內(nèi)河LNG 岸基加注泵撬流程設(shè)計(jì)

張皓威，徐建浩，顧陳杰，邵雪鋒，王俊凱

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 201203）

內(nèi)河航運(yùn)是國(guó)內(nèi)運(yùn)輸行業(yè)的重要組成部分，成本低、效益高，能極大地帶動(dòng)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)的傳統(tǒng)船舶動(dòng)力以柴油為主，污染排放嚴(yán)重。近年來(lái)，為了促進(jìn)多元化船舶能源結(jié)構(gòu)，船用LNG 燃料已經(jīng)逐漸成為綠色航運(yùn)體系的重要發(fā)展方向[1]。液化天然氣（LNG）具有能量密度大、運(yùn)輸方便、安全性好、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)。LNG 應(yīng)用于船舶動(dòng)力時(shí)，相比傳統(tǒng)燃油，溫室氣體和污染物排放更低；LNG 著火點(diǎn)更高且不易引爆，能更好地保證運(yùn)輸安全；LNG 的燃料成本也比常用柴油更低[2]。

內(nèi)河水運(yùn)正在積極推進(jìn)LNG 清潔能源的使用，除去LNG 動(dòng)力船舶制造和改裝外，LNG 岸基加注站的搭建正在逐漸鋪開[3]。長(zhǎng)江、西江和京杭運(yùn)河等內(nèi)河沿線都在布局“氣化”方案，共規(guī)劃有74 座LNG 加注碼頭，2021 年12 月底已建成22 座[4,5]。LNG 岸基加注系統(tǒng)是LNG 岸基加注站的核心組成部分，主要由加注泵撬、加注臂、EAG 放散系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)及控制系統(tǒng)等部件組成，通過(guò)潛液泵將岸上儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 加注到目標(biāo)船燃料罐內(nèi)。不過(guò)需要注意的是，LNG 加注系統(tǒng)涉及危險(xiǎn)品、低溫和流程復(fù)雜等諸多設(shè)計(jì)難點(diǎn)，要在設(shè)計(jì)中對(duì)這些問(wèn)題開展細(xì)節(jié)全面的分析。

魯亮等人[6]對(duì)內(nèi)河的LNG 岸基加注站的加注管徑選擇和加注速度進(jìn)行了分析，給出了岸基加注系統(tǒng)中加注流量、管徑和壓損的對(duì)應(yīng)關(guān)系。趙鑫哲[7]給出了沿海干溝LNG 加注站選址的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并且比較了配置方案下的加注站運(yùn)行情況。李恬[8]對(duì)LNG 岸基加注站的組成分級(jí)、設(shè)計(jì)選址、總體布局和工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了討伐和分析，給出了相應(yīng)的建議。不過(guò)，目前LNG船舶保有量較少，LNG 加注站投資成本高、安全責(zé)任大，岸基加注系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)工作仍然比較缺乏[3]。

目前已知內(nèi)河LNG 岸基加注站單臺(tái)加注流量大多在20～30m3/h，當(dāng)對(duì)容量較大的受注船或加注船的燃料儲(chǔ)罐加注時(shí)，加注時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)。所以有必要設(shè)計(jì)大流量的岸基加注系統(tǒng)，采用雙泵變頻控制，同時(shí)滿足大流量和小流量的需求。

LNG 岸基加注系統(tǒng)中，絕熱泵撬系統(tǒng)是加注站正常運(yùn)行的關(guān)鍵核心，由潛液泵、氣化器和NG 儲(chǔ)罐等部件組成，承擔(dān)著加注、計(jì)量、增壓、吹掃和保冷循環(huán)的功能。本文聚焦于LNG 岸基加注系統(tǒng)中的絕熱泵撬系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)流程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)的絕熱泵撬系統(tǒng)開展流動(dòng)、管道壁厚、管道保冷、返回氣流量等進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置的合理性，為后續(xù)LNG岸基加注站實(shí)施提供支撐。

1 加注泵撬組成及功能

加注泵撬為一體化集成設(shè)備，是加注站內(nèi)LNG 儲(chǔ)罐和船岸設(shè)備之間的重要連接模塊，主要由撬體、潛液泵（帶泵池）、流量計(jì)、氣化器、柱塞泵、NG 儲(chǔ)罐、調(diào)節(jié)閥、儀器儀表、燃?xì)鈭?bào)警器以及其他閥門和管路等組成，原理圖如圖1 所示。

圖1 加注系統(tǒng)原理圖

其主要功能如下：

（1）加注功能：泵撬中設(shè)置兩臺(tái)額定流量為30m3/h 的潛液泵，總加注流量為60m3/h，可通過(guò)變頻協(xié)作方式來(lái)滿足不同的流量需求。

（2）計(jì)量功能：在液相加注管路和氣相回氣管路中各設(shè)置一臺(tái)流量計(jì)。兩臺(tái)流量計(jì)均被集成在泵撬內(nèi)，兩個(gè)流量的差值，可作為加注量的實(shí)際值，亦可采用精確度更高的熱值儀測(cè)量。

（3）增壓功能：泵撬中設(shè)置氣化器和柱塞泵，既可給LNG 儲(chǔ)罐增壓，也可以為NG 儲(chǔ)罐增壓。

（4）保冷功能：設(shè)置循環(huán)低溫管路，保證潛液泵、流量計(jì)在系統(tǒng)非工作時(shí)間內(nèi)一直處于低溫狀態(tài)，減少關(guān)鍵設(shè)備預(yù)冷時(shí)間，保證計(jì)量精度。

（5）吹掃功能：泵撬中設(shè)置氮?dú)鈨?chǔ)罐，可以在系統(tǒng)剛啟用或停止使用時(shí)進(jìn)行管路惰化；設(shè)置NG 儲(chǔ)罐，可以進(jìn)行氮?dú)獯祾吆蟮闹脫Q，也可以在加注完成后，將管路中殘留的LNG 吹向受注燃料罐。

2 加注泵撬基本流程

在加注泵撬的液相和氣相管路分別與LNG 儲(chǔ)罐以及受注船連接完畢的狀態(tài)下，按如下流程完成加注作業(yè)。

（1）提前開啟保冷管路，加注管路應(yīng)處于低溫狀態(tài)；

（2）打開氮?dú)夤苈穼?duì)泵撬和受注船之間的加注管路進(jìn)行惰化吹掃，然后用NG 儲(chǔ)罐內(nèi)的NG 進(jìn)行氮?dú)庵脫Q；

（3）打開加注閥，先小流量加注，待受注罐預(yù)冷完畢后，調(diào)節(jié)潛液泵逐漸增加加注流量；

（4）當(dāng)受注船儲(chǔ)罐快要到達(dá)其額定充滿率時(shí)，開始逐漸降低加注流量；

（5）待加注停止后，使用NG 儲(chǔ)罐內(nèi)NG 進(jìn)行吹掃；此時(shí)若其壓力不足，則會(huì)報(bào)警。需要啟動(dòng)柱塞泵對(duì)其增壓。

（6）NG 吹掃后，使用氮?dú)鈱?duì)加注段管路進(jìn)行惰化，然后再斷開泵撬和受注船之間的連接；

（7）在整個(gè)過(guò)程中，流量計(jì)、壓力/溫度變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各設(shè)備狀態(tài)亦實(shí)時(shí)顯示在操控屏上。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)功能要求，對(duì)相關(guān)流程校核計(jì)算，對(duì)重要設(shè)備進(jìn)行選型計(jì)算。

3.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如表1 所示，作為計(jì)算依據(jù)。

表1 設(shè)計(jì)要求參數(shù)

3.2 流動(dòng)計(jì)算

主要對(duì)含有潛液泵的主加注管路進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算來(lái)校核管徑，并指導(dǎo)泵的選型。各管段輸入?yún)?shù)如表2 所示。

表2 各管段參數(shù)

表3 各管段流速

各管段沿程阻力計(jì)算結(jié)果如表4 所示，其中雷諾數(shù)（Re）按照公式計(jì)算，沿程阻力系 數(shù)（Frictional resistance coefficient，λ）按照公式計(jì)算，沿程阻力（Frictional resistance，h）按照公式計(jì)算。

表4 沿程阻力計(jì)算

各位置局部阻力系數(shù)（coefficient of local resistance,ξ）如表5 所示，其中管路彎頭局部阻力直接取所有彎頭局部阻力的總和。各位置局部阻力按照公式計(jì)算，最終相加得到總的局部阻力為31.35m。

表5 局部阻力計(jì)算

根據(jù)表4 和表5 計(jì)算，管路整體阻力為39.58m，在對(duì)潛液泵進(jìn)行選型時(shí)，除了考慮該管路的阻力，還應(yīng)根據(jù)加注站實(shí)際布置，考慮加注撬與受注船之間管路和接頭的阻力。

3.3 管道壁厚校核

根據(jù)GB/T 20801-2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》對(duì)加注主管道強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。首先對(duì)管道壁厚進(jìn)行校核，計(jì)算條件及內(nèi)容如表6 所示。

表6 管道壁厚校核計(jì)算

其中：

計(jì)算厚度（Calculate thickness）由公式計(jì)算得到。

材料厚度負(fù)偏差（Thickness Negative deviation）由公式計(jì)算。有效厚度（Effective thickness）由公式計(jì)算。

試驗(yàn)壓力下管道應(yīng)力（Pipe stress under PT）由公式計(jì)算。

試驗(yàn)下的許用應(yīng)力（Yield strength under PT）由公式

3.4 管道保溫層厚度計(jì)算

深冷狀態(tài)的LNG，最低溫可達(dá)-163℃，加注管道會(huì)因低溫產(chǎn)生結(jié)露結(jié)霜，并使大量LNG 氣化，影響安全和正常使用。因此需要對(duì)加注管道進(jìn)行保冷，依據(jù)保冷計(jì)算確定安裝敷設(shè)保冷材料的厚度，以保證加注管道表面不出現(xiàn)結(jié)露結(jié)霜，LNG 不會(huì)因漏熱而過(guò)度氣化。

保冷計(jì)算輸入條件如表7 所示。

表7 保溫層厚度計(jì)算條件

根據(jù)GB50264-2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，圓筒保冷層厚度計(jì)算公式計(jì)算。

式中，D1 為保溫層外徑，D0 為保溫層內(nèi)徑，即管道外徑，λ 為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，ts 為保溫層外表面溫度，ta 為環(huán)境溫度，t 為保溫內(nèi)表面溫度，αs 為對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)GB50264，取值為8.141W/(m2K)。

3.5 返回氣量計(jì)算

為相對(duì)更準(zhǔn)確計(jì)量，在液相加注管路和氣相返回管路同時(shí)安裝流量計(jì)。根據(jù)潛液泵的選型參數(shù)可以很方便對(duì)液相流量計(jì)進(jìn)行選型，但對(duì)測(cè)量氣相返回流量的流量計(jì)進(jìn)行選型時(shí)，需要計(jì)算其大概的返回量作為參考。

計(jì)算過(guò)程假設(shè)受注罐物理容積80m3，充滿率從10%到85%，相關(guān)條件和計(jì)算如表8 所示。

表8 返回氣計(jì)算

根據(jù)加注初始狀態(tài)和終了狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)，以及公式計(jì)算返回氣的流量。其中采用初始密度計(jì)算出最大流量663.06kg/h，采用終了密度計(jì)算出最小流量107.68kg/h。

4 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)LNG 岸基加注泵撬的流程設(shè)計(jì)、計(jì)算和設(shè)備選型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，并對(duì)加注撬進(jìn)行低溫試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、流量試驗(yàn)等性能試驗(yàn)。

采用液氮進(jìn)行低溫試驗(yàn)，加注泵撬狀態(tài)如圖2 所示，測(cè)試監(jiān)控界面如3 所示。

圖2 低溫試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。

表9 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果滿足最初設(shè)計(jì)要求，潛液泵變頻控制、柱塞泵運(yùn)行增壓、各設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控等均可正常工作。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套LNG 岸基加注泵撬，通過(guò)流程設(shè)計(jì)和必要的性能和設(shè)備選型計(jì)算，在此基礎(chǔ)上完成加注泵撬的制造，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的加注泵撬具有占用空間小、安裝運(yùn)輸方便、操作簡(jiǎn)單、安全可靠等特點(diǎn)；加注、計(jì)量、增壓、保冷、吹掃等功能均達(dá)到預(yù)期目的，可以滿足內(nèi)河LNG 燃料船舶的加注需求。