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    LNG 罐艙綜合放樣

    2020-02-24 03:46:18麥康策孟浩房玉石
    廣船科技 2020年3期
    關鍵詞:儲存罐我司艙室

    麥康策 孟浩 房玉石

    (廣船國際技術中、生產管理中心、總裝部)

    0 前言

    LNG 是Liquefied Natural Gas 的縮寫,是天然氣的液態(tài)型式。天然氣的主要成分是甲烷(CH4),還有少量的乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、戊烷(C5H12)和微量的氮氣(N2)。液化天燃氣無色、無味、無毒、無腐蝕性,從天然氣組成成分的化學式可以看出,充分燃燒的天然氣只會產生二氧化碳(CO2)和水(H2O),因此,天然氣被公認為世界上最干凈的化石能源。

    G3020 船(下文簡稱“本船”)為LNG 和MDO雙燃料豪華客滾船,采用為雙機、雙槳、雙舵,入級DNV,掛瑞典旗,本船在3 甲車庫下方設置了一個LNG 儲存罐艙用以布置LNG 儲存罐及相關設備。

    1 LNG 特性

    液化天然氣LNG 的主要成分是甲烷,甲烷的常壓沸點是-161.4℃,臨界溫度為-84℃,臨界壓力為4.1Mpa 。 在 常 壓 下 , LNG 的 密 度 約 為430-470kg/m3(因組分不同而略有差異),燃點約為650℃,熱值為 52MMBtu(12MMBtu=2.52×10^8cal),在空氣中的爆炸極限(體積)為5%-15%。LNG 是天然氣在經凈化機超低溫狀態(tài)下(-162℃、常壓)冷卻液化后的產物,液化后的天然氣其體積大大減少,約為氣態(tài)體積的1/625,LNG 的質量也僅為同體積水的45%左右。

    2 LNG 儲存系統(tǒng)

    LNG儲存系統(tǒng)包含LNG儲存罐和蒸發(fā)器、閥件、測量儀表,見圖1。

    圖1 LNG 儲存系統(tǒng)簡圖

    圖2 雙層真空絕熱罐

    圖3 外包絕熱層的壓力儲罐

    圖4 “B”形獨立液貨艙

    圖5 LNG 儲存罐

    圖6 液貨船開敞甲板上的LNG 儲存罐

    圖7 客船開敞甲板上的LNG 儲存罐

    2.1 LNG 儲存容器

    客滾船上一般有三種獨立儲存容器方式,分別是C 型獨立壓力儲罐,見圖2 和圖3,B 型獨立儲艙及A 型獨立儲艙,見圖4。

    根據(jù)DNV-GL 船級社PT.5 CH.5 SEC.1 和國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規(guī)則(下文簡稱IGC code)的描述,A 型獨立艙和B 型獨立艙都是主要由平面構成,設計蒸汽壓力Po(罐頂最大表壓,罐體設計壓力)都小于0.7bar.C 型獨立壓力儲罐的設計蒸汽壓力Po 根據(jù)罐體材質,夾層填充方式和儲罐規(guī)格大小等來計算,該壓力一般小于10bar。從能效利用和使用要求來分析,C 型獨立壓力儲存罐更適合本船。該LNG 儲存罐由內部壓力容器和外部殼體組成,內部壓力容器和外部殼體之間填充珍珠巖并抽真空,外殼裝備真空安全裝置,以防止夾層真空泄漏,壓力積聚。內容器和外殼體均使用不銹鋼制作,制作后需根據(jù)IGC code, 第4 章E 部分4.23.6 的要求對裝載液化氣體壓力容器試驗。本船所使用的LNG 儲存罐,見圖5。

    2.2 主氣體蒸發(fā)器

    主氣體蒸發(fā)器是為主機提供LNG 氣體燃料的重要環(huán)節(jié),儲罐中的LNG 經過加熱器進行蒸發(fā)和被加熱升到適合主機的溫度。每當主機使用燃氣時,主氣體蒸發(fā)器都會自動運行。系統(tǒng)主氣體蒸發(fā)器有兩個進口,主體蒸發(fā)器通常從儲存罐底部接收LNG,當儲存罐內部升壓過高時,系統(tǒng)將允許氣態(tài)燃料從儲存罐頂部通過主體蒸發(fā)器供應氣體燃料給主機。主氣體蒸發(fā)器還包含了透氣連接件,壓力安全閥,溫度監(jiān)測傳感器和壓力監(jiān)測傳感器。

    2.3 增壓蒸發(fā)器

    增壓蒸發(fā)器主要用于保持LNG 儲存罐內部的壓力,當儲存罐壓力下降得太低,增壓蒸發(fā)器將會運行,維持儲存罐壓力在正常水平(6.2-6.7bar)。增壓蒸發(fā)器還包含壓力安全閥及溫度監(jiān)測傳感器。

    圖8 本船LNG 儲存罐艙

    圖9 本船LNG 儲存罐的布置

    圖10 LNG 儲存罐頂周圍維修通道平臺

    3 LNG 罐艙設計布置研究

    3.1 規(guī)范對LNG 儲存罐布置的要求

    LNG 儲存罐可布置在船上的開敞甲板和圍閉處所。

    LNG 儲存罐布置在開敞甲板時,見圖6 和圖7,按照DNV-GL 船級社Pt.6 CH.13 Sec.3 H400 的要求,儲罐中心距離船舷不少于B/5, 對于客船,少于B/5也許可以接受;應保證該位置有足夠的自然通風,以防止泄漏氣體積聚;還應保證當船舶發(fā)生碰撞時,不致于對儲罐造成損壞;對于沒有儲存罐連接處所(Tank Connection Space,下文簡稱TCS)的LNG 儲存罐,與儲罐相連的管路接口處存在液體泄漏的地方安裝不銹鋼承滴盤,若有TCS,該處所需要有每小時8 個換氣次數(shù)的通風系統(tǒng)。

    根據(jù)IGC code 第11 章11.3 節(jié)的要求,安裝在露天甲板上的LNG 儲存罐上方可增加噴淋頭進行冷卻、防火,見圖7。

    LNG 儲存罐布置在圍閉處所時,見圖8,按照DNV-GL 船級社 Pt.6 CH.13 Sec.3 H500 的要求,LNG儲存罐的最大工作的壓力不應超過10bar,若超過,需滿足其他條件,詳見Pt.6 CH.13 Sec.3,H501 的要求;儲罐距離船舷不少于B/5 或11.5m(取小值,B值為外板型線到夏季水線中心線),貨船若不能滿足此距離要求,可送審船檢確認;儲罐距離船底板不少于 B/15 或 2m(取小值)。

    3.2 本船LNG 儲存罐布置的研究

    LNG 儲存罐所在的處所本船命名為LNG 罐艙,該艙室位于船舶中部靠前,1 甲板上,3 甲板下,艙室縱長23176mm,艙室艉部寬度為14684mm,艏寬度為12519mm,LNG 儲存罐的布置距離見圖9。經過多番內部研討和多次跟DNV-GL 溝通,我司終于把2 套LNG 儲存罐合理地布置在有限空間的LNG罐艙,并滿足了IGC code 第3 章3.5 節(jié)的要求和船級社的要求:

    (1)和罐體離船體結構(如T 型梁)最小距離為380mm;

    (2)曲面罐體表面離船體壁,外板等最小距離為450mm;

    (3)平直罐體表面離船體壁,外板等最小距離為600mm;在布置過程中,由于在船舯上存在三根船體支柱(450X450X15mm),罐體離船體支柱最小距離只有43mm,我司無法確定該距離是否需要滿足上述要求,經與DNV-GL 船級社溝通后,船級社接受該布置。

    圖11 LNG 罐艙艙室通風原布置

    按照規(guī)格書要求,LNG 罐艙在適當高度需要有一層平臺通道圍繞LNG 儲存罐,見圖10。以便進入TCS 內部,該平臺還能通往位于2 甲板相鄰LNG 罐艙的空艙。此外,該平臺還可以對一些配備的控制箱、管路、閥件、可燃氣體探頭、消防設備和通風設備等進行操作或維修保養(yǎng)。按照掛旗國STA 規(guī)范要求,日常通道及主通道上方凈空需滿足2.1m(見圖9 A-A 視圖),在有限空間的罐艙內布置大量的LNG 雙壁管,NG 透氣管和其他管路、艙室通風管等,除了需要考慮LNG 管的收縮應力,還需避免布置在維修平臺上方2.1m 的范圍,經過多番研討,我司將相關管路不斷合理優(yōu)化,終于滿足了使用要求,這也大大提高我司在這一新系統(tǒng)管系的綜合布置能力。該平臺上有一把斜梯連接到3 甲板,左右各有直梯通道通往1 甲板;該平臺亦通往罐艙左舷艉部艙壁設置的一個維修艙口蓋(尺寸為700X800),該艙口蓋通往干糧庫,用于TCS 內的加熱交換器(尺寸為~750X500X1750)整體取出經干糧庫吊運到3甲板車庫后維修。

    4 LNG 罐艙通風設計

    按照規(guī)格書的要求,LNG 罐艙的通風次數(shù)為12次/hr(IGC code 要求 8 次/hr),LNG 罐艙的艙容為1720m3(該值已扣除LNG 儲存罐體積),根據(jù)計算公式:

    Q=N*Vc

    式中Q—— 通風量m3/hr;

    N—— 通風次數(shù) 次/hr;

    Vc—— 汽車車庫容積 m3;

    計算得出LNG 罐艙需要的通風量為Q=20640m3/hr=2 X 2.86 m3/s

    根據(jù)上述的計算結果,LNG 罐艙的艙室通風初始布置請見圖11,風管將通過兩旁舷側穿過相鄰的空艙及3、5 甲車庫到達7 甲板下進行通風。該通風主要為艉部機械抽風,艏部自然進風。但根據(jù)船級社規(guī)范舷側B/5 破損范圍內不建議布置管路和風管,故該方案在和船檢再三溝通討論后只能放棄。

    圖12 LNG 罐艙艙室通風布置

    既然無法從兩邊舷側布置風管,只能另辟蹊徑,經過多次的討論和思考,我們決定利用LNG 透氣桅,將透氣桅一分為二,一部分作為進風通道,一部分作為抽風通道;為了更充分地利用艙室通風和透氣桅的作用,也為了節(jié)省管材,減輕重量,降低重心,我們決定將0 級危險氣體排放管集中放在抽風通道,并把0 級危險氣體排放管改為單壁管(按照規(guī)范要求,0 級危險氣體排放管應為雙壁管,且雙壁管間的夾層也需通風,風速不應小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應小于30 次/小時),改為單壁管后,風道內風速不應小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應小于30 次/小時,把1 級危險氣體排放管集中放在進風通道,具體布置請見圖12。

    如圖12,抽風風道的橫截面積(已扣除單壁管管路面積)為1.8 ㎡,整個抽風風道體積約95m3,為若要滿足風道內風速不應小于3m/s 或者換氣次數(shù)不應小于30 次/小時的要求,通風量應為:

    Q=1.8X3=5.4m3/s

    或 Q=30X95=2850 m3/hr=0.79 m3/s

    根據(jù)以上計算,風機總風量應為2X2.86 m3/s,方可同時滿足LNG 罐艙通風和0 級危險氣體排出管通風的要求。由于風機的安裝空間限制,并經過和船東協(xié)商確認,最后選擇了兩套2.8 m3/s 風量的風機。

    圖13 航行中自然風增效

    圖13 中的LNG 罐艙入風口正對船艏,排風口背離船艏。一般情況下,船舶航行時是船艏正對航向方向的正前方,入風口正對船艏,可以借助船舶航行時的自然風使LNG 罐艙進風順暢,使得換氣效率更高。

    實船檢查,在LNG 氣模態(tài)試航航行期間,該艙室通風良好,空氣質量讓人舒適。

    5 結語

    通過對LNG 氣罐型式,性能要求,船上布置要求(含通風透氣)的研究,我司首次在建造船舶上安裝并試驗使用了LNG 燃料系統(tǒng),經過試驗確認。

    本船LNG 罐艙的空間布局滿足了人因工程評估及可操作性、可通行性;LNG 罐艙的通風系統(tǒng)滿足可行性,安全性;實現(xiàn)了不同系統(tǒng)間的合并利用,同向而行;達到了節(jié)能增效,減少重量,降低重心的效果。

    總而言之,這次新的嘗試,填充了我司乃至全國在滾裝船上安裝應用LNG 燃料系統(tǒng)的眾多重大技術空白,為我司日后建造類似船舶積累了不可或缺的技術經驗,更成為了我司對外競爭新船訂單的嶄新名片。

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