内河小型LNG加注船货物系统设计研究与应用

李岳洋，刘波涛，王 飞

(江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

随着内河船舶油改气项目的蓬勃发展和积极推广，采用LNG作为船舶动力燃料，对于构建现代综合运输体系，调整优化沿河地区产业布局，促进节能减排和区域经济协调发展，实现内河水运绿色发展具有十分重要的意义。近年来，国内开展船舶油改气项目很多，然而内河沿江流域建立岸上加气站手续繁琐，尤其消防评估及防洪评价缺乏统一的标准、规范，相关法规还不完善、健全，导致动力系统整体更新后的很多LNG双燃料船舶及LNG单燃料动力船舶无法得到及时加气。

本文结合一艘小型LNG加注船的设计开发，对围绕液态天然气的储存、布置、加注系统、货物压力/温度控制以及货物区域环境控制等进行较为全面的分析研究，并初步制定实船的可行性设计方案。

1 总体方案设计

1.1 主尺度的初步确定

根据本船的实际停泊区域、作业功能要求情况以及船东要求等综合因素，经过多种方案设计优化对比，最终确定本船的主尺度如下：

船长

33.0 m

船宽

6.2 m

型深

3.0 m

吃水

2.0 m

肋距

0.5 m

双燃料主机型号

WHM617C245-1DF

主机功率

180 kW

额定转速

1 000 r/min

航速

12 km/h

LNG储气罐容积

100 m3

船员

4人

航区

A级航区

1.2 总体布置

某小型LNG加注船的总体布置如图1所示。

本船为全电焊钢质结构。其机舱区域为单底双舷结构，货舱区域为双底单舷侧结构。艏艉尖舱为单底单舷结构；除货舱区域采用纵骨架式外，其余结构采用横骨架式。

本船主甲板以下从艉部至艏部依次设有艉尖舱、压载舱、燃油舱、机舱、隔离舱、液货舱、隔离舱、压载舱、艏尖舱。

主甲板设有厨房、卫生间、客厅、船员室、防护用品室、干粉和氮气室及货物控制室。

船员顶篷甲板设有充放电室、蓄电池室，船员室及驾驶室。

设置干粉室主要用于扑灭货物区域甲板上的火灾(包括甲板上的货物液体)。当发生火灾时，立即启动干粉灭火系统。干粉灭火系统能够产生高速的气粉流，从干粉炮或干粉枪的喷嘴中喷出，迅速射向LNG火源，起到迅速扑火或抑制火灾的作用。设置氮气室主要用于LNG储罐本身管路、LNG加注管路及气体发电机组燃料供气管路的惰化、吹扫，以避免储气罐和LNG燃料管路中出现爆炸危险环境。

货物控制室主要是用于对船舶加注管系、补给管系、加注设备及LNG储气罐控制、监测和安全系统等集中控制。

1.3 货物围护系统的确定

加注船货物围护系统指用于LNG储存的装置(LNG独立液货舱)，包括所设的主屏蔽和次屏蔽及附属的绝热层和屏蔽间处所，还包括必要时用于支持这些构件的邻接结构。本船的货物围护系统设计为真空绝热C型独立液货舱[1](C型LNG低温储罐)，容积为100 m3储气罐，设计压力为1.0 MPa，承受低温-163 ℃。内、外容器采用铝合金、不锈钢材料或者9%Ni镍钢[2]，无需设计次屏蔽。这种设计目前是可以考虑不用布置货物围堰系统，以简化船体部分建造设计难度，同时降低建造成本。

图1 某小型LNG加注船总布置图

如果采用货物围堰系统，需在货舱内底板上方加不锈钢材料的承滴盘(又称次屏蔽)，承滴盘的容量能满足100 m3LNG储气罐全部泄露时的最大承载量，并且考虑隔热措施以防止船体结构随温度的下降而变形。目前,还有采用比较普遍的水泥混凝浇注围堰等。

C型LNG低温储罐安装于货舱区域大开口下的内底板上。为方便集中管理与控制，储罐后方布置有货控室。小型LNG加注船舶的加注设备一般设置在艏部或者中部。本船布置的特点是，储罐前方留有足够的空间，便于布置加注设备，同时也可以根据客户要求设计不同货物围护系统形式，采用上出液内置LNG低温泵。船员住舱与货控室、液货舱之间空出两档肋位，使货舱区域与居住区域有足够的安全距离。

2 加注系统设计

船用LNG 加注系统的作用是为LNG 燃料动力船进行燃料加注。其工作原理是：LNG 液体由真空储罐通过储罐内的潜液泵，打入低温管道，充装入加注船的LNG 储存装置；仪表风系统为自动控制阀门提供动力来源；在此过程中，PLC 控制系统采用各控制点远传的信号，进行计算、分析、控制、处理。

2.1 加注系统设计

本系统设1只100 m3真空绝热LNG储气罐，布置在货舱区域；设2台TC-34型低温潜液泵，布置在储气罐内，每台流量40 m3/h，扬程220 m。2台泵可同时使用，也可互为备用。

系统在主甲板左右舷分别设置加液口和回气口，可以实现对LNG燃料动力船舶的加注和LNG岸基站的加注。距离主甲板约3 000 mm的左右舷加注平台上分别设有补液口和回气口，可以实现LNG岸基站和LNG槽车对本船的补给功能。对外加注采用吊机+软管吊的方式进行作业。软管在非工作状态搁置在主甲板格栅平台的搁架上，防止软管的非正常滑动或破损。

加注系统中的紧急切断阀由船上的压缩空气系统提供气源。

加注系统管路中设2台低温质量流量计：1台CMF300和1台CMF100，分别用于计量液相和气相流量，差值为对受注船燃料罐的加注量。

2.2 加注系统工艺流程

(1)卸车流程：LNG 槽车/LNG加注趸船→管道→LNG 储罐。

LNG槽车将LNG 运至靠近加注船的岸边，管道与卸车口连接，通过卸车口、管道、阀门等将LNG 注到加注船的LNG 低温储罐中。也可以采用LNG加注趸船将LNG 运至靠近加注船的管道与液相口连接，通过液相口、管道、阀门等将LNG 注到加注船的LNG 低温储罐中。

(2)加液流程：LNG储罐→LNG潜液泵→计量装置→加液软管→LNG燃料动力船。

给LNG燃料动力船加注时，先将专用的LNG加液软管与LNG燃料船上气液相接口相连接，经过储罐内的LNG潜液泵将LNG输送到计量装置，液体经过计量后通过加液软管加注到LNG燃料船储罐，在计量装置处显示质量(或标方数)和价格。

2.3 货物压力/温度控制

货控室布置在邻近液货舱、储罐处，将储罐应设有的压力、温度、液位等传感器遥测传感器集中布置在货控室。同时货物加注系统管路上的电气动控制阀、低温泵的遥控等也与上述传感器集中布置在控制位置[1]。在选择温度、压力传感器时需要注意到以下几点：

(1)必须是本安型的或者防爆型的，防爆等级不小于IIA T2。

(2)正常使用的测量范围在静压下不超过测量上限的3/4，不低于测量上限的1/4。

(3)传感器材质采用不锈钢，适用于露天安装的防护等级IP67，响应时间快，不大于0.2 s，精度较高的产品。

3 货物区域的环境控制

货物区域的环境控制包括货舱区气体危险区的可燃气体探测和通风驱气，以及货物系统及管路的驱气/惰化。

3.1 货物系统惰化

由于LNG储罐首次使用前必须对容器进行氮气置换，以及管线需要进行驱气等，所以需布置一定量的氮气瓶。本船在干粉氮气室总体规划时，已预留有相应空间。氮气瓶容量计算与置换前驱气压力为3～5 kPa，储罐总容积为100 m3，计算后需2～4瓶40 L氮气瓶(充装压力15 MPa)。

3.2 可燃气体探测

对于液货舱、货控室(气体危险区)、隔离舱(机舱与液货舱之间)以及LNG加注区域这些处所，因可能积聚泄漏的蒸发气体，所以应设置固定安装的气体探测系统和声光报警器。

3.3 货舱区通风与驱气

3.3.1通风设计要求

上述货舱区域封闭处所，通风系统设计要点[5]如下：

(1)气体危险区应采用负压通风。

(2)通风系统的换气次数应不小于30次/h。

(3)风机应采用无火花型防爆风机，如船用防爆轴流风机标准GB/T 11800—2008中的I型和V型风机。

(4)注意进、排风口的布置。

项目中，采用自然进风、机械式负压通风系统相合的方案，既满足了法规要求，又节约了建造成本。

3.3.2货舱通风

货舱舱口围板与储罐间设计为风雨密结构。把货舱当作通常不进入的处所，通风系统采用自然对流通风。在主甲板两舷对称布置鹅颈式自然通风筒。为进入该处所安全需要，船上需配备2台认可型防爆风机和便携式可燃气体探测器。当有人员进入时，要求在进入前需检测甲烷气体浓度，并进行有效驱气通风。

4 结语

由于目前还没有完备的LNG加注船法规，本文结合现有的相关规范对内河小型LNG加注船货物系统的设计布置进行了初探，认为在该类型船舶的设计上，只要设计选型得当，是可以取得很好的安全性、经济性和可操作性的。相信随着内河LNG燃料动力船舶的大力发展，内河小型LNG加注船将具有更大的市场前景，并带动其相关技术与标准的建立与健全。

参考文献：

[1] 中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].北京：人民交通出版社，2017.

[2] 时光志，盛苏建.中小型LNG运输船设计关键技术[J].中国造船，2011，52(2)：40-47.

[3] 中国船级社.液化天然气燃料加注趸船规范[S].北京：人民交通出版社，2017.

[4] 中国船级社.液化天然气燃料加注船舶规范[S].北京：人民交通出版社，2017.

[5] 中国船级社.天然气燃料动力船舶规范[S].北京：人民交通出版社，2017.