寸65×12×3.2×1.6 m（長(zhǎng)×寬×型深×吃水）?？紤]過(guò)渡期的影響，該躉船具備油氣加注雙重功能，考慮安全性和補(bǔ)給的可操作性，其柴油均從水上油船補(bǔ)給，油艙容量395m；LNG 既可從岸上罐車補(bǔ)給，又可從水上LNG 船舶補(bǔ)給，躉船LNG儲(chǔ)罐容積2×100m，年加注LNG 能力1.6 萬(wàn)m，柴油1 萬(wàn)m。

圖3 內(nèi)河某躉船LNG 加注碼頭工藝平面布置圖

LNG 躉船加注碼頭的核心工藝系統(tǒng)包含三部分：躉船加注、船岸連接、岸上卸車。其中，躉船加注主要包括1 惰性氣體吹掃裝置、2 控制柜、3 軟管吊臂、4積液盤、5 拉斷閥、6 加注軟管、7 加注泵橇、8LNG 儲(chǔ)罐、（9-12）LNG 回收調(diào)壓裝置、13 不銹鋼真空絕熱管路和閥門等核心部件，LNG 燃?xì)饣厥照{(diào)壓裝置布置于兩個(gè)LNG 儲(chǔ)罐中間，節(jié)約空間；船岸連接主要包括（13-14）不銹鋼真空絕熱管路及吹掃管線；岸上卸車包括卸車泵撬（含計(jì)量）和控制柜等。

4 結(jié)論

內(nèi)河水運(yùn)推廣LNG 加注碼頭建設(shè)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的重要舉措。LNG加注碼頭補(bǔ)液和加注工藝是其核心內(nèi)容，選用的加注方式?jīng)Q定了其建設(shè)的投資成本和適應(yīng)性的問(wèn)題。

（1）內(nèi)河LNG 動(dòng)力船舶燃料市場(chǎng)價(jià)格、燃燒熱值均占明顯優(yōu)勢(shì)，新建LNG 動(dòng)力船舶噸級(jí)越大，經(jīng)濟(jì)性越明顯，LNG 加注碼頭市場(chǎng)前景廣闊。

（2）內(nèi)河LNG 加注碼頭水位差小于等于12m 時(shí)，建議采用岸基加注的直立式碼頭方案；水位差大于12m時(shí)，建議采用躉船加注的浮碼頭結(jié)構(gòu)方案。

（3）躉船加注碼頭LNG 儲(chǔ)罐容積建議在泊位等級(jí)為500～1000 噸級(jí)時(shí)，配置100m；在1000～3000噸級(jí)時(shí)，配置200m；在3000～5000 噸級(jí)時(shí)，配置300m；在5000～10000 噸級(jí)時(shí)，配置500m較為經(jīng)濟(jì)。

（4）躉船加注碼頭工藝可為同類型碼頭設(shè)計(jì)提供參考。