LNG船對(duì)船加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 波，周 毅，李 萌，梁 斌，劉辰童

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

LNG 作為一種清潔能源，在安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，已成為世界公認(rèn)的未來船舶能源的首選[1]。隨著LNG 燃料船數(shù)量的增加，對(duì)LNG 燃料加注船的需求也在不斷增加。趙亞彬等[2]研究了內(nèi)河LNG 動(dòng)力船加注方案；詹熳寧等[3]確定了船對(duì)船LNG 加注系統(tǒng)中LNG 液貨罐選型、液貨泵選型、液貨裝卸管系及連接裝置選型，完成了7000 m3LNG 加注船加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)；陳海等[4]研究了大型雙燃料集裝箱船LNG 船對(duì)船加注關(guān)鍵技術(shù)及安全管理；蒯晶晶等[5]設(shè)計(jì)了雙燃料大型集裝箱船LNG 加注系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型雙燃料船LNG 燃料加注。劉元庫[6]設(shè)計(jì)了一種LNG 加注系統(tǒng)，并對(duì)LNG管道絕熱技術(shù)、絕熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

由于海上風(fēng)浪大，針對(duì)加注船與受注船之間相對(duì)晃動(dòng)程度大，易給加注作業(yè)帶來安全隱患，本文設(shè)計(jì)了一種LNG 船對(duì)船加注系統(tǒng)，通過軟管吊吊送+軟管連接方式實(shí)現(xiàn)LNG 加注終端及LNG 受注終端間的柔性連接，并通過拉斷閥+干式快接設(shè)計(jì)配置滿足海上浮式安全、高效加注的要求。

1 加注系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段全球用于浮式加注的方式主要分為加注臂對(duì)接、軟管對(duì)接、吊架及軟管對(duì)接和軟管托架對(duì)接4 類，鑒于浮式加注主要應(yīng)用于海上作業(yè)且易受環(huán)境影響，使用軟管加注可有效降低海上加注過程中船舶晃動(dòng)帶來的作業(yè)安全隱患，且考慮到海上加注操作的便捷性，本文設(shè)計(jì)的LNG 加注系統(tǒng)由軟管吊、加注系統(tǒng)管路總成、軟管總成、遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)等組成，其中軟管吊、加注系統(tǒng)管路總成由本地控制系統(tǒng)操控，同時(shí)將運(yùn)動(dòng)、位置、壓力、溫度、流量等工作狀態(tài)信息傳輸至控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程管控。軟管吊和加注系統(tǒng)管路總成位置和尺寸參數(shù)根據(jù)具體船型調(diào)整，軟管總成通過法蘭和加注系統(tǒng)管路總成輸出端液/氣相法蘭連接，軟管總成由LNG 專用軟管、安全拉斷閥、快速接頭等組成。加注系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。

圖1 加注系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of bunkering system

1.1 軟管吊設(shè)計(jì)

軟管吊由立柱、液壓站、旋轉(zhuǎn)座、操作臺(tái)、變幅油缸、液壓絞車、鋼絲繩、一節(jié)臂、二節(jié)臂、三節(jié)臂、吊鉤、初始位置支撐柱等組成。軟管吊采用二級(jí)伸縮形式，以節(jié)省安裝空間，同時(shí)滿足工作位置要求，如圖2所示，其技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖2 軟管吊Fig.2 Hose crane

表1 軟管吊技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical parameters of hose crane

1.2 加注系統(tǒng)管路總成設(shè)計(jì)

加注系統(tǒng)管路總成由撬裝框架、加注系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，加注系統(tǒng)管線集成安裝在撬裝框架上。加注系統(tǒng)管路總成如圖3 所示，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖3 加注系統(tǒng)管路總成Fig.3 Piping assembly of bunkering system

表2 加注系統(tǒng)管路總成技術(shù)參數(shù)表Tab.2 Technical parameters of piping assembly of bunkering system

1.3 軟管總成設(shè)計(jì)

軟管總成由復(fù)合軟管、軟管吊掛、拉斷閥、快速接頭等組成。采用繩索式拉斷閥提前設(shè)定安全工作范圍，當(dāng)兩船間距離大于安全工作范圍時(shí)將觸發(fā)拉斷閥，以實(shí)現(xiàn)兩船間安全可靠分離。軟管總成一端通過法蘭與管路總成連接，另一端通過快速接頭與受注船連接。軟管總成如圖4 所示，技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

圖4 軟管總成Fig.4 Hose assembly

表3 軟管總成技術(shù)參數(shù)表Tab.3 Technical parameters of hose assembly

2 加注系統(tǒng)工藝流程和加注作業(yè)步驟

2.1 LNG 船對(duì)船加注流程

①加注方管線預(yù)冷，預(yù)冷溫度至-110 ℃，降低管線及LNG 潛液泵所受的低溫應(yīng)力沖擊。

②連接加注管線。

③加注軟管及管線氮?dú)獯祾?，吹掃管線中的空氣、水分等雜質(zhì)，保證加注環(huán)境的清潔與安全。

④加注軟管及管線NG 置換，進(jìn)行氣體置換，保證加注純凈。

⑤開啟加注，進(jìn)行小流量加注，受注罐頂部預(yù)冷噴淋，充分降溫穩(wěn)壓。

⑥進(jìn)行正常大流量加注，調(diào)節(jié)低溫泵變頻參數(shù)，進(jìn)行全流速作業(yè)。

⑦NG 吹掃管線內(nèi)殘余LNG。

⑧氮?dú)舛杌芫€。

⑨移除加注管線。

根據(jù)加注工藝流程完成系統(tǒng)工藝圖設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 加注系統(tǒng)工藝流程圖Fig.5 Process flow chart of bunkering system

2.2 加注作業(yè)步驟

初始狀態(tài)下加注系統(tǒng)中潛液泵及各開關(guān)閥狀態(tài)如表4 所示，開關(guān)閥變化詳見圖6。

圖6 加注系統(tǒng)工藝圖Fig.6 Process diagram of bunkering system

表4 系統(tǒng)初始狀態(tài)開關(guān)閥狀態(tài)一覽表Tab.4 Statistics of on-off valve status in initial state of system

①加注方管線預(yù)冷：打開氣動(dòng)閥13 和氣動(dòng)閥14，對(duì)加注方管路進(jìn)行預(yù)冷，降低管線及LNG 潛液泵所受的低溫應(yīng)力沖擊。

②加注軟管及管線氮?dú)獯祾撸杭幼⒋c受注船通過軟管連接后打開截止閥10、調(diào)節(jié)閥5、截止閥4、截止閥6、截止閥21、截止閥22，開始加注軟管及管線氮?dú)獯祾?，吹掃管線中的空氣、水分等雜質(zhì)，保證加注環(huán)境的清潔與安全。

③加注軟管及管線NG 置換：關(guān)閉截止閥10，打開截止閥11，進(jìn)行管路NG 置換，保證加注純凈。

④開啟小流量加注，受注罐預(yù)冷噴淋：關(guān)閉截止閥11、截止閥4、截止閥6、截止閥21、截止閥22、氣動(dòng)閥14，打開截止閥17、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥1、氣動(dòng)關(guān)斷閥2、截止閥3、截止閥24、截止閥19、截止閥23、截止閥7、氣動(dòng)關(guān)斷閥8、截止閥18，啟動(dòng)潛液泵，進(jìn)行小流量加注，受注罐頂部預(yù)冷噴淋，使整個(gè)加注管路系統(tǒng)充分降溫穩(wěn)壓。

⑤全流速作業(yè)：增大氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥1 開度，打開截止閥20，開始全流速加注作業(yè)。

⑥NG 吹掃管線內(nèi)殘余LNG：關(guān)閉潛液泵，關(guān)閉氣動(dòng)閥13、氣動(dòng)閥14、截止閥3、截止閥20，打開截止閥4、截止閥11，進(jìn)行管線內(nèi)殘余LNG 的NG吹掃。

⑦氮?dú)舛杌芫€：關(guān)閉截止閥7、截止閥23、截止閥24、截止閥18、截止閥11，打開截止閥6、截止閥21、截止閥22、截止閥10，進(jìn)行管線氮?dú)舛杌?，惰化后移除管線，完成加注。

3 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)船對(duì)船加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和工藝流程建造了加注系統(tǒng)樣機(jī)，包括軟管吊、加注系統(tǒng)管路總成和軟管總成，加注系統(tǒng)樣機(jī)如圖7 所示。

圖7 加注系統(tǒng)樣機(jī)Fig.7 Prototype of bunkering system

對(duì)加注系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，使用2 套試驗(yàn)平臺(tái)分別模擬加注船與受注船，并將加注系統(tǒng)樣機(jī)和受注船接口分別安置于2 個(gè)平臺(tái)上。在加注系統(tǒng)試驗(yàn)中先進(jìn)行加注對(duì)接測(cè)試，利用試驗(yàn)平臺(tái)模擬海上加注過程中兩船受海浪、海風(fēng)等因素導(dǎo)致的相對(duì)位置變化，通過人機(jī)交互系統(tǒng)觀測(cè)智能軟管吊作業(yè)中回轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)角度、上下位移和超限等數(shù)據(jù)，以及避撞預(yù)警信息，并通過最終對(duì)接的完成情況整體判斷加注系統(tǒng)對(duì)接性能；再對(duì)加注過程安全監(jiān)測(cè)和緊急拉斷進(jìn)行測(cè)試，通過監(jiān)控系統(tǒng)觀測(cè)加注管路內(nèi)部溫度、壓力和流速數(shù)據(jù)及船間距實(shí)時(shí)檢測(cè)信息，并模擬緊急情況檢測(cè)緊急拉斷功能，最終完成對(duì)海上浮式加注系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性和安全性測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明該加注系統(tǒng)滿足船對(duì)船LNG 加注要求，主要測(cè)試和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比如表5 所示。

表5 主要測(cè)試和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比表Tab.5 Comparison of main test and design indexes

4 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種LNG 船對(duì)船加注系統(tǒng)，以浮式安全快速加注、耐低溫高壓加注為技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用海上、內(nèi)河等LNG 燃料加注需求，可安全、高效地完成惡劣海況的加注服務(wù)，對(duì)促進(jìn)國內(nèi)LNG 加注裝備集群發(fā)展和促進(jìn)我國海洋裝備產(chǎn)業(yè)向高端邁進(jìn)具有重要意義，市場(chǎng)應(yīng)用空間廣闊?！?/p>