LNG動力船舶燃料艙預冷加注關鍵工藝技術

邱春東，楊春暉，張 劍2,，李永正，包國治，濮春榮

(1.華潤(南京)市政設計有限公司，江蘇 南京 211111；2.華潤燃氣(上海)有限公司，上海 201900；3.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

全球低碳和節(jié)能減排的趨勢使各國航運業(yè)均在尋找新的替代能源。作為清潔低碳能源，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)顯然可滿足國際公約和國家標準的要求，在能源替代方面贏得先機，LNG將在燃料動力應用發(fā)展方面迎來新的機遇[1]。

國際海事組織明確要求，自2020年1月1日起，在全球船舶所消耗燃油中硫的質量分數(shù)應降至0.5%[2]。船舶若此后繼續(xù)在污染控制區(qū)航行，為滿足嚴苛的排放標準，則必須在使用LNG、安裝洗滌器和使用低硫燃油中作出抉擇。低硫燃油供應量有限，而船舶需求的增大必然導致低硫燃油價格的上漲。洗滌器的安裝需要在船舶上進行重大改造，無疑會大幅提高船舶的運營成本；同時，洗滌器的廣泛使用受到持續(xù)監(jiān)控減排和碼頭污染處理設施等因素的限制[3]。相比之下，LNG具有良好的生態(tài)效益和經濟效益，因此，使用LNG是擺脫對船用傳統(tǒng)燃油依賴的較為有效的措施[4]。

由于LNG的超低溫特性，大量低溫液體在進入常溫儲罐時，會出現(xiàn)急劇且不均勻的降溫現(xiàn)象，使罐體內的應力集中，且罐內壓力急劇升高，危險性較大，因此LNG燃料艙及其附屬管路在正式注入低溫液體前，應進行充分冷卻，即需要一個預冷過程[5]。該過程是LNG動力船舶在投運前不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是檢驗船舶燃料艙在設計和建造過程中有無缺陷及各項指標能否達到設計要求的重要步驟，是LNG動力船舶燃料艙在加注后試航檢驗的重要環(huán)節(jié)。LNG燃料艙預冷過程包含氣液兩相共存的復雜熱交換過程，預冷介質的特性、加注量、加注速度和加注流程對預冷效果、預冷時間和預冷成本均具有較大的影響，如何控制預冷介質的加注量和加注速度是關鍵技術[6]。李欣欣等[7]結合LNG加注系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境特點，提出多輛LNG槽車匯流加注的總體設計方案；劉騰龍等[8]研究槽車對船用LNG燃料罐的惰化、預冷和加注，提出加注方案；徐建勇等[9]識別LNG加注船及加注作業(yè)的危險源，提出事前預防與事后防護措施，并給出加注船與受注船兼容性方面的考慮。在此基礎上，所進行的研究更加側重針對某一具體船舶進行論述，將工藝流程中的參數(shù)細化至加注溫度、流速、壓力和時間等，可為相關作業(yè)提供實際性指導。

1 熱傳導原理

1.1 傅里葉定律

熱傳導是在介質內無宏觀運動時的傳熱現(xiàn)象，主要存在于固體之間及靜止氣體或液體中，在流體中與熱對流同時發(fā)生。

在傳熱過程中，在單位時間內通過給定截面的熱量，其大小與截面面積和截面方向上的溫度梯度成正比，且熱流方向與溫升方向相反[10]。

適用于均勻且各向同性固體的傳熱問題，其數(shù)學表達式為

q=-λgradT

(1)

式中：q為熱流密度，W/m2；λ為傳熱材料的導熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，℃。

在溫度梯度確定的情況下，熱流密度隨著材料導熱系數(shù)的加大而增加。導熱系數(shù)主要受材料物態(tài)和材料類型的影響[11]。與液體相比，固體金屬的導熱系數(shù)較大，而氣體的導熱系數(shù)最小。由式(1)可推出式(2)，即通過試驗獲得導熱系數(shù)的理論基礎：

(2)

1.2 牛頓冷卻公式

對流換熱是一種重要的傳熱方式，其發(fā)生是由于流體不同部分的相對位移引起的宏觀流動，熱傳遞過程由具有溫度梯度的流體融合引起。牛頓冷卻公式是對流換熱的計算公式，若2種流體的接觸表面積為A，則通過接觸表面的換熱量Q的數(shù)學表達式為

Q=hAΔt

(3)

式中：Δt為固體表面與流體的溫差；h為比例系數(shù)，稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

2 LNG動力船舶基本參數(shù)

2.1 LNG動力船舶主要尺寸

選取的某型LNG動力船舶是目前世界上最大的采用LNG雙燃料推進的集裝箱船，主要尺寸如表1所示。

表1 主要尺寸

2.2 燃料艙參數(shù)及加注要求

該型船的LNG動力燃料艙采用法國GTT公司的薄膜艙，艙內容積為18 600 m3，設計溫度為-163 ℃，最大允許工作壓力為0.07 MPa。加注站位于艏島下部、LNG燃料艙上部兩舷，距基線約24.0 m。加注管接口管直徑為200 mm，接口高度約24.0 m，最大加注流速為10 m/s，最大加注流量為1 100 m3/h，LNG裝載效率為1 000 m3/h，LNG卸載效率為64 m3/h。

根據LNG燃料艙預冷加注的技術要求[12]，一般燃料艙加注可分為初始冷卻、艙室冷卻和裝載等3個階段，如圖1所示，每個過程均存在氣液兩相的熱換過程，對預冷介質加注量和加注速度的控制標準較高。在初始冷卻和艙室冷卻過程中，應根據內置傳感器實時獲得艙內的冷卻溫度和冷卻狀態(tài)，以便控制預冷介質的加注量和加注速度。

圖1 燃料艙加注的3個階段

3 預冷加注技術要求

3.1 預冷加注階段劃分

該型船LNG燃料艙的預冷加注步驟可分為如下5個階段：

(1)第一階段：在預冷前用氮氣吹掃，將所有連接軟管內的水分吹干，將氣體的露點溫度控制在-40 ℃，艙內氧的體積分數(shù)<2%。

(2)第二階段：在艙內進行氣體預冷，通過控制艙內壓力和氮氣流量，確保燃料艙放空閥口處測試氣體溫度至-10 ℃以下，中控和現(xiàn)場觀察罐底部溫度在-10 ℃以下則氣體預冷結束。

(3)第三階段：在艙內進行氣體預冷，控制氮氣流量及艙內壓力，艙內溫度控制在每小時下降5 ℃，并根據溫度變化速率控制低溫氮氣流量，直至艙內溫度下降至-130 ℃，對船舶其他設備和管道進行吹掃預冷及放空。

(4)第四階段：艙內預冷至-130 ℃，利用艙內氮氣對船舶燃氣系統(tǒng)進行預冷測試。

(5)第五階段：主要進行艙內的低溫氮氣吹掃和管道與設備的氣體置換。甲烷氣體由艙頂進液管進入艙內置換氮氣，并由艙底放空管排空。采用甲烷測試儀在燃料艙放空口處測試甲烷的體積分數(shù)，在甲烷的體積分數(shù)>99%時，燃料艙置換完畢。由進液管灌入液態(tài)LNG，進液結束置換船上其他管道和設備，整船進入試運行狀態(tài)。

5個階段操作分3步進行：第一至第四階段氮氣吹掃預冷為5 d，第五階段加注LNG為2 d；在LNG加注后進行船舶系統(tǒng)調試，其間應保證艙內7 d均存有LNG，以便觀察燃料艙狀態(tài)[13]。

3.2 預冷原則及工藝流程

3.2.1 預冷原則

在LNG燃料艙預冷時，為防止出現(xiàn)由于溫度驟降而出現(xiàn)管件和設備損傷的問題，管道系統(tǒng)和艙內的溫度應避免急冷[14]。在進液過程中需要實時監(jiān)測艙內壓力，在出現(xiàn)艙內壓力過高時，立即關閉進液閥。由于艙內預冷與整體管線預冷同時進行，因此需要對系統(tǒng)中的各管線進行充分預冷。艙內及管道預冷完成，在LNG到場前應對艙內及部分管路始終進行充氮保護[15]。

3.2.2 預冷工藝流程

預冷工藝流程如圖2所示。

圖2 預冷工藝流程

(1)將進液管道的金屬軟管正確連接至液氮槽車液相管。

(2)關閉進液管的所有手動放空閥和旁通閥，打開艙頂進液管線和進液管的閥門，便于槽車以自增壓方式升壓，將槽車頂部的低溫氮氣通過氣化撬向艙內緩慢充入，控制氮氣流量、溫度和燃料艙壓力。

(3)第二階段結束30 min，緩慢調大槽車液相閥，加大低溫氮氣供應量，調節(jié)氣化撬閥門，使氮氣溫度保持在-165 ℃。整個調節(jié)過程需要不斷排放氣體，確保內罐壓力不超過設計壓力。在艙內上下溫差>80 ℃時立即停止進氣，待溫差下降至80 ℃再進行預冷，并根據溫度變化速率控制低溫氮氣流量，直至艙內溫度下降至-130 ℃，再對船舶其他設備和管道進行吹掃預冷及放空。在艙內預冷過程中，可利用艙內的低溫氮氣對船舶燃氣系統(tǒng)中的管線及設備進行初步預冷(氣預冷)，通過預冷管道的放空管排空。

3.3 加注原則及工藝流程

3.3.1 加注原則

在正式加注過程中，需要實時監(jiān)控燃料艙內各關鍵因素，確保加注過程安全，其中艙內的最高壓力不得超過0.07 MPa，在該壓力下液氮的飽和溫度為-191 ℃，LNG的飽和溫度約-163 ℃，因此，只要艙底溫度不低于-163 ℃，則不會產生液氮與LNG的積聚。液氮飽和壓力與溫度對照如表2所示。

表2 液氮飽和壓力與溫度對照

根據燃料艙加注安全手冊，艙內預冷至-130 ℃即可進行正常的LNG加注，在加注前應對艙內進行氣體置換[16]。氣體置換流程如下：

(1)將卸車區(qū)進液管道的金屬軟管與LNG槽車的液相管正確相連。

(2)關閉進液管所有手動放空閥和旁通閥，打開進液管和艙頂進液管線的閥門，使槽車以自增壓方式升壓，將槽車頂部的低溫LNG向艙內緩慢充入，并控制低溫LNG流量，確保艙壓力控制在設計范圍內。

(3)通過燃料艙溢流口處和液位計氣液兩相處的甲烷測試儀測試各測點位置的甲烷體積分數(shù)。在甲烷體積分數(shù)>99%時，燃料艙置換完畢。

3.3.2 加注工藝流程

燃料艙完成置換開始LNG加注。在剛開始進液時，由于艙內溫度較高，初始進入的LNG吸收艙內溫度轉換為氣態(tài)，此時艙內的LNG存在氣液兩相的復雜狀態(tài)，在加注過程中需要實時關注艙內的加注狀況。

加注工藝流程如圖3所示。

圖3 加注工藝流程

(1)將槽車的液相閥緩慢打開至較小開度，關閉槽車的加壓液相閥，少量LNG應由燃料艙進液閥進入，該過程需要不斷地排出氣體，并控制內罐壓力不超過設計范圍。

(2)在加注過程中控制LNG流速，艙內溫度控制在每小時下降5 ℃，該型船的燃料艙可儲存700 t LNG，加注期間會產生大量蒸發(fā)氣體(Boiled Off Gas，BOG)，可利用BOG對船舶燃氣系統(tǒng)進行置換吹掃。

(3)在液位計顯示一定液位時，停止加注。

(4)為防止壓力升高，在進液過程中應密切觀察并記錄艙內壓力。若壓力持續(xù)升高，應及時關閉進液閥。

(5)1輛槽車卸完液體，再加注送液應按上述程序進行。

(6)上述過程結束，停止進液進行檢查，關閉所有打開的閥門，再進行下一步。

4 預冷加注注意事項

(1)在LNG加注前、中、后應密切觀察燃料艙和船體連接構件的變形情況，并做好書面記錄。檢查焊縫和外管材質有無裂紋等損壞，尤其是法蘭焊接部位。檢查管道的冷縮量及管托支撐的變化情況。觀察并記錄補償器和管道彎頭的變形量。檢查燃料艙外壁船體有無“出汗”和“結霜”現(xiàn)象。

(2)檢查低溫閥門的靈活性和密封性，是否被凍住。閥體螺栓是否松動，填料、閥桿及閥體法蘭是否泄漏。檢查法蘭連接部位有無泄漏情況，螺栓預緊力是否因冷縮而降低。在預冷過程中，若發(fā)現(xiàn)泄漏或設備與材料發(fā)生問題與故障，應及時關閉閥門，停止進氣，停止該段預冷，標記位置，及時報告并進行應急處理，處理合格方可再進行預冷。所有低溫閥門在操作時若出現(xiàn)關閉不嚴或打不開現(xiàn)象，可澆熱水解凍，嚴禁強力開關。

(3)在注入低溫氣體時，由于低溫氣體膨脹，燃料艙內的壓力會升高。密切注意升壓速度，控制預冷速度。在壓力過高時，打開放空閥以降低艙內壓力；在壓力不再升降時，可提高進氣速度。在操作時應注意閥門關閉順序，嚴禁長時間關閉低溫氣體。

(4)在預冷過程中發(fā)現(xiàn)燃料艙某種性能或技術參數(shù)發(fā)生突變，應及時通知現(xiàn)場總指揮，同時停止對燃料艙預冷。在得到船廠認可的前提下方可對燃料艙進行預冷。

(5)在燃料艙外部管路或閥門為冷態(tài)的情況下，操作人員必須戴棉布防護手套，以免低溫對人員的冷凍傷害。

5 結 語

以國內某型LNG雙燃料推進的大型集裝箱船為例，詳細論述LNG動力船舶燃料艙在加注過程中的關鍵工藝技術。充分考慮燃料艙內氣液兩相熱交換的復雜情況，結合LNG燃料艙加注安全要求，開展燃料艙預冷、置換、加注等過程的關鍵工藝流程研究。應用實踐證明，LNG燃料艙加注關鍵工藝技術對指導LNG燃料艙的加注具有重要的作用。