小型LNG运输加气船供气系统研究

高德辈等

【摘 要】近年来随着经济的发展对于清洁能源的需求不断增强，国内对于天然气的需求量越来越大。目前，我国的天然气运输方式主要有：常规陆路运输、管道运输、船舶运输等。本课题研究主要研究内容为通过三种加气方式的对比，加气操作流程及原理的介绍确定设计方案，最终解决小型LNG运输加气船加气系统关键设备设计建造及技术国产化难题。

【关键词】LNG加气船 天然气 加气系统

1 引言

近几年，全球变暖、气候异常等话题已逐渐成为人们关注的焦点，绿色环保、节能减排也已成为全世界大多数国家的共识。在这样的大环境下，随着全球航运业的发展，船舶所造成的污染也越来越引起国际社会的关注。

世界知名船用主机供应商瓦锡兰集团和曼公司已经向市场推出批量化、系列化的双燃料中速发动机产品，双燃料低速机也已经进入商业化生产阶段。LNG作为船用燃料，NOx的排放减少85～90%，SOx和颗粒物质的排放与燃料油相比可减少几乎100%。CO2净排放量降低15～20%。LNG动力船型初始投资比传统燃料船型高出10%～20%。但随着排放控制区对SOx排放的强制限制、EEDI的生效以及技术改进和完善，双燃料发动机船型和全气机船型将逐步成为市场主流，并且影响的船舶类型的范围也将不断扩展。随着我国“气化长江”计划的持续开展，在长江等几大内河流域及一些沿海港口船只开始采用LNG为船舶燃料。但是一部分船东也在处于观望状态，因为毕竟LNG的加气没有柴油方便，国内也只有几个在建的LNG加气港口。那么LNG加气船的出现极大程度上的解决了这个问题，LNG加气船建造起来比LNG加气港简单，而且使用起来可以灵活的运用。综上所述建造小型LNG加气运输船是发展液化天然气（LNG）为船舶燃料首当其冲的保障。而LNG作为LNG加气船燃料更是节省了船舶本身的运营成本。

突破和解决小型LNG加气运输船加气系统关键设备设计建造及技术国产化难题。同时提升核心系统和装置国产化率。

2 供气系统研究内容与技术方案

2.1 供气系统目标与技术指标

小型LNG运输加气船供气系统研究所用到的规则和规范有：中国船级社的《液化天然气燃料水上加气趸船入级与建造规范2014》，中国船级社的《天然气燃料动力船舶规范2013》，《国内航行海船建造规范》，《材料与焊接规范》（2012），国内航行海船法定检验技术规则（2011年），中国船级社的《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规范》，MSC.285（86）决议 有关安全安装船舶天然气燃料发动机的临时导则，中国船级社的《天然气燃料动力船舶规范2013》，其中参考导则为《LNG动力船加气的标准及规范研究》（挪威德国船级社）。

2.2 主要研究内容

通过以上规则规范来设计用于给LNG动力船加气的加气系统，并对本系统中的不同的加气形式进行比较：

（1）采用加气臂的形式给受注船加气；

（2）采用加气软管的形式给受注船加气；

（3）采用软管吊的形式给受注船加气；

（4）采用低温离心泵给受注船加气；

（5）采用低温潜液泵给受注船加气。

2.3可行性分析

2.3.1 不同形式的LNG加气方式的比较及可行性分析

（1）采用加气臂的形式：如图1。

图1 加气臂的形式

（2） 采用加气软管的形式：如图2。

图2 软管的形式

（3） 采用软管吊的形式：如图3。

图3 软管吊的形式

综上所述：本船的LNG加气拟采用LNG软管对受注船进行加气。

2.3.2不同形式的LNG泵

加气系统不同形式的LNG泵有：采用低温离心泵给受注船加气和采用低温潜液泵给受注船加气。考虑到经济性及整体安装空间的紧凑性，本船采用LNG低温离心泵用于LNG的输送。经过以上对于加气船和受注船连接方式的比较以及不同的LNG输送方案的比较，本船拟采用LNG软管进行加气，采用低温离心泵进行LNG的输送。

3 设计方案

3.1 加气流程

受注船燃料罐加气的加气过程中，利用放在罐舱内的LNG泵将LNG储罐内的LNG 转移到受注船上的LNG燃料罐内，受注船上燃料罐内的货物蒸汽可以从气相加气管回到加气船LNG储罐内。

加注过程中，利用放在罐舱内的LNG泵将LNG储罐内的LNG 转移到受注船上的LNG燃料罐内，受注船上燃料罐内的货物蒸汽可以从气相加注管回到加注船LNG储罐内。

3.2 系统组成

LNG加气系统主要系统有：LNG泵，LNG加气站，安全系统，管系和阀件，仪器仪表，控制系统，计量系统。

3.2.1 LNG加气站

该系统设计用于向受注船LNG燃料罐内充装燃料，带回气功能。设有充装接口以满足需要。为便于控制受注船燃料罐的蒸气压，充装过程中货物蒸气可采用回气或上喷淋维持压力。充装系统的布置应能使充装时不会有气体排放到大气中。

充装结束时，采用氮气将充装管线内的液体排出。

在驳运易燃气体/液体时，燃料供应方和船厂的充装站之间提供一套等电位连接装置。

3.2.2安全系统

（1）氮气系统。氮气用于对LNG加气管系进行惰化以及在加气结束后对管线进行吹扫。

（2）透气管线。透气管用于将LNG加气管系上安全阀出口的货物蒸气排放至大气中。

（3）透气桅。在罗经甲板的顶部安装有1套透气桅及透气管线。透气桅顶端的透气头可以将来自透气管线的气体直接排入大气。透气头装有防护格栅并配备有防火网，透气头的材料采用不锈钢。透气口的高度应高于露天甲板6米以上。

（4）应急速闭按钮。应急速闭按钮安装在燃料加气站附近，并带有30 米电缆。用于紧急情况下，迅速切断应急速闭阀。

（5）仪表气源。仪表气源用于给远程控制阀提供干燥洁净的压缩空气，该系统设有低压报警。

操作压力：7bar 带干燥器。

3.2.3 LNG管系和阀件

当设计温度低于-110℃或更低时，对管系的每一分支应提交一份完整的应力分析资料供认可。

LNG管系采用不锈钢，由管线、法兰、管件、螺栓螺母、垫片等组成。按照船级社的要求设计。LNG充装管线采用高真空多层绝热低温管，内外管之间抽真空，采用珍珠岩填充，内外管之间设有支撑块。LNG充装站与LNG储罐之间的管系由厂家提供。

LNG充装管线穿舱壁处进行绝热处理。

3.2.4 LNG阀件

阀门需满足规范要求，所有LNG阀门采用不锈钢材质：液相为公称直径100以下：采用对焊式球阀或截止阀；气相为公称直径100以下：采用对焊式球阀或截止阀；安全阀为弹簧式安全阀。在燃气储罐，充装站液相管和气相管线的合适位置安装气动式速闭阀以满足规范的要求。

3.2.5 仪器仪表

所有安装在危险区域的仪器仪表应为防爆型，并满足该区域最低防爆等级要求。充装管系温度测量，应安装温度指示装置在液相充装管线和蒸气回流管线。

3.2.6 压力指示及报警

充装管系压力测量， 应安装压力指示装置在液相充装管线和蒸气回流管线。

3.2.7控制系统

启动器是LNG泵电机启动器与控制柜集成在一起。

主控制板，在集控室设有一套主控制台，集中对燃气系统及设备进行控制。主控制系统采用可编程控制器进行控制和管理。同时设有一套人机显示界面，用于显示和管理整个燃料供应系统，根据船舶规范，驾驶台需提供必要的报警功能。所有的系统及设备根据厂家的标注以及规范和公约要求，提供必要的报警及速闭功能。

在主控制站，可对储罐的压力、液位进行监测，同时，还可执行高液位报警及自动切断功能。

燃气供应系统相关联的装置在集控室内的主控制站上进行远程控制与监控，包括LNG燃料加气控制，LNG燃料充装控制，冷却/加热系统，气体探测系统，LNG储罐液位/温度/压力指示及报警，储罐处所内的温度指示及报警，应急速闭系统的控制。

4 结语

本套LNG加气系统经本次研究得到以下结论：

本系统对几种LNG加气方式进行了比较，采用最适合本项目的软管加气，极大程度上的减少了建造成本，也降低了设备维修难度。