LNG船對船加注系統設計

張 波，周 毅，李 萌，梁 斌，劉辰童

(中海油能源發展采油服務公司 天津 300452)

LNG 作為一種清潔能源，在安全性、經濟性和環保性等方面具有明顯優勢，已成為世界公認的未來船舶能源的首選[1]。隨著LNG 燃料船數量的增加，對LNG 燃料加注船的需求也在不斷增加。趙亞彬等[2]研究了內河LNG 動力船加注方案；詹熳寧等[3]確定了船對船LNG 加注系統中LNG 液貨罐選型、液貨泵選型、液貨裝卸管系及連接裝置選型，完成了7000 m3LNG 加注船加注系統設計；陳海等[4]研究了大型雙燃料集裝箱船LNG 船對船加注關鍵技術及安全管理；蒯晶晶等[5]設計了雙燃料大型集裝箱船LNG 加注系統，實現了大型雙燃料船LNG 燃料加注。劉元庫[6]設計了一種LNG 加注系統，并對LNG管道絕熱技術、絕熱結構進行了研究。

由于海上風浪大，針對加注船與受注船之間相對晃動程度大，易給加注作業帶來安全隱患，本文設計了一種LNG 船對船加注系統，通過軟管吊吊送+軟管連接方式實現LNG 加注終端及LNG 受注終端間的柔性連接，并通過拉斷閥+干式快接設計配置滿足海上浮式安全、高效加注的要求。

1 加注系統方案設計

現階段全球用于浮式加注的方式主要分為加注臂對接、軟管對接、吊架及軟管對接和軟管托架對接4 類，鑒于浮式加注主要應用于海上作業且易受環境影響，使用軟管加注可有效降低海上加注過程中船舶晃動帶來的作業安全隱患，且考慮到海上加注操作的便捷性，本文設計的LNG 加注系統由軟管吊、加注系統管路總成、軟管總成、遠程管控系統等組成，其中軟管吊、加注系統管路總成由本地控制系統操控，同時將運動、位置、壓力、溫度、流量等工作狀態信息傳輸至控制室進行遠程管控。軟管吊和加注系統管路總成位置和尺寸參數根據具體船型調整，軟管總成通過法蘭和加注系統管路總成輸出端液/氣相法蘭連接，軟管總成由LNG 專用軟管、安全拉斷閥、快速接頭等組成。加注系統總體方案如圖1 所示。

圖1 加注系統總體方案Fig.1 Overall scheme of bunkering system

1.1 軟管吊設計

軟管吊由立柱、液壓站、旋轉座、操作臺、變幅油缸、液壓絞車、鋼絲繩、一節臂、二節臂、三節臂、吊鉤、初始位置支撐柱等組成。軟管吊采用二級伸縮形式，以節省安裝空間，同時滿足工作位置要求，如圖2所示，其技術參數如表1 所示。

圖2 軟管吊Fig.2 Hose crane

表1 軟管吊技術參數表Tab.1 Technical parameters of hose crane

1.2 加注系統管路總成設計

加注系統管路總成由撬裝框架、加注系統和電氣系統組成，加注系統管線集成安裝在撬裝框架上。加注系統管路總成如圖3 所示，其主要技術參數如表2所示。

圖3 加注系統管路總成Fig.3 Piping assembly of bunkering system

表2 加注系統管路總成技術參數表Tab.2 Technical parameters of piping assembly of bunkering system

1.3 軟管總成設計

軟管總成由復合軟管、軟管吊掛、拉斷閥、快速接頭等組成。采用繩索式拉斷閥提前設定安全工作范圍，當兩船間距離大于安全工作范圍時將觸發拉斷閥，以實現兩船間安全可靠分離。軟管總成一端通過法蘭與管路總成連接，另一端通過快速接頭與受注船連接。軟管總成如圖4 所示，技術參數如表3 所示。

圖4 軟管總成Fig.4 Hose assembly

表3 軟管總成技術參數表Tab.3 Technical parameters of hose assembly

2 加注系統工藝流程和加注作業步驟

2.1 LNG 船對船加注流程

①加注方管線預冷，預冷溫度至-110 ℃，降低管線及LNG 潛液泵所受的低溫應力沖擊。

②連接加注管線。

③加注軟管及管線氮氣吹掃，吹掃管線中的空氣、水分等雜質，保證加注環境的清潔與安全。

④加注軟管及管線NG 置換，進行氣體置換，保證加注純凈。

⑤開啟加注，進行小流量加注，受注罐頂部預冷噴淋，充分降溫穩壓。

⑥進行正常大流量加注，調節低溫泵變頻參數，進行全流速作業。

⑦NG 吹掃管線內殘余LNG。

⑧氮氣惰化管線。

⑨移除加注管線。

根據加注工藝流程完成系統工藝圖設計，如圖5所示。

圖5 加注系統工藝流程圖Fig.5 Process flow chart of bunkering system

2.2 加注作業步驟

初始狀態下加注系統中潛液泵及各開關閥狀態如表4 所示，開關閥變化詳見圖6。

圖6 加注系統工藝圖Fig.6 Process diagram of bunkering system

表4 系統初始狀態開關閥狀態一覽表Tab.4 Statistics of on-off valve status in initial state of system

①加注方管線預冷：打開氣動閥13 和氣動閥14，對加注方管路進行預冷，降低管線及LNG 潛液泵所受的低溫應力沖擊。

②加注軟管及管線氮氣吹掃：加注船與受注船通過軟管連接后打開截止閥10、調節閥5、截止閥4、截止閥6、截止閥21、截止閥22，開始加注軟管及管線氮氣吹掃，吹掃管線中的空氣、水分等雜質，保證加注環境的清潔與安全。

③加注軟管及管線NG 置換：關閉截止閥10，打開截止閥11，進行管路NG 置換，保證加注純凈。

④開啟小流量加注，受注罐預冷噴淋：關閉截止閥11、截止閥4、截止閥6、截止閥21、截止閥22、氣動閥14，打開截止閥17、氣動調節閥1、氣動關斷閥2、截止閥3、截止閥24、截止閥19、截止閥23、截止閥7、氣動關斷閥8、截止閥18，啟動潛液泵，進行小流量加注，受注罐頂部預冷噴淋，使整個加注管路系統充分降溫穩壓。

⑤全流速作業：增大氣動調節閥1 開度，打開截止閥20，開始全流速加注作業。

⑥NG 吹掃管線內殘余LNG：關閉潛液泵，關閉氣動閥13、氣動閥14、截止閥3、截止閥20，打開截止閥4、截止閥11，進行管線內殘余LNG 的NG吹掃。

⑦氮氣惰化管線：關閉截止閥7、截止閥23、截止閥24、截止閥18、截止閥11，打開截止閥6、截止閥21、截止閥22、截止閥10，進行管線氮氣惰化，惰化后移除管線，完成加注。

3 試驗測試

根據船對船加注系統設計方案和工藝流程建造了加注系統樣機，包括軟管吊、加注系統管路總成和軟管總成，加注系統樣機如圖7 所示。

圖7 加注系統樣機Fig.7 Prototype of bunkering system

對加注系統進行試驗測試，使用2 套試驗平臺分別模擬加注船與受注船，并將加注系統樣機和受注船接口分別安置于2 個平臺上。在加注系統試驗中先進行加注對接測試，利用試驗平臺模擬海上加注過程中兩船受海浪、海風等因素導致的相對位置變化，通過人機交互系統觀測智能軟管吊作業中回轉速度、回轉角度、上下位移和超限等數據，以及避撞預警信息，并通過最終對接的完成情況整體判斷加注系統對接性能；再對加注過程安全監測和緊急拉斷進行測試，通過監控系統觀測加注管路內部溫度、壓力和流速數據及船間距實時檢測信息，并模擬緊急情況檢測緊急拉斷功能，最終完成對海上浮式加注系統的精確性、穩定性和安全性測試。

試驗結果表明該加注系統滿足船對船LNG 加注要求，主要測試和設計指標對比如表5 所示。

表5 主要測試和設計指標對比表Tab.5 Comparison of main test and design indexes

4 總 結

本文設計了一種LNG 船對船加注系統，以浮式安全快速加注、耐低溫高壓加注為技術優勢，適用海上、內河等LNG 燃料加注需求，可安全、高效地完成惡劣海況的加注服務，對促進國內LNG 加注裝備集群發展和促進我國海洋裝備產業向高端邁進具有重要意義，市場應用空間廣闊。■