LNG燃料的水上加注技术.docx
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LNG燃料的水上加注技术
加注是LNG燃料水上供应链上的关键环节,也是推广使用LNG作为船用燃料须首先解决的问题。
LNG水上加注为新事物,仅能从欧洲十多年的应用中获取少量使用经验.总体来看,国际上的LNG水上加注设施研究和建设正处于起步阶段,国际标准化组织(ISO)的 TC67/WG10-LNG船用燃料加注工作组、IMO IGF工作组等都在同步进行LNG水上加注的研究工作。
在欧洲,欧盟委员会(EC)于2013年1月通过了 “清洁燃料战略(clean fuel strategy)”,提出“欧盟船用LNG综合框架行动方案”,计划至2014年底,欧盟委员会与欧盟海事局(EMSA)联合提出一整套关于LNG水上供应、加注和使用的综合性规范、标准和指南。
至2020年1月,所有跨欧交通网工程(TEN-T)的核心港口必须建成LNG加注设施,提供LNG加注服务。
我国自2010年开展将LNG作为船用燃料试点工程以来,中国海事局、国家能源局、中国船级社(CCS)等各方积极推动LNG水上加注规范和标准的制定,为未来LNG加注趸船、加注船、岸站等的设计和建造奠定了基础。
1.技术发展概况
目前,LNG燃料水上加注方式总体上可分为如下三类(如图1):
图1LNG燃料水上加注的三种方式
● 船-船加注(Ship-to-ship bunkering,简称STS),STS在码头、锚地、航行中均可进行,STS也包括加注趸船对船加注、海上浮式加注设施对船加注;
● 槽车-船加注(Tank truck-to-ship bunkering,简称TTS);
● 岸站-船加注(LNG intermediary terminal-to-ship via pipeline,简称TPS),TPS也可结合趸船使用,LNG储罐位于岸上,趸船的作用是适应水位高差。
在以上三种方案中,目前应用最广的是TTS。
北欧大部分LNG燃料船采用此种方式加注,槽车通过LNG小型中转站装车,将LNG燃料运往加注地点给LNG动力船实施加注,挪威已建成小型LNG中转站40余个,图2为挪威Arsvagen渡口的槽车加注作业。
我国LNG双燃料试点船加注也采用TTS形式。
TPS在挪威已有应用,图3为挪威Halhjem的岸上加注站,储罐容量为2×500m3,为控制风险,储罐和加注站之间留有一定安全距离,之间的LNG管线埋于地下。
图2挪威Arsvagen渡口的LNG槽车加注
图3挪威Halhjem的岸上加注站(容量1000m3)
图42013年在VikingLine投入运营的LNG加注船
图5荷兰鹿特丹港一加注趸船概念设计
对于STS,2013年初,世界首艘LNG加注船在Viking Line投入运营,该船由瑞典的Cryo AB公司建造,储罐采用真空绝热罐,容量为180m3。
另有FKAB、川崎、TGE、Rolls-Royce、瓦锡兰等公司也正在着手设计LNG加注船(或LNG加注/运输两用船)。
对于内河和港口,加注趸船也是一种合适的加注方案。
在欧洲,已有LNG加注趸船的方案设计。
图5为荷兰鹿特丹港一加注趸船的概念设计,船长60m,宽16.5m,其采用的是移动式储罐(可吊离趸船)。
鹿特丹港提出,加注趸船的容量可分三个阶段发展,第一阶段在250m3以内,第二阶段在750m3以内,第三阶段达到1500m3。
在我国长江水系,目前正在设计建造容量为100~500m3的LNG加注趸船。
表1列举了上述各种加注方案的优缺点,表2列举了各种船舶的适用方案。
2.水上LNG燃料加注工作原理
可行的LNG加注解决方案的设计取决于对安全性、可操作性、经济性三者的平衡。
图6为一典型水上LNG加注系统。
该系统的工作原理为:
用泵将LNG通过加注软管(或加注臂)泵送到接收方储罐中。
在软管的两端都装有紧急切断阀(ESD),如果发生泄漏或操作异常,ESD可自动或手动关闭,为防止过压,ESD的响应时间在30s左右。
当ESD关闭时,为防止压力振荡,储罐配备有自循环系统进行降温和降压。
为防止加注方与接收方之间过大的相对运动,在软管上装有紧急脱离装置(ERC)。
加注软管两端采用干式快速接头(Dry Disconnect Couplings,DDC)以防止泄漏。
在加注之前,加注软管需要用LNG的蒸发气进行吹扫和预冷,加注之后,软管中的LNG要排干,然后用氮气吹扫加注软管和回气管。
图6简化LNG加注系统图
3.LNG水上加注的风险识别
以下以STS加注方案为例,来分析水上加注设施潜在的风险和风险控制措施。
LNG水上加注的风险识别见表3。
4.风险控制措施
1、船舶布置
要根据LNG泄漏后果(如低温损伤和火灾损伤),制定加注作业处、控制室、生活区、储罐区之间的安全距离,以及采取适当的保护措施(集液盘、水幕保护等)。
为防止大量LNG泄漏后的蒸气云聚集而发生蒸气云爆炸,应使储罐区的布置不影响低温重气扩散。
2、储罐的冗余保护
对于加注船或加注趸船,其合理容积在200~1000m3,此时,C型独立液舱是最合适的LNG围护系统。
IGC规则认为C型独立液舱不需次屏壁保护。
对于加注船,储罐一般位于围壁或半围壁舱室内,双层舷侧结构可提供对储罐的保护。
对于加注趸船,储罐一般设置在甲板上,为了减小储罐遭遇碰撞以及泄漏的风险,需要规定出储罐距离舷侧的距离,以及附加措施(如设置储罐围堰)。
3、加注连接
图7挪威AgotnesCCB加注站的软管连接
图8TGE设计的加注臂
加注过程中,加注方与被加注方的连接至关重要。
可采用软管连接(图7)或加注臂连接(图8)。
目前,有厂商生产LNG加注软管,管径尺寸为1英寸~16英寸,包括单层管和真空绝热型管两种形式;国内已有LNG加注臂生产能力。
加注连接技术要点有:
● 加注接头尺寸应标准化;
● 加注速度的确定要合理(根据技术和市场的发展,趸船加注速度可达100~150m3/h,加注船速度有望达到400~1000m3/h);
● 软管和加注臂的操作程序要合理;● 需要应用干式快速接头(DDC)、紧急脱离系统(ERC)技术等先进技术。
4、防止泄漏导致船体低温损伤
图9移动式不锈钢集液盘
图10水幕保护船体结构
自1964年至今的LNG事故记录,与阀门或管路泄漏有关的事故几率高达约70%。
所以,应对阀门管路泄漏风险的控制予以高度重视,具体措施包括:
在相应位置设置不锈钢集液盘(如图9),以防低温液体损伤船体结构;为防止加注软管的泄漏对船体造成低温损伤,可采用如图10所示的水幕保护系统对软管经过的船体进行防护。
5、仪表设置和监控
加注系统要合理设置仪表,并能在控制室进行监控。
为了防止储罐卸货时过充,要设置适用的液位测量装置,并要有备份;为了控制接收罐和加注罐的温差以及防止翻滚,要设置足够数量的温度测量装置;为了检测储罐及管路的压力,应设置压力监测装置。
6、储罐的降温降压措施
C型液罐本身有一定的耐压能力,可满足一定的维持时间要求。
但为了控制温室气体甲烷的直接排放,储罐应具备自降压的功能。
可通过设计LNG自循环系统,达到降温降压的目的。
另可配备BOG罐,并有相应的BOG处理措施。
7、操作规程和人员培训
科学合理的操作规程和人员培训是确保LNG水上加注安全的重要因素,应制定LNG加注操作规程,根据不同加注阶段制定出详细的检查表(checklist),要对人员进行严格的理论和操作培训。
在总结以上技术发展和关键问题的基础上,建议在实施LNG加注项目时,应在以下方面开展工作:
(1)建立LNG加注设施的风险评估模型(包括蒸气云扩散、池火、低温损伤等评估模型),用于LNG泄漏后果的定量分析;
(2)建立加注意外事故的分类统计数据库,为未来技术改进做储备;
(3)协调我国陆上和水上LNG安全水平;
(4)开展加注连接中干式快速接头(DDC)系统、紧急脱离(ERC)系统的应用研究;
(5)制定LNG加注人员培训体系;
(6)研究减少甲烷排放量(甚至零排放)的措施。