LNG燃料的水上加注技術(shù)

1、LNG燃料的水上加注技術(shù)     加注是LNG燃料水上供應(yīng)鏈上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是推廣使用LNG作為船用燃料須首先解決的問(wèn)題。LNG水上加注為新事物，僅能從歐洲十多年的應(yīng)用中獲取少量使用經(jīng)驗(yàn)。      總體來(lái)看，國(guó)際上的LNG水上加注設(shè)施研究和建設(shè)正處于起步階段，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的 TC67/WG10-LNG船用燃料加注工作組、IMO IGF工作組等都在同步進(jìn)行LNG水上加注的研究工作。在歐洲，歐盟委員會(huì)（EC）于2013年1月通過(guò)了 “清潔燃料戰(zhàn)略（clean

2、0;fuel strategy）”，提出“歐盟船用LNG綜合框架行動(dòng)方案”，計(jì)劃至2014年底，歐盟委員會(huì)與歐盟海事局（EMSA）聯(lián)合提出一整套關(guān)于LNG水上供應(yīng)、加注和使用的綜合性規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和指南。至2020年1月，所有跨歐交通網(wǎng)工程（TEN-T）的核心港口必須建成LNG加注設(shè)施，提供LNG加注服務(wù)。      我國(guó)自2010年開(kāi)展將LNG作為船用燃料試點(diǎn)工程以來(lái)，中國(guó)海事局、國(guó)家能源局、中國(guó)船級(jí)社（CCS）等各方積極推動(dòng)LNG水上加注規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定，為未來(lái)LNG加注躉船、加注船、岸站等的設(shè)計(jì)和建造奠定了基礎(chǔ)。 技術(shù)發(fā)展

3、概況     目前,LNG燃料水上加注方式總體上可分為如下三類（如圖1）：圖1 LNG燃料水上加注的三種方式     船-船加注（Ship-to-ship bunkering，簡(jiǎn)稱STS）,STS在碼頭、錨地、航行中均可進(jìn)行，STS也包括加注躉船對(duì)船加注、海上浮式加注設(shè)施對(duì)船加注；      槽車-船加注（Tank truck-to-ship bunkering，簡(jiǎn)稱TTS)；      

4、;岸站-船加注（LNG intermediary terminal-to-ship via pipeline，簡(jiǎn)稱TPS),TPS也可結(jié)合躉船使用，LNG儲(chǔ)罐位于岸上，躉船的作用是適應(yīng)水位高差。     在以上三種方案中，目前應(yīng)用最廣的是TTS。北歐大部分LNG燃料船采用此種方式加注，槽車通過(guò)LNG小型中轉(zhuǎn)站裝車，將LNG燃料運(yùn)往加注地點(diǎn)給LNG動(dòng)力船實(shí)施加注，挪威已建成小型LNG中轉(zhuǎn)站40余個(gè)，圖2為挪威Arsvagen渡口的槽車加注作業(yè)。我國(guó)LNG雙燃料試點(diǎn)船加注也采用TTS形式。  

5、60;  TPS在挪威已有應(yīng)用，圖3為挪威Halhjem的岸上加注站，儲(chǔ)罐容量為2×500m3，為控制風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)罐和加注站之間留有一定安全距離，之間的LNG管線埋于地下。圖2 挪威Arsvagen渡口的LNG槽車加注圖3 挪威Halhjem的岸上加注站（容量1000m3）圖4 2013年在Viking Line投入運(yùn)營(yíng)的LNG加注船圖5 荷蘭鹿特丹港一加注躉船概念設(shè)計(jì)    對(duì)于STS，2013年初，世界首艘LNG加注船在Viking Line投入運(yùn)營(yíng)，該船由瑞典的Cryo AB公司建造，儲(chǔ)罐采用真空絕熱罐，容量為180m3。

6、另有FKAB、川崎、TGE、Rolls-Royce、瓦錫蘭等公司也正在著手設(shè)計(jì)LNG加注船（或LNG加注/運(yùn)輸兩用船）。     對(duì)于內(nèi)河和港口，加注躉船也是一種合適的加注方案。在歐洲，已有LNG加注躉船的方案設(shè)計(jì)。圖5為荷蘭鹿特丹港一加注躉船的概念設(shè)計(jì)，船長(zhǎng)60m，寬16.5m，其采用的是移動(dòng)式儲(chǔ)罐（可吊離躉船）。鹿特丹港提出，加注躉船的容量可分三個(gè)階段發(fā)展，第一階段在250m3以內(nèi)，第二階段在750m3以內(nèi)，第三階段達(dá)到1500m3。在我國(guó)長(zhǎng)江水系，目前正在設(shè)計(jì)建造容量為100500m3的LNG加注躉船。    

7、; 表1列舉了上述各種加注方案的優(yōu)缺點(diǎn)，表2列舉了各種船舶的適用方案。 水上LNG燃料加注工作原理    可行的LNG加注解決方案的設(shè)計(jì)取決于對(duì)安全性、可操作性、經(jīng)濟(jì)性三者的平衡。圖6為一典型水上LNG加注系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理為：用泵將LNG通過(guò)加注軟管（或加注臂）泵送到接收方儲(chǔ)罐中。在軟管的兩端都裝有緊急切斷閥（ESD），如果發(fā)生泄漏或操作異常，ESD可自動(dòng)或手動(dòng)關(guān)閉，為防止過(guò)壓，ESD的響應(yīng)時(shí)間在30s左右。當(dāng)ESD關(guān)閉時(shí)，為防止壓力振蕩，儲(chǔ)罐配備有自循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行降溫和降壓。為防止加注方與接收方之間過(guò)大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在軟管上裝有緊急脫離裝置（ERC）

8、。加注軟管兩端采用干式快速接頭（Dry Disconnect Couplings，DDC）以防止泄漏。在加注之前，加注軟管需要用LNG的蒸發(fā)氣進(jìn)行吹掃和預(yù)冷，加注之后，軟管中的LNG要排干，然后用氮?dú)獯祾呒幼④浌芎突貧夤堋D6 簡(jiǎn)化LNG加注系統(tǒng)圖LNG水上加注的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別     以下以STS加注方案為例，來(lái)分析水上加注設(shè)施潛在的風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)控制措施。LNG水上加注的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別見(jiàn)表3。風(fēng)險(xiǎn)控制措施 1、船舶布置     要根據(jù)LNG泄漏后果（如低溫?fù)p傷和火災(zāi)損傷），制定加注作業(yè)處、控制室、

9、生活區(qū)、儲(chǔ)罐區(qū)之間的安全距離，以及采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施（集液盤、水幕保護(hù)等）。為防止大量LNG泄漏后的蒸氣云聚集而發(fā)生蒸氣云爆炸，應(yīng)使儲(chǔ)罐區(qū)的布置不影響低溫重氣擴(kuò)散。 2、儲(chǔ)罐的冗余保護(hù)     對(duì)于加注船或加注躉船，其合理容積在2001000m3，此時(shí)，C型獨(dú)立液艙是最合適的LNG圍護(hù)系統(tǒng)。IGC規(guī)則認(rèn)為C型獨(dú)立液艙不需次屏壁保護(hù)。對(duì)于加注船，儲(chǔ)罐一般位于圍壁或半圍壁艙室內(nèi)，雙層舷側(cè)結(jié)構(gòu)可提供對(duì)儲(chǔ)罐的保護(hù)。對(duì)于加注躉船，儲(chǔ)罐一般設(shè)置在甲板上，為了減小儲(chǔ)罐遭遇碰撞以及泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，需要規(guī)定出儲(chǔ)罐距離舷側(cè)的距離，以及附加措施（如設(shè)置儲(chǔ)罐圍堰）。

10、60;3、加注連接圖7 挪威Agotnes CCB加注站的軟管連接圖8 TGE設(shè)計(jì)的加注臂    加注過(guò)程中，加注方與被加注方的連接至關(guān)重要?？刹捎密浌苓B接（圖7）或加注臂連接（圖8）。目前，有廠商生產(chǎn)LNG加注軟管，管徑尺寸為1英寸16英寸，包括單層管和真空絕熱型管兩種形式；國(guó)內(nèi)已有LNG加注臂生產(chǎn)能力。加注連接技術(shù)要點(diǎn)有：      加注接頭尺寸應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化；      加注速度的確定要合理（根據(jù)技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，躉船加注速度可達(dá)100150m3/h，加注船速度有望

11、達(dá)到4001000m3/h）；      軟管和加注臂的操作程序要合理； 需要應(yīng)用干式快速接頭（DDC）、緊急脫離系統(tǒng)（ERC）技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。 4、防止泄漏導(dǎo)致船體低溫?fù)p傷圖9 移動(dòng)式不銹鋼集液盤圖10 水幕保護(hù)船體結(jié)構(gòu)    自1964年至今的LNG事故記錄，與閥門或管路泄漏有關(guān)的事故幾率高達(dá)約70%。所以，應(yīng)對(duì)閥門管路泄漏風(fēng)險(xiǎn)的控制予以高度重視，具體措施包括：在相應(yīng)位置設(shè)置不銹鋼集液盤（如圖9），以防低溫液體損傷船體結(jié)構(gòu)；為防止加注軟管的泄漏對(duì)船體造成低溫?fù)p傷，可采用如圖10所示的水幕保護(hù)

12、系統(tǒng)對(duì)軟管經(jīng)過(guò)的船體進(jìn)行防護(hù)。 5、儀表設(shè)置和監(jiān)控     加注系統(tǒng)要合理設(shè)置儀表，并能在控制室進(jìn)行監(jiān)控。為了防止儲(chǔ)罐卸貨時(shí)過(guò)充，要設(shè)置適用的液位測(cè)量裝置，并要有備份；為了控制接收罐和加注罐的溫差以及防止翻滾，要設(shè)置足夠數(shù)量的溫度測(cè)量裝置；為了檢測(cè)儲(chǔ)罐及管路的壓力，應(yīng)設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)裝置。 6、儲(chǔ)罐的降溫降壓措施     C型液罐本身有一定的耐壓能力，可滿足一定的維持時(shí)間要求。但為了控制溫室氣體甲烷的直接排放，儲(chǔ)罐應(yīng)具備自降壓的功能?？赏ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)LNG自循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到降溫降壓的目的。另可配備BOG罐，

13、并有相應(yīng)的BOG處理措施。 7、操作規(guī)程和人員培訓(xùn)     科學(xué)合理的操作規(guī)程和人員培訓(xùn)是確保LNG水上加注安全的重要因素，應(yīng)制定LNG加注操作規(guī)程，根據(jù)不同加注階段制定出詳細(xì)的檢查表（checklist），要對(duì)人員進(jìn)行嚴(yán)格的理論和操作培訓(xùn)。     在總結(jié)以上技術(shù)發(fā)展和關(guān)鍵問(wèn)題的基礎(chǔ)上，建議在實(shí)施LNG加注項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)在以下方面開(kāi)展工作：     （1）建立LNG加注設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型（包括蒸氣云擴(kuò)散、池火、低溫?fù)p傷等評(píng)估模型），用于LNG泄漏后果的定量分析；     （2）建立加注意外事故的分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，為未來(lái)技術(shù)