小型LNG运输船货物系统作业流程

周志峰 张 艳

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

小型LNG船通常用于近海及内河运输液化天然气，运行于国内航线，其总舱容一般处于2 500～40 000m3之间［1］。如需要，较大舱容的小型LNG船也可加入短程的国际航线，用于进口液化天然气，作为大型LNG运输船的补充。C型独立式液货围护系统基于其设计制造工艺简单的优点，可能将成为小型LNG运输船液货舱的较优选择。相对于当今主流的、适用于大型LNG运输船的薄膜式和B型独立式液货围护系统而言，C型独立式液货围护系统有其自身的特点，如无需次屏蔽，液舱设计压力较高等。不同型式的LNG液货舱对应有不同的特殊货物处理系统。货物处理系统的设计除了要满足IGC等规则与船级社规范对系统安全与防污染要求外，还应满足船东在船舶营运中对装卸货、海上航行、局部检修、进出坞、紧急处理和其他非常规操作等所有作业工况的要求。因此，要设计好货物处理系统，深入探讨小型LNG船特有的货物系统的作业流程是非常重要的前提。下面初步探讨基于C型独立式液货围护系统的LNG运输船的货物操作流程。

1 小型LNG船作业流程图

IGC规则对C型液货围护系统的定义：系指符合压力容器标准，且设计蒸气压力不小于本规则要求的计算所得之值的液货舱，属于独立式液货舱，无需次屏壁。图 1（a）、图 1（b）为 C 型独立式液货舱的典型横剖面图。

图1 C型独立式液货舱

LNG船的基本作业流程可分为两种操作模式：进出坞操作和正常运行操作。如图2。

图2 货物系统作业流程图

2 货物系统作业流程分析

2.1 出坞装货前操作

2.1.1 货舱处所干燥

按IGC规则，C型独立液货舱的周围处所，应充填适当的干燥惰性气体或干燥空气，并应用船上惰性气体系统或贮存的惰性气体提供补充的惰性气体或用合适的干燥空气设备提供的干燥空气，以保持货舱处所的环境。其主要目的是为了防止在船舶正常运营期间，在液货舱周围处所产生冷凝水渗入隔热层而导致冷桥［1］。此处的环境控制包括两个作业阶段。第一阶段为船舶建造后或定期检查等开启作业后，在装货之前需要使货舱处所充分干燥。通常的方法为利用船厂的风机和加热器提供高温干燥的空气，对货舱处所进行长时间的通风换气，以去除舱内的空气中的水分。接着，利用船上氮气发生器的空压机和干燥器，向舱内注入低露点的干燥空气，因船上配置的空压机容量一般较小，此方法耗费的时间较长。一般此处的空气露点需降至-45℃或者更低。第二阶段为货舱处所干燥空气的保持。在首次空气干燥后，货舱处所应始终保持微正压，阻止外部潮湿空气的侵入，因此每个独立货舱处所将设置一个压力/真空阀。另外还需设置一根自动补气管路，向舱内补充低露点（-45℃）的干燥空气，以保证货舱处所不出现负压状态，维持结构安全性。另外，干燥的环境也能避免钢结构遭受酸性物质的侵蚀。

2.1.2 干燥

在装载LNG之前必须对液货舱进行干燥。干燥：用低露点的空气或惰性气体，去除液货舱的水汽，以保证在装入低温液货时不会出现水合物或结成冰，从而堵塞货物系统的设备、阀件和管道。由于液货舱体积较大，即使空气中的含水率很低，其总量也是相当可观的：对于一艘30 000m3舱容的LNG船舶，按不同的外部环境，其含有的水量可达到100～400 kg。为了去除这些凝水，通常需要将液货舱内大气环境的露点降至-45℃以下。通常的干燥作业：由装货港向货舱提供大排量的的干燥空气以置换液货舱内原来的湿空气，达到舱内的绝对干燥。

2.1.3 惰化

惰化：在装货前，液货舱、货物管路等货物处理系统内是充满干燥空气的，为防止可燃货物蒸气与空气形成爆炸性混合气体，必须用加入惰性气体的方法降低货物处理系统内的气体含氧量。天然气在空气爆炸极限为：5%～15%（体积比）。考虑到货物处理系统的结构复杂性，气体分布的不均匀性，仪表测量的误差性，通常需要将液货舱气体的含氧量降至1.5%～2%或以下［1］。干燥和惰化作业通常来说是同时进行的。对于小型LNG船来说，船上通常不设置大容量的惰性气体发生装置，仅设置小排量的氮气发生器，主要用于液货系统管路的吹扫与货物系统相关设备的惰化。用于液货舱干燥惰化的大量干燥的氮气通常来自岸上，即装货港。装货港会提供纯度为95%以上的低露点（如-60℃）的氮气，通过船上的装货管路进入液货舱底部，被置换的舱内空气经透气管排入大气，直至舱内的大气环境达到需要的含氧量要求和干燥度要求，即完成惰化作业。

2.1.4 充气

充气：使用来自岸上的天然气蒸发气置换液货舱内的氮气。经船上的蒸气管从液货舱顶部进入液货舱，舱内氮气经舱底部液货装载管排出，氮气与蒸气的混合物从透气桅杆排出或排岸。为保证天然气与氮气能够保持一个良好分层，控制天然气进入速率非常重要的，因为稳定的分层可以得到较好的置换效果，从而减少充气作业的时间。直到液货舱内的甲烷含量达到88%或透气桅上甲烷含量达到5%，即可认为充气作业完成。实际上，本充气也可认为是预冷的前期步骤。

2.1.5 预冷

液化天然气在常压时的沸点为111.63 K，当液态天然气装入液货舱和管系时，如果液货舱和管系内的压力低于液货的饱和蒸气压力或温度高于液货在该压力下相应的沸点，这些液货就会立即大量气化并处于沸腾状态。大量液体货物急剧气化，就会从与其相接触的材料中迅速吸收气化潜热，但这些材料本身热量传输有一个滞后过程，将在这些结构材料的内部形成较大的温差并引起材料收缩。局部的收缩会使材料内部产生过大的热应力，甚至可能使结构材料产生裂缝损坏。液体大量气化时，若液体气化速度大于船岸之间蒸气回收的能力，将导致货舱内蒸气压力的迅速升高并可能超过压力释放阀的调定值，引起货物蒸气从透气桅排出，这在港内是不允许的。为了防止货舱和管系产生过度的热应力，避免货物进入货舱时出现闪蒸现象，在装货前必须使它们的温度逐渐降低，直至接近装货温度。这一使货物系统温度逐渐降低的过程即为预冷。这一作业一般是使用来自岸上的低温货物气体接入舱内，以取代充气作业结束后留存在舱内的天然气，接着接入岸上液态货物，通过液相管从货舱内顶部的液货喷淋管以雾状喷入液货舱内，液货在舱内迅速气化吸热，利用液货的气化潜热来冷却货舱。按货舱内的压力和温度变化相应控制喷淋的速度，液相货物气化产生的蒸气通过气相管回流至岸上。预冷作业需持续到在货舱底部形成一层薄的稳定液货，舱内蒸气温度达到-130℃左右时［1］，可认为预冷作业完成。需要注意的是，预冷的速度必须严格控制，以防止货舱产生过大的热应力。

2.2 正常装卸货航行操作

2.2.1 装货作业

装货时，岸上LNG货物从装卸臂经船上液相管直接输入至货舱底部装舱管，还分流一部分液货至舱内的液货喷淋管喷洒以均衡蒸发率和减少舱顶到舱底之间的温度梯度，同时使液货舱内部分货物蒸气凝结，以控制装货时液货舱内压力的升高。随舱内液位的升高，需要将被液体置换的蒸气及蒸发产生的蒸气通过气相管回送至岸上。对于C型独立式液货舱，由于为比薄膜式舱承压高的压力舱，蒸气可直接由舱内压力的升高压送回岸上。装货开始阶段液货必须缓慢装入，并且应监视液货舱的压力、温度变化。待压力、温度稳定后再逐渐提高装货速度至正常水平。整个装货期间必须定期检查液货舱的压力、温度和液位是否在允许的范围内。无论如何均不能让压力释放阀起跳，当保持舱内正常压力有困难时，应立刻减缓装货速度，必要时停止装货。装货作业结束前 15～30min［1］，应加强与岸站联系，降低装货速度，直至液货舱装到预定液位。按IGC规定，任何液货舱的充装极限不得超过基准温度下的98%［2］。全部液货舱装载完毕后，需进行扫线作业，将甲板管路中的液体排放回液货舱内。扫线作业通常使用由船上的氮气发生器提供的氮气对液相管和气相管路进行清扫，以去除管路内留存的液相与气相天然气，同时惰化甲板管路。

2.2.2 装货航行

在装货航行中，主要的货物操作就是货舱内蒸发气压力确保在整个航行周期内，舱内压力始终低于压力释放阀的设定值。对于小型LNG船，蒸发气日蒸发率一般控制在低于总舱容的0.3%。如何处理由于航行过程中外界热量侵入而产生的蒸发气，可以说是LNG运输船设计的重中之重。通常的做法是设置双燃料发动机，在航行过程中直接将多余的蒸发气作为燃料，转换为船舶的推进动力。相对于装设昂贵的再液化装置和专用气体燃烧装置，把蒸发气直接用于船舶燃料是一种既节能环保又经济的方法。此方法也被现在大多数LNG运输船所采用。

2.2.3 卸货作业

卸货作业通常是由设置在每个液货舱内的深井式液货泵来完成。卸货前需要对货物管路系统预冷，以防止管路由于较大的温度变化而产生不利的热应力。在卸货过程中，由于舱内液位的下降，液货蒸发气化的速度跟不上气相空间扩张速度，舱内压力会降低，这时必须需要有额外的蒸气回流舱内，以保证舱内处于正压状态。通常的做法是岸上回流蒸气至货舱。如果岸上无法提供回流蒸气时，而船上货舱内的液货蒸发速度又不足以平衡货物卸出量时，也可分流部分液货至强制蒸发器，来产生蒸气，回流至卸货舱内以平衡压力。此时的卸货速度必须与船上配置的强制蒸发器的能力相匹配，避免使货舱产生负压。在卸货结束时，并不是将所有的液货都卸光的。为确保在压载航行时保持罐体内压，压载到港前的货舱冷却及产生足够蒸发气作为船舶推进燃料使用等，而是要留有一定数量的液货，留存量的多少随航行距离及其他条件而异，约为满载货物容量的1.5%～4.0%。主要影响因数有：压载航行状态下的日蒸发率，即货舱的绝热程度；压载航行至到港装货的时间；船舶推进燃料的消耗率；货舱喷淋冷却所需的液货数量；燃料经济性，LNG与燃油的价格比。最终合理的货物留存量需在运营中逐步修正确定。

2.2.4 压载航行

压载航行时主要的货物操作是货舱气相层的压力控制和舱体的温度控制。当液货舱底部留有液货，将产生上下温度差，其温度分布为，底部为液体温度（-160℃），顶部为-60～30℃。通常在航行到港前几天，要进行货舱冷却作业，通常需由留有货物的货舱内液货泵运行，经甲板上纵向液货管至每个货舱喷淋管，进行喷淋作业，以达到降低舱内温度，均衡温度场的目的。另外还需检查及试验各相关管系阀件、ESD阀、遥控遥测装置的操作可靠性。

2.3 卸货进坞前操作

进坞前的作业可以说是出坞装货前作业的逆操作，首先是必须卸光货舱内的所有货物，而后再进行以下步骤的作业。

2.3.1 扫舱

扫舱：使液货舱内的残留液体清除至最少，否则液货舱内残液会不断蒸发气化而影响后续作业的效率。对于LNG运输船来说通常使用液货泵来卸掉残留液货，通过调整船舶的纵倾和横倾状态使舱内液货尽可能集中至液货泵吸入井内，同时反复几次调节泵出口阀的开度，使泵起停几次，把舱内液货扫至最少。

2.3.2 暖舱

暖舱的主要目的是使货舱温度上升至惰化用气体露点以上，同时使舱内的液相天然气完全蒸发。一般是将热天然气通过液相装载管送入货舱内来进行的，同时通过气相回收管将舱内原有蒸气送回岸上，此时需时刻监测舱内温度和压力，以控制热天然气输入的速度，防止舱内压力大于安全释放阀的设定点。热天然气通常可来自岸上，也可由船上压缩机中间冷却/加热器或后冷却/加热器产生，其不足处为暖舱速度受制于加热器的能力。暖舱的目标温度，通常需达到下步惰化作业气体的露点以上，一般是将舱内的温度升高到0℃作为目标。

2.3.3 惰化

与前述装货前惰化干燥作业相似，目的同样是避免液舱内产生可燃性混合气体。该项作业是从液货舱内充满货物蒸气开始，来自岸上的氮气通过液相管充入货舱置换货物蒸气，持续到货物蒸气的浓度足够低，通常为 2%（体积比）以下［1］。

2.3.4 驱气

货舱惰化合格后，为了检修的需要，人员需进入货舱，就需要使用干空气来置换掉货舱内的惰性气体。由岸上提供干空气对液货舱进行持续通风，直至货舱内的含氧量达到21%，可燃气体含量为爆炸下限的1%以下，驱气作业即可完成［2］。

3 结语

综上所述，作业流程可分为三大部分：1）出坞装货前操作，其作业目的为使液货舱内的环境达到可直接装载液态货物的标准。2）正常装卸货航行操作，保证货物安全地从装货港运输至卸货港，同时兼顾经济性。3）卸货进坞前操作，其作业目的为使液货舱内环境达到人员可安全进入货舱进行检查维护作业的标准。确保作业流程安全的关键在于对货舱温度与压力的控制。设计者必须深入剖析小型LNG运输船的各个作业流程，充分了解LNG船运输安全性与码头设施情况，才能设计与优化LNG船最关键的核心系统——液货系统。从而给船员操作带来最大化的安全性和便利性。

［1］液货气运输船实用手册［M］.哈尔滨船舶工程学院出版社，1992.

［2］散装运输液化气体船舶构造与设备规范［M］.人民交通出版社，2005.