內河小型LNG加注船貨物系統設計研究與應用

李岳洋，劉波濤，王 飛

(江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

隨著內河船舶油改氣項目的蓬勃發展和積極推廣，采用LNG作為船舶動力燃料，對于構建現代綜合運輸體系，調整優化沿河地區產業布局，促進節能減排和區域經濟協調發展，實現內河水運綠色發展具有十分重要的意義。近年來，國內開展船舶油改氣項目很多，然而內河沿江流域建立岸上加氣站手續繁瑣，尤其消防評估及防洪評價缺乏統一的標準、規范，相關法規還不完善、健全，導致動力系統整體更新后的很多LNG雙燃料船舶及LNG單燃料動力船舶無法得到及時加氣。

本文結合一艘小型LNG加注船的設計開發，對圍繞液態天然氣的儲存、布置、加注系統、貨物壓力/溫度控制以及貨物區域環境控制等進行較為全面的分析研究，并初步制定實船的可行性設計方案。

1 總體方案設計

1.1 主尺度的初步確定

根據本船的實際停泊區域、作業功能要求情況以及船東要求等綜合因素，經過多種方案設計優化對比，最終確定本船的主尺度如下：

船長

33.0 m

船寬

6.2 m

型深

3.0 m

吃水

2.0 m

肋距

0.5 m

雙燃料主機型號

WHM617C245-1DF

主機功率

180 kW

額定轉速

1 000 r/min

航速

12 km/h

LNG儲氣罐容積

100 m3

船員

4人

航區

A級航區

1.2 總體布置

某小型LNG加注船的總體布置如圖1所示。

本船為全電焊鋼質結構。其機艙區域為單底雙舷結構，貨艙區域為雙底單舷側結構。艏艉尖艙為單底單舷結構；除貨艙區域采用縱骨架式外，其余結構采用橫骨架式。

本船主甲板以下從艉部至艏部依次設有艉尖艙、壓載艙、燃油艙、機艙、隔離艙、液貨艙、隔離艙、壓載艙、艏尖艙。

主甲板設有廚房、衛生間、客廳、船員室、防護用品室、干粉和氮氣室及貨物控制室。

船員頂篷甲板設有充放電室、蓄電池室，船員室及駕駛室。

設置干粉室主要用于撲滅貨物區域甲板上的火災(包括甲板上的貨物液體)。當發生火災時，立即啟動干粉滅火系統。干粉滅火系統能夠產生高速的氣粉流，從干粉炮或干粉槍的噴嘴中噴出，迅速射向LNG火源，起到迅速撲火或抑制火災的作用。設置氮氣室主要用于LNG儲罐本身管路、LNG加注管路及氣體發電機組燃料供氣管路的惰化、吹掃，以避免儲氣罐和LNG燃料管路中出現爆炸危險環境。

貨物控制室主要是用于對船舶加注管系、補給管系、加注設備及LNG儲氣罐控制、監測和安全系統等集中控制。

1.3 貨物圍護系統的確定

加注船貨物圍護系統指用于LNG儲存的裝置(LNG獨立液貨艙)，包括所設的主屏蔽和次屏蔽及附屬的絕熱層和屏蔽間處所，還包括必要時用于支持這些構件的鄰接結構。本船的貨物圍護系統設計為真空絕熱C型獨立液貨艙[1](C型LNG低溫儲罐)，容積為100 m3儲氣罐，設計壓力為1.0 MPa，承受低溫-163 ℃。內、外容器采用鋁合金、不銹鋼材料或者9%Ni鎳鋼[2]，無需設計次屏蔽。這種設計目前是可以考慮不用布置貨物圍堰系統，以簡化船體部分建造設計難度，同時降低建造成本。

圖1 某小型LNG加注船總布置圖

如果采用貨物圍堰系統，需在貨艙內底板上方加不銹鋼材料的承滴盤(又稱次屏蔽)，承滴盤的容量能滿足100 m3LNG儲氣罐全部泄露時的最大承載量，并且考慮隔熱措施以防止船體結構隨溫度的下降而變形。目前,還有采用比較普遍的水泥混凝澆注圍堰等。

C型LNG低溫儲罐安裝于貨艙區域大開口下的內底板上。為方便集中管理與控制，儲罐后方布置有貨控室。小型LNG加注船舶的加注設備一般設置在艏部或者中部。本船布置的特點是，儲罐前方留有足夠的空間，便于布置加注設備，同時也可以根據客戶要求設計不同貨物圍護系統形式，采用上出液內置LNG低溫泵。船員住艙與貨控室、液貨艙之間空出兩檔肋位，使貨艙區域與居住區域有足夠的安全距離。

2 加注系統設計

船用LNG 加注系統的作用是為LNG 燃料動力船進行燃料加注。其工作原理是：LNG 液體由真空儲罐通過儲罐內的潛液泵，打入低溫管道，充裝入加注船的LNG 儲存裝置；儀表風系統為自動控制閥門提供動力來源；在此過程中，PLC 控制系統采用各控制點遠傳的信號，進行計算、分析、控制、處理。

2.1 加注系統設計

本系統設1只100 m3真空絕熱LNG儲氣罐，布置在貨艙區域；設2臺TC-34型低溫潛液泵，布置在儲氣罐內，每臺流量40 m3/h，揚程220 m。2臺泵可同時使用，也可互為備用。

系統在主甲板左右舷分別設置加液口和回氣口，可以實現對LNG燃料動力船舶的加注和LNG岸基站的加注。距離主甲板約3 000 mm的左右舷加注平臺上分別設有補液口和回氣口，可以實現LNG岸基站和LNG槽車對本船的補給功能。對外加注采用吊機+軟管吊的方式進行作業。軟管在非工作狀態擱置在主甲板格柵平臺的擱架上，防止軟管的非正常滑動或破損。

加注系統中的緊急切斷閥由船上的壓縮空氣系統提供氣源。

加注系統管路中設2臺低溫質量流量計：1臺CMF300和1臺CMF100，分別用于計量液相和氣相流量，差值為對受注船燃料罐的加注量。

2.2 加注系統工藝流程

(1)卸車流程：LNG 槽車/LNG加注躉船→管道→LNG 儲罐。

LNG槽車將LNG 運至靠近加注船的岸邊，管道與卸車口連接，通過卸車口、管道、閥門等將LNG 注到加注船的LNG 低溫儲罐中。也可以采用LNG加注躉船將LNG 運至靠近加注船的管道與液相口連接，通過液相口、管道、閥門等將LNG 注到加注船的LNG 低溫儲罐中。

(2)加液流程：LNG儲罐→LNG潛液泵→計量裝置→加液軟管→LNG燃料動力船。

給LNG燃料動力船加注時，先將專用的LNG加液軟管與LNG燃料船上氣液相接口相連接，經過儲罐內的LNG潛液泵將LNG輸送到計量裝置，液體經過計量后通過加液軟管加注到LNG燃料船儲罐，在計量裝置處顯示質量(或標方數)和價格。

2.3 貨物壓力/溫度控制

貨控室布置在鄰近液貨艙、儲罐處，將儲罐應設有的壓力、溫度、液位等傳感器遙測傳感器集中布置在貨控室。同時貨物加注系統管路上的電氣動控制閥、低溫泵的遙控等也與上述傳感器集中布置在控制位置[1]。在選擇溫度、壓力傳感器時需要注意到以下幾點：

(1)必須是本安型的或者防爆型的，防爆等級不小于IIA T2。

(2)正常使用的測量范圍在靜壓下不超過測量上限的3/4，不低于測量上限的1/4。

(3)傳感器材質采用不銹鋼，適用于露天安裝的防護等級IP67，響應時間快，不大于0.2 s，精度較高的產品。

3 貨物區域的環境控制

貨物區域的環境控制包括貨艙區氣體危險區的可燃氣體探測和通風驅氣，以及貨物系統及管路的驅氣/惰化。

3.1 貨物系統惰化

由于LNG儲罐首次使用前必須對容器進行氮氣置換，以及管線需要進行驅氣等，所以需布置一定量的氮氣瓶。本船在干粉氮氣室總體規劃時，已預留有相應空間。氮氣瓶容量計算與置換前驅氣壓力為3～5 kPa，儲罐總容積為100 m3，計算后需2～4瓶40 L氮氣瓶(充裝壓力15 MPa)。

3.2 可燃氣體探測

對于液貨艙、貨控室(氣體危險區)、隔離艙(機艙與液貨艙之間)以及LNG加注區域這些處所，因可能積聚泄漏的蒸發氣體，所以應設置固定安裝的氣體探測系統和聲光報警器。

3.3 貨艙區通風與驅氣

3.3.1通風設計要求

上述貨艙區域封閉處所，通風系統設計要點[5]如下：

(1)氣體危險區應采用負壓通風。

(2)通風系統的換氣次數應不小于30次/h。

(3)風機應采用無火花型防爆風機，如船用防爆軸流風機標準GB/T 11800—2008中的I型和V型風機。

(4)注意進、排風口的布置。

項目中，采用自然進風、機械式負壓通風系統相合的方案，既滿足了法規要求，又節約了建造成本。

3.3.2貨艙通風

貨艙艙口圍板與儲罐間設計為風雨密結構。把貨艙當作通常不進入的處所，通風系統采用自然對流通風。在主甲板兩舷對稱布置鵝頸式自然通風筒。為進入該處所安全需要，船上需配備2臺認可型防爆風機和便攜式可燃氣體探測器。當有人員進入時，要求在進入前需檢測甲烷氣體濃度，并進行有效驅氣通風。

4 結語

由于目前還沒有完備的LNG加注船法規，本文結合現有的相關規范對內河小型LNG加注船貨物系統的設計布置進行了初探，認為在該類型船舶的設計上，只要設計選型得當，是可以取得很好的安全性、經濟性和可操作性的。相信隨著內河LNG燃料動力船舶的大力發展，內河小型LNG加注船將具有更大的市場前景，并帶動其相關技術與標準的建立與健全。

參考文獻：

[1] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范[S].北京：人民交通出版社，2017.

[2] 時光志，盛蘇建.中小型LNG運輸船設計關鍵技術[J].中國造船，2011，52(2)：40-47.

[3] 中國船級社.液化天然氣燃料加注躉船規范[S].北京：人民交通出版社，2017.

[4] 中國船級社.液化天然氣燃料加注船舶規范[S].北京：人民交通出版社，2017.

[5] 中國船級社.天然氣燃料動力船舶規范[S].北京：人民交通出版社，2017.