LNG動力船的槽車對船加注技術(shù)方案設(shè)計

王怡,王彥,莊士超,李欣,周熲

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

為確保LNG供氣系統(tǒng)以及用氣設(shè)備在船廠碼頭系泊階段和試航階段使用LNG作為燃料時的順利調(diào)試,需要對船上的LNG燃料艙加注LNG。LNG動力船的加注方式可細(xì)分為6種[1]:船對船(ship to ship,STS);槽車對船(truck to ship,TTS);岸對船(terminal to ship);躉船對船(pontoon to ship);整體換罐(mobile tank)。目前,國內(nèi)外大型LNG加注站均為LNG專用碼頭,不允許靠泊各類非LNG運輸船,無法選擇岸對船加注方式。同時,國內(nèi)尚無已營運的加注船能為LNG動力船提供LNG加注服務(wù),因此也無法選擇船對船加注方式。經(jīng)過綜合對比,由于槽車加注具有靈活、便捷且投資成本較少等特點[2],針對船廠剛建造完成的LNG動力船,現(xiàn)階段最適合、應(yīng)用最廣泛的加注方式為槽車對船加注。以大型雙燃料散貨船為研究對象,詳述使用槽車向船上進(jìn)行干燥/惰化、冷艙、置換、加注以及殘液吹掃等加注步驟,歸納分析加注作業(yè)中的風(fēng)險點并制定相應(yīng)的預(yù)防和解決措施。

1 LNG加注作業(yè)流程

LNG加注作業(yè)主要包括LNG燃料艙和LNG/NG管路的干燥惰化、冷艙、低溫天然氣置換、LNG加注以及加注后加注管內(nèi)殘液的吹掃,見圖1。

圖1 LNG加注作業(yè)流程

圖2 LNG船岸加注工藝流程

對LNG燃料艙和LNG/NG管路的干燥惰化,使用干燥氮氣作為介質(zhì)。干燥的目的是去除LNG燃料艙和相關(guān)管路內(nèi)的水汽,避免設(shè)備和閥門在操作過程中結(jié)冰,導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運行,而惰化處理則是置換出燃料艙內(nèi)的空氣,以免LNG和空氣接觸發(fā)生爆炸。干燥惰化完成后,先使用-110～-140 ℃的低溫氮氣進(jìn)行冷管,待冷管結(jié)束后使用液氮進(jìn)行冷艙,冷艙的作用是避免對LNG燃料艙內(nèi)的LNG供給泵造成熱沖擊,并減小置換和加注前自然蒸發(fā)氣(boiling off gas,BOG)的揮發(fā)量,盡可能地降低艙壓。冷艙完成后,使用-140 ℃的低溫天然氣置換燃料艙內(nèi)的氮氣,減少艙內(nèi)的氮氣含量,避免燃?xì)鈨?nèi)氮氣濃度太高導(dǎo)致雙燃料發(fā)電機(jī)無法在氣模式下順利運行。其后,即可進(jìn)行LNG加注,加注前需注意艙壁平均溫度(除頂部溫度)應(yīng)達(dá)到-120 ℃以下,若溫度偏高,則需先使用LNG進(jìn)行冷艙,待艙壁平均溫度(除頂部溫度)達(dá)到-120 ℃以下時開始加注,加注過程中需注意艙壓的控制。

2 車對船技術(shù)方案

2.1 LNG 加注設(shè)備總體布置

所述大型雙燃料散貨船配置2個3 000 m3的IMO C型LNG燃料艙,位于主甲板上開敞區(qū)域,沿船長方向?qū)ΨQ布置在船舶上層建筑的左右兩側(cè)[3],LNG加注站左右對稱布置在主甲板兩舷開敞區(qū)域,7#和8#貨艙中間。該船在船廠碼頭,通過槽車對船進(jìn)行加注。

岸上加注設(shè)備由加注槽車、卸車增壓撬、汽化器、匯流排、復(fù)熱器和火炬塔組成,加注液體/氣體經(jīng)過匯流排并通過加注軟管與船上加注站的氣/液相加注總管相連后至LNG燃料艙;岸上的火炬塔則作為壓力釋放系統(tǒng)經(jīng)過岸上加注設(shè)備與船上加注站加注管相連,用于處理置換和加注過程中產(chǎn)生的天然氣。岸上加注系統(tǒng)可在匯流排中靈活切換氣/液供應(yīng),無需切換船上加注站的氣/液相管連接。

火炬塔距受注船上LNG燃料艙的直線距離不小于40 m,距加注設(shè)備不小于80 m。根據(jù)加注場地布局,加注設(shè)備的總體布置見圖3。加注設(shè)備及管路組裝完成后,需進(jìn)行密性檢查。

圖3 LNG加注設(shè)備總體布置

加注過程中,受注船與其他船最小間距不小于50 m。同時在岸上加注設(shè)備區(qū)域設(shè)置25 m作業(yè)區(qū),除加注人員以外,禁止任何人員進(jìn)入外,加注作業(yè)所使用的工具應(yīng)為防爆工具;在岸上加注設(shè)備和火炬塔區(qū)域設(shè)置50 m限制區(qū),除工作必須外,禁止無關(guān)人員在船岸或船船之間的限制區(qū)域內(nèi)走動;同時在距加注站200 m的碼頭范圍內(nèi)設(shè)置警戒區(qū),警戒區(qū)域內(nèi)禁止電氣、熱工、明火作業(yè),不得使用非防爆型電氣設(shè)備,見圖4。

圖4 LNG加注區(qū)域劃分

2.2 大型雙燃料散貨船車對船LNG加注流程

加注工作開始前,首先需確保岸上加注軟管與加注站液相、氣相管連接正確;然后進(jìn)行密性試驗,確保連接管路無泄漏。同時,需在加注站旁布置切斷岸上加注作業(yè)的應(yīng)急停止按鈕并確認(rèn)處于正常工作狀態(tài)。準(zhǔn)備工作就緒后,打開加注站的水幕系統(tǒng),正式開始加注作業(yè)。干燥惰化前,LNG燃料艙的艙壓應(yīng)盡量低,約為0.02 MPa左右,可打開氣相管上的透氣閥釋放艙內(nèi)氣體,通過船上透氣桅排出的手段降低艙壓。

此外,加注作業(yè)還需確認(rèn)各階段的檢查表[4],檢查表一般分為“加注準(zhǔn)備檢查表”、“正式加注前檢查表”、“加注過程中檢查表”和“加注后檢查表”,包括對加注天氣和加注條件、消防及安全系統(tǒng)、管路吹掃惰化等內(nèi)容的檢查。

2.2.1 LNG燃料艙及相關(guān)LNG/氣相管干燥惰化

為了提高活塞效應(yīng),碼頭上液氮槽車內(nèi)的液氮經(jīng)氣化撬氣化加熱至30 ℃以上的氮氣,氮氣溫度盡量高于艙內(nèi)空氣溫度;由于氮氣比空氣輕,氮氣通過加注軟管經(jīng)船上加注站氣相管接口由LNG燃料艙頂部氣相管接口進(jìn)入艙內(nèi),空氣則通過燃料艙底部液相加注管經(jīng)加注站液相管接口排放至岸上火炬塔,見圖5。

圖5 LNG燃料艙干燥惰化

使用岸上氮氣吹掃時,所采用的初始流量為200～500 N·m3/h,然后逐步增加到1 000 N·m3/h。在LNG燃料艙的干燥惰化前,首先需對LNG液相/氣相加注管進(jìn)行干燥惰化。干燥惰化一段時間后,在燃料艙上/中/下三個取樣口使用便攜式露點儀測量露點,使用便攜式氧氣測量儀測量氧含量,參照《天然氣燃料動力船舶罐車加注作業(yè)技術(shù)要求》,當(dāng)露點值小于-40℃、氧含量小于2%Vol時測量達(dá)標(biāo),以此間隔10 min,測量3次均達(dá)標(biāo)后,LNG燃料艙的干燥惰化完成。

LNG燃料艙的干燥惰化完成后,艙壓維持在0.1 MPa左右,利用艙內(nèi)氮氣對艙下游的LNG/氣相管相關(guān)管路進(jìn)行干燥惰化,此時需注意燃料艙內(nèi)的壓力相對越高,管路的干燥惰化效果越好;在此過程中,也可利用船上的氮氣發(fā)生器對艙內(nèi)氮氣無法到達(dá)的相關(guān)LNG/氣相管進(jìn)行干燥惰化,在相關(guān)設(shè)備或管路的泄放閥或儀表根閥處進(jìn)行測量,管路露點和氧含量的測量及達(dá)標(biāo)方式與LNG燃料艙相同。

2.2.2 LNG燃料艙冷艙及加注管路冷管

所述雙燃料散貨船使用液氮冷艙,在冷艙之前,首先使用低溫氮氣對對加注液相/氣相管進(jìn)行冷管。碼頭上液氮槽車內(nèi)的液氮經(jīng)氣化撬氣化成低溫氮氣(-110～-140 ℃),通過加注軟管經(jīng)船上加注站液相管接口由LNG燃料艙底部加注口和頂部噴淋口進(jìn)入艙內(nèi);為維持艙壓,通過燃料艙頂部氣相管經(jīng)加注站氣相管接口排放至岸上火炬塔。初始階段,低溫氮氣溫度為-30～-50 ℃,流量為500～800 m3/h,隨后逐步降低氮氣溫度并增加流量。當(dāng)加注液相管靠近LNG燃料艙處的溫度傳感器溫度達(dá)到-110 ℃時,冷管結(jié)束。此時也可檢查管路及閥門的結(jié)霜情況,當(dāng)管路結(jié)霜達(dá)到一定程度也可作為冷管完成的依據(jù)。

冷管完畢后開始進(jìn)行冷艙,關(guān)閉底部加注閥,僅通過頂部噴淋口進(jìn)行冷艙,在此過程中,持續(xù)降低低溫氮氣的溫度、逐步增加液氮含量并適當(dāng)增加供給壓力,進(jìn)入艙內(nèi)的低溫氮氣通過頂部的噴嘴汽化成均勻噴霧進(jìn)行冷艙。此時,需通過LNG燃料艙上的貼片溫度傳感器全程監(jiān)測燃料艙艙壁平均溫度(除頂部貼片溫度以外),燃料艙的溫降率一般不得超過10 ℃/h,見圖6。

當(dāng)LNG燃料艙艙壁平均溫度(除頂部貼片溫度以外)達(dá)到-130 ℃,冷艙作業(yè)完成。

在冷管和冷艙過程中,應(yīng)持續(xù)關(guān)注相關(guān)管路和閥門的結(jié)霜情況,檢查有無泄漏,同時需安排定期巡檢,檢查LNG加注液相/氣相管支架位移、管路絕緣以及LNG燃料艙冷縮量。冷艙結(jié)束后,可選擇在LNG加注站和燃料艙的相關(guān)應(yīng)急切斷(emergency shut down,ESD)閥門,進(jìn)行ESD閥門冷態(tài)關(guān)閉時間測試。

2.2.3 LNG燃料艙置換

LNG燃料艙使用低溫天然氣進(jìn)行置換,此時碼頭上的液氮槽車需切換成LNG槽車。LNG槽車內(nèi)的LNG經(jīng)氣化撬氣化成低溫天然氣(-110～-130 ℃),通過加注軟管經(jīng)船上加注站氣相管接口由LNG燃料艙頂部氣相管接口進(jìn)入艙內(nèi),艙內(nèi)氮氣經(jīng)燃料艙底部液相加注管通過加注站液相管接口排放至岸上火炬塔燃燒,見圖7。低溫天然氣的初始流量為400 N·m3/h,隨后逐步增大至與火炬塔最大處理能力持平。

使用便攜式甲烷測量儀定期測量LNG燃料艙內(nèi)上/中/下3個取樣口的甲烷含量,參照《天然氣燃料動力船舶罐車加注作業(yè)技術(shù)要求》,當(dāng)艙內(nèi)甲烷含量達(dá)到98%Vol時測量達(dá)標(biāo),以此間隔10 min,測量3次均達(dá)標(biāo)后,LNG燃料艙的置換完成。

2.2.4 LNG燃料艙加注

由于氣體置換會引起LNG燃料艙內(nèi)溫度的回升,置換結(jié)束后若當(dāng)燃料艙艙壁平均溫度高于-120 ℃,在加注前需使用LNG噴淋對燃料艙進(jìn)行補(bǔ)充冷艙,避免在加注初期產(chǎn)生大量BOG。在LNG補(bǔ)充冷艙時,LNG槽車內(nèi)的LNG通過加注軟管經(jīng)船上加注站液相管接口由LNG燃料艙頂部噴淋口進(jìn)入艙內(nèi)。當(dāng)艙壁平均溫度達(dá)標(biāo)后,補(bǔ)充冷艙作業(yè)完成,此時需關(guān)閉頂部噴淋閥,LNG由底部加注管注入艙內(nèi),艙內(nèi)的BOG經(jīng)燃料艙頂部氣相管通過加注站氣相管接口排放至岸上火炬塔燃燒,見圖8。此時,需注意控制加注速率,使得產(chǎn)生的BOG量不得超過火炬塔的最大處理能力。

LNG加注過程中,當(dāng)LNG燃料艙內(nèi)液位高度達(dá)到艙內(nèi)LNG供給泵最低啟動液位后,可進(jìn)行LNG供給泵的最低液位啟停試驗;當(dāng)LNG燃料艙艙壓達(dá)到BOG壓縮機(jī)啟動壓力時,可進(jìn)行BOG壓縮機(jī)的啟停試驗。LNG加注完成后,岸上槽車保留1～2 t LNG作為加注管殘液吹掃使用。

2.2.5 加注后管路的吹掃及惰化

LNG加注完成后,根據(jù)《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》(IGF Code)要求,需對船岸加注軟管以及船上的加注管路進(jìn)行吹掃和惰化,防止管路內(nèi)的殘液回溫氣化后導(dǎo)致管路壓力升高。可將LNG槽車內(nèi)剩余的LNG經(jīng)氣化撬氣化成低溫天然氣(-110～-130 ℃),通過加注軟管經(jīng)船上加注站液相管接口由LNG燃料艙加注管接口將管路內(nèi)的殘液吹進(jìn)艙內(nèi),然后使用船上氮氣發(fā)生器所產(chǎn)生的的氮氣對加注液相/氣相管進(jìn)行吹掃,吹掃后的氣體通過加注站氣相管接口排放至岸上火炬塔燃燒。使用便攜式甲烷測量儀測量加注管路的甲烷含量,當(dāng)甲烷值達(dá)標(biāo)后,吹掃結(jié)束。

在吹掃和惰化工作完成后,需將相關(guān)閥門恢復(fù)到加注作業(yè)前的初始狀態(tài);然后斷開加注軟管,將加注站的液相/氣相管路端部盲板法蘭安裝到位,加注軟管也恢復(fù)到非工作狀態(tài)。加注后,需密切監(jiān)測艙壓變化,保持艙壓不超過0.25 MPa為宜。

3 危險識別和控制措施

LNG是易燃易爆的危險化學(xué)品[5],為保障LNG加注作業(yè)安全并優(yōu)化加注操作流程,根據(jù)LNG、燃?xì)?、液氮、氮氣等特?結(jié)合所述槽車加注和加注場地的實際情況,采用“風(fēng)險矩陣,從直接原因、產(chǎn)生后果、發(fā)生頻次、風(fēng)險等級等方面對加注期間的危險源進(jìn)行辨識,對加注設(shè)備布置以及加注工藝流程進(jìn)行風(fēng)險評估。在風(fēng)險矩陣中,③為不可接受的高風(fēng)險,必須采取合理有效的措施來處理,然后風(fēng)險才可能降為中風(fēng)險或低風(fēng)險;②為中風(fēng)險,需要盡可能采取相關(guān)措施降低風(fēng)險;①為低風(fēng)險,一般認(rèn)為是可接受的風(fēng)險[6],見圖9。

圖9 風(fēng)險矩陣

通過風(fēng)險評估,共得出三大類57項風(fēng)險,對于識別出的危險,分析事故場景的風(fēng)險等級,采取相應(yīng)危險預(yù)防措施和應(yīng)急管理措施有效降險,僅有1項中風(fēng)險,其余皆為低風(fēng)險,見表1。

表1 車對船加注的危險識別和控制措施

4 結(jié)論

1)LNG加注期間的安全管控工作至關(guān)重要,需要特別重視。為保障加注安全,需從加注準(zhǔn)備工作開始直到加注完成后的各階段開展風(fēng)險評估,明確事前預(yù)防措施和事后處理措施。LNG加注期間,需進(jìn)行加注危險區(qū)域劃分,安排專人值班、巡檢,操作人員需做好防靜電等個人防護(hù)。

2)在LNG動力船設(shè)計階段就需考慮后續(xù)加注方式[8],合理設(shè)計和布置LNG加注站、LNG燃料艙以及加注管路,同時,制訂完善的加注作業(yè)流程,對整個加注作業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義,可以有效地將車對船加注作業(yè)危害發(fā)生的概率和后果限制到最小。

3)針對LNG燃料艙及相關(guān)LNG/氣相管的干燥惰化,為取得更好的干燥惰化效果,建議LNG燃料艙在交付前使用氮氣進(jìn)行封艙,艙壓保持在0.05 MPa,根據(jù)實船加注驗證,基于該封艙方式,可更有效地完成LNG燃料艙的干燥惰化,大幅縮短作業(yè)時間,提高碼頭效率;同時,船廠也可配置大排量的氮氣發(fā)生器工裝,在加注作業(yè)前進(jìn)行LNG燃料艙的補(bǔ)氣及相關(guān)LNG/氣相管的干燥惰化,進(jìn)一步提高干燥惰化作業(yè)效率。

4)針對LNG燃料艙冷艙,可采用液氮或LNG冷艙兩種形式?？紤]冷艙的安全性、成本和周期等因素,優(yōu)選液氮冷艙,若冷艙過程中出現(xiàn)問題,可隨時進(jìn)行空氣化。經(jīng)成本分析,針對6 000 m3以下的LNG燃料艙,液氮冷艙的成本低于LNG冷艙。若采用LNG冷艙,在燃料艙干燥惰化后先使用低溫天然氣置換然后進(jìn)行冷艙,與液氮先冷艙后置換的操作相反,該形式可獲得更好的置換效果,冷艙過程中的降溫也更容易控制,不會出現(xiàn)降溫過快的情況。