LNG-燃油合建加注趸船设计研究

2017-01-17于全虎戴雪良

江苏船舶 2016年5期

关键词：液位储罐测量

于全虎，戴雪良

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

LNG-燃油合建加注趸船设计研究

于全虎，戴雪良

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003)

LNG(液化天然气)-燃油合建加注趸船是同时具有燃油和LNG加注能力的水上加注站，可为LNG动力船舶提供LNG和燃油双燃料补给。通过对该类船舶的LNG系统、燃油系统、防火及灭火、危险区域控制、监控系统等关键性问题进行的技术研究，提出了各系统的设计特点和设备选型原则，并以200 m3LNG-柴油合建加注趸船为例设计了船型方案。

LNG；加注趸船；技术论证

0 引言

随着内河LNG动力货船的营运推广，水上LNG加注站点缺乏的问题日益突出。 LNG-燃油合建加注趸船是同时具有燃油和LNG加注能力的水上加注站，采用沿岸系泊的趸船作为站基载体，为LNG动力船舶提供LNG和燃油双燃料补给。这种加注模式改变了以往LNG动力船大部分依靠岸上LNG罐车补给，以致加注损失大、连续加注能力不强的现状，克服了因以可拖带移动趸船为载体造成岸基站完全不可改变位置的缺点。随着LNG动力船舶营运数量的增加，各种LNG加注船的市场需求也会不断增加，因而急需开展相关配套船型的设计研究，本文以服务“京杭运河江苏段水运应用LNG综合示范区” LNG动力船舶中的200 m3LNG-柴油合建加注趸船设计方案(简称200 m3加注趸船)为例，通过对加注趸船的LNG系统、燃油系统、防火及灭火、危险区域控制、监控系统等提出设计要点和设备选型依据，为该类型船舶的设计提供参考。

1 规范适用

LNG-燃油合建加注趸船以中国船级社(CCS)《液化天然气燃料水上加注趸船入级与建造规范》和中国海事局(CMSA)《液化天然气燃料内河加注趸船法定检验暂时规定》为主要规范、法规依据。需要指出的是，中国船级社2016年6月完成了《液化天然气燃料加注趸船规范》(初稿)，即将替代2014版《液化天然气燃料水上加注趸船入级与建造规范》。考虑到船舶的建造需要一定的周期，因此在进行200 m3加注趸船的设计研究过程中主要参考《液化天然气燃料加注趸船规范》(2016)。

CCS规范按LNG储罐总容积和油舱总容积将LNG-燃油合建加注趸船分为I、II、III 3个等级。200 m3加注趸船采用200 m3LNG(单罐100 m3)和115 m3柴油的储备量，属于I级加注趸船，能较好地兼顾京杭运河LNG动力船的加注需求及加注趸船建造经济性。

2 船舶布置与防火布置

《液化天然气燃料加注趸船规范》(2016)明确允许油舱可以布置在LNG货舱区下方，加注趸船的结构与布置的防火主要通过耐热与结构分隔、防火距离等实现。本船配备的LNG储罐布置在开敞甲板上，外壳采用耐低温不锈钢材料制造，且管路接头处设有冷箱(液货舱接头处所)，因此不设拦蓄区。上述规范对防火布置的要求是：生活区与气体管路上软管接头处、管路法兰等可能产生泄漏地方的水平最小距离应不小于10 m，且当甲板室面向LNG货舱区的限界面有水雾系统保护时，甲板室与LNG货舱区的水平最小防火间距可降至10 m。本船甲板室与LNG货舱区的间距设为10.7 m，生活区与LNG货舱区之间的空间已足够布置货油舱，因此不需要在LNG储罐区下方设置货油舱。

3 LNG系统

目前加注趸船LNG补给主要依靠岸上LNG罐车提供。LNG系统主要由卸车(液)系统、储存系统、加液系统、BOG(逃逸气体)利用系统及辅助系统(包括安全放散系统、仪表风系统、NG(天然气)吹扫系统、氮气置换系统、储罐增压系统、BOG增压系统等)组成，其系统组成简图如图1所示。

图1 加注趸船LNG系统组成简图

3.1 LNG储存系统

LNG储存系统主要由低温LNG储罐及其相关低温阀门、仪表等附件构成。油气合建加注趸船比较适合使用C型卧式罐，沿船长方向布置。单罐容积不宜过大，以100、175、200 m3单罐容积多罐组合的方式达到总容积500 m3以内的储存量。投资允许的前提下应首选高真空缠绕式气罐，比真空填充式气罐更安全可靠。200 m3加注趸船采用单罐100 m3规格的2只C型不锈钢高真空缠绕卧式储罐构成LNG储存系统。

3.2 LNG卸车(液)系统

卸车系统主要由卸车橇、船岸连接设备、连接管路和控制系统组成，主要作用是对加注趸船上的LNG储罐补充LNG。目前内河LNG加注趸船主要依靠岸上LNG罐车补充，但也要预先考虑到今后采用LNG加注船进行补液的发展趋势，因此200 m3加注趸船预留了从水上补充LNG的连接设施。

卸车橇是否使用低温卸车泵主要考虑卸车橇与加注趸船的距离。距离较长时必须使用卸车泵，即使距离较近的情况下，使用卸车泵也可加快卸液速度，减少LNG吸热汽化，对安全性和经济性都有益处。卸车橇与加注趸船之间的接管应考虑使用真空绝热硬管连接，仅在船岸连接处使用绝热软管，以适应水位变化及船舶的位移。由于软管的绝热性一般比硬管差，因此在满足补偿位移的前提下不易过长。

3.3 LNG加注系统

加注系统主要由加注橇、连接管路、加液软管和控制系统组成，主要作用是完成LNG的加注、计量等。加注橇采用集成的方式设计，将泵及泵池、流量计、管路、阀门、储罐增压器、BOG储气罐、安全放散管路、仪表风管路和电器控制元件等集成在冷箱内。冷箱由耐低温材料制成，缩小了危险区，并且无需再设LNG拦蓄区。加气臂功能复杂，占地大，成本高，但加注速度快，安全性高，适应性强，更适合大流量加注；加气软管吊投资少，设备简单，适合内河小流量加注，因而200 m3加注趸船采用软管吊方案。200 m3加注趸船LNG储存、卸车和加注系统示意图如图2所示。

①LNG燃料罐 ②冷箱 ③BOG缓冲罐 ④预留运输船液相管 ⑤预留运输船气相管 ⑥加气控制柜 ⑦LNG加注远程操作控

3.4 BOG利用系统

BOG(逃逸气体)利用系统主要由BOG缓冲罐、汽化器、燃气调压器及管道、气体发电机等装置组成，其主要作用是将LNG储罐内BOG气体用于发电，降低储罐压力及避免BOG排放。200 m3加注趸船采用岸电供电，应急电源采用蓄电池组，气体燃料发电机组设于本质安全型机舱内，其定位为非船舶主电源，仅仅是利用BOG气体实现节能减排效果。

3.5 LNG吹扫系统

LNG吹扫系统主要由BOG储气罐、阀门和管路组成，用于每次加注完成后对加液管路进行吹扫除液。吹扫系统一般使用N2(氮气)作为吹扫气体，气源使用N2瓶组或N2发生器，每次吹扫用气量可根据吹扫系统的容积进行估算。一般情况下，200 m3LNG加注趸船N2装置发生量约取为15～20 Nm3/h，500 m3LNG加注趸船N2装置发生量约取为30 Nm3/h。若使用N2瓶组作为气源，气瓶储存量可参照上述要求估算。由于气瓶组要整体更换，在频繁加注时可能会出现气瓶供应不及时而影响加注作业问题，因此N2装置的造价在发生量为15～20 Nm3/h 接近情况下，200 m3加注趸船N2装置取为20 Nm3/h，更利于加注趸船满负荷工作。

4 燃油系统

4.1 加油系统

水上加油站加油系统常见有3种形式，即人工控制方式、微机控制方式和税控加油方式。

4.1.1 人工控制加油系统

由人工控制油泵的启停作业，流量计一般使用精度较低的机械式流量计，通过流量计测算累计流量，再经计算得出当次加油量。这种加油方式现已很少使用，偶见于船龄较老的水上加油站，计量精度已难以符合国家关于售油企业度量精度控制的要求。如果是企业内部自备加油船，加油计量仅作为参考，则这种加油方式可以作为低成本方案使用。

4.1.2 微机发油控制器控制加油系统

系统核心是微机发油控制器，主要由操作编码器、主机单元、显示单元3部分构成。与人工方式相比，采用IC卡和联网管理，极大简化了发油操作，提高了发油效率和精度。实现计算机管理，可随时查询各种业务数据，计量精度满足国标要求。

4.1.3 成套税控微机加油机系统

成套税控微机加油机系统这种方式最先在陆上加油站广泛推广使用，技术上成熟可靠，核心之一是运用大流量加油枪与油泵联动微机控制的方式，可以和石油公司的陆上加油站联网使用，数据共享；核心之二是采用正压输油技术，输油泵采用潜油泵，无气阻现象，非常适用于高辛烷值和添加剂油料环境。泵马达整体浸没在油品里，工作环境纯净，温度稳定，故障率低，对输油管的长度和铺设方式限制少，有利于灵活设计水上加油站的总体布局，是加注趸船最适合的加油方式。200 m3加注趸船采用正压输油技术及税控电脑加油系统，在系统的功能性、维护性、成本控制、联网协调性等方面都具有优势。

4.2 货油舱液位测量系统

4.2.1 常用测量方法与仪器

常用液位测量方法的特点和适用性见表1。

4.2.1.1 人工液位测量

采用浸入式刻度钢尺直接人工目视测量液位。

4.2.1.2 浮体式液位测量

浮体式液位仪是由1个空心不锈钢球体穿在1根不锈钢管上随液位上下浮动。钢管内部设有继电器，空心球体内则安装磁铁，空心球体的运动被继电器转换为相应的液位信号。

4.2.1.3 伺服式液位测量

伺服式液位测量方法是将漂在液面上的浮子一端挂在仪表本体上，伺服步进电机驱动体积较小的浮子，根据步进电机的计数计算出液位。

4.2.1.4 雷达式液位测量

利用雷达电子脉冲测量基准点和液面之间的距离来测算液位。通过发射的电磁波脉冲遇到被测介质表面时发生反射，回波信号与发射信号的频率差正比于发射点至液体间的距离，换算出液位高度。

4.2.1.5 超声波液位测量

发射出的超声波在被测量液面产生反射后被接收，通过测量超声波从发射端到接收端的时间差，结合超声波在介质中的传播速度来测算液位。

4.2.1.6 差压式液位测量

差压式液位仪是通过液体底部压强使半导体扩散硅薄膜产生形变而引起电桥不平衡，电路输出电压与液位高度相对应的原理测量液位。

4.2.1.7 磁致伸缩式液位测量

利用磁致伸缩技术原理，通过内部安装的磁铁浮子产生固定磁场。测量时，通过发出“询问”电流脉冲磁场沿波导管传导，电流磁场与浮子磁场相遇产生“波导扭曲”脉冲，“询问”脉冲与“波导扭曲”脉冲的时间差对应相应的液位。磁致伸缩式液位测量系统原理如图3所示。

表1 几种常见液位测量方法对照表

图3 磁致伸缩式液位测量系统原理图

4.2.1.8 电容式液位测量

利用电容式传感器极板之间充满被测液体，液体液位高度发生变化导致电容传感器的电容值发生相应改变，电容值的变化对应液位高度。

4.2.1.9 激光式液位测量

测量原理与超声波液位测量相似，由传感器发射激光照射液面，通过测算发射至接收光的时间差折算液位。

4.2.1.10 光纤式液位测量

光纤液位测量方法采用光纤作为传感器，根据光在不同介质中传输特性的改变，通过换算，实现对液位进行测量。

4.2.2 加注趸船货油舱测量系统

加注趸船的货油舱甲板上设有转动式油舱盖，盖上的固定气密观察孔可以观测油舱液位。此外，油舱还设有测深自闭阀，通过油尺测量油位，紧急情况下松开重锤，测量口会自动关闭。人工测量油位的方式目前虽然仍旧被广泛采用，但是劳动强度较高，且存在安全性问题，可以作为加注趸船货油舱液位测量的补充手段，起到简单校验其他类型液位计的作用。磁致伸缩液式液位测量方式测量精度高，安装成本低，日常维护量小，寿命长，并且柴油的雾化和蒸气以及油料表面的泡沫等都不会对测量精度造成较大影响，可同时反映油水和油气界面位置，目前在燃油储存和销售行业得到广泛应用，非常适合作为加注趸船货油舱液位的主要测量形式。该类型测量仪表产品的自动化程度也非常高，适合水陆之间信息化联网的需要。

200m3加注趸船采用磁致伸缩式液位仪和测深自闭阀(人工)构成货油舱液位测量系统。磁致伸缩式液位仪是主要液位测量装置，其信号接入船上的计算机管理系统，并可远传至岸上管理中心。从已有加油船测量应用情况可以知道，磁致伸缩式液位仪(例如TLS50液位仪)和测深自闭阀(人工手工检尺)的测量数据偏差基本在±1 mm，最大偏差为3 mm。液位仪可以在实际使用中替代人工检测，实现数据测量的自动化。

5 灭火系统

加注趸船的固定式灭火系统中的水消防、泡沫灭火、水幕、水雾系统都需要压力水源。需要注意的是，水灭火系统要求消火栓处的表压不小于0.5 MPa，高于一般船舶消防对水压力要求。考虑管系沿程阻力损失和垂直压力损失后，消防泵的压力一般要求不低于0.7 MPa，完全可以兼顾泡沫泵，而水雾、水幕泵的压力一般要求在0.5～0.6 MPa，因此该泵一般也会用来兼作压载泵。表2列出了200 m3加注趸船的消防系统配备情况，图4表示了200 m3加注趸船的舱面水消防、水幕、水雾系统布置情况，图5为化学干粉系统布置情况。

6 危险区域控制

加注趸船的危险区域除了需要考虑LNG储罐区和加注区的危险区域划分要求外，对于200 m3加注趸船这样设有气体燃料发电机组的，还需考虑GVU箱和双壁管的透气管口直径3 m内也是1类危险区域。此外，必须结合油船的危险区域划分要求，使危险区域相互间协调，将危险区域尽量控制在最小范围内，且对被加注船舶及岸基的影响最小化。图6为机舱气体发电机GVU箱和双壁管通风系统示意图。将该系统的出风口布置于顶棚上，是考虑到顶棚上电气设备设置较少，危险气体也易于被风吹散，同时该出风口形成的4.5 m半径的球形危险区域(1类和2类)位于船体之外，为船体上各种非防爆空间和设备的布置带来极大的便利，也不会将船上的危险区域扩大至沿岸码头。

表2 200 m3加注趸船固定式消防系统概况表

7 安保控制系统

安保控制系统包括监测和控制两方面的功能，担负LNG储罐、低温泵、站内工艺阀门监控和管理。监控系统完成卸车、储存、调压、加气等各种工艺过程的采集、控制、显示、报警等监控功能，需要具有参数查询、历史记录查询及报表打印等管理功能，同时要完成对加注趸船的安全状态进行监测，通过泄漏报警探测装置等及时监测、发现泄漏隐患，并发出警报、关闭紧急切断阀。控制系统由温度变送器、压力变送器、液位计、电磁阀、PLC控制器、工控机等设备组成，船上的火灾报警系统也纳入控制系统中。200 m3加注趸船设有气体燃料发动机组，因此控制系统还含有对发电机及机舱的安保控制功能。