一种可换箱加注的LNG船用燃料罐箱及燃料供应系统研究

蒋平安，陈来生，张培培，樊　杰

(南通中集能源装备有限公司，江苏 南通 城港路155号 226002)

0　引　言

随着全球海事界对有害物质排放要求的日益严格，特别是近海及港口等一些排放控制区的规定，越来越多的船东已经使用或考虑使用LNG作为船舶的清洁燃料。然而LNG动力船舶的迅速发展，使得LNG燃料加注供应的问题成为制约LNG动力船发展的一个最主要因素；这主要是由于目前LNG动力船舶都使用固定式燃料罐，燃料的加注供应依赖船舶靠岸或加注趸船加注，而船舶受潮涨、潮退影响，无法确定停泊的位置，且LNG输送管道均为低温管道，这种低温管道属于硬管，不易延展和伸缩，因此，岸边的加注站给船舶加气存在极大困难。建造LNG加注(趸)船进行LNG动力船舶燃料加注虽是比较好的模式，但由于LNG加注船的投资成本非常高，在航行区域内LNG动力船舶投运数量达到一定量后，才会考虑建造加注船。目前建成使用的LNG水上加注船数量有限且分布不均，所以海洋LNG动力船舶燃料加注主要还是采用岸基罐车码头加注模式，存在加注时间长，安全隐患多的缺点，导致LNG动力船的大规模应用受到严重制约。可移式LNG燃料罐箱在陆上液化站完成充装后，再通过陆海联运到港口码头，吊装或滚装固定到船上，其LNG“加注”作业可在现有大部分港口码头完成，不受水上加注站的制约，因而可移动式LNG燃料罐箱在船舶上应用得到重视。

新加坡港作为全球船舶中转枢纽港，近年来一直致力于倡导船舶清洁能源应用。我司经过同船东、ABS船级社和船厂就选型LNG罐箱作为船用燃料罐的可行性、安全性、加注技术优势等反复论证；罐箱结构方案、燃料换箱加注及工艺的总体解决方案等分析讨论；最终采用船用燃料罐箱给LNG动力拖轮供气的创新技术模式，获船东和ABS的一致认可；2016年新加坡港启动了全球首例采用可换箱加注船用燃料罐箱及燃料供应系统的LNG动力拖轮研制。

1　技术路线介绍

可换箱加注船用燃料罐箱是一种双规范船用多功能可移式燃料罐+罐箱产品；设计和制造同时满足IMDG罐箱规范和IGF船用燃料罐规范认证；产品制造同时取得罐箱证书和船级社证书，具有较大的技术跨度，是一款行业首创新型罐箱产品。

燃料罐箱结构设计中，采用了应变强化技术、低温真空技术、绝热技术与支撑结构技术、CAE仿真模拟分析技术；同时燃料罐箱底出液管低温双壁管和外罐不锈钢材质设计，创新IGF规范的LNG泄漏围护结构，免除管阀系统的密封冷箱设计；实现燃料罐与供气撬联结和拆卸方便性；另外燃料罐箱采用可快速拆装的集装箱角件锁与船舶固定联接，罐箱作为C型燃料罐给LNG动力船供给燃料；当罐箱燃料用完后，船舶靠泊港口码头，将船舶空燃料罐箱连接管道和固定角件锁拆开吊下船，将满燃料罐箱吊上船与供气管道连接供给船舶燃料。空罐箱水陆联运到LNG加注工厂加注，注满后水陆联运到港口码头储备。保证换箱加注的可实施性，同时满足了罐箱陆海联运要求。产品具有换箱加注、堆码扩容、岸基维护保养、陆海联运技术特点。船舶示意图见图1。

图1　船舶示意图Fig.1　Ship schematic

2　20英尺双标船用燃料罐箱介绍

2.1　主要技术参数(表1)

设计、制造与检验所遵循的标准、规定：

UN portable tank T75 per INTERNATIONAL MARITIME DANGEROUS GOODS CODE

《国际海运危险货物规则 联合国T75可移动罐柜》；

European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road

《危险货物国际道路运输欧洲公约》(ADR)；

THE INTERNATIONAL CONVENTION FOR SAFE CONTAINERS (CSC), 1972

《1972年国际集装箱安全公约》；

CUSTOMS CONVENTION ON CONTAINERS, 1972

《1972年集装箱关务公约》；

ISO 1496-3 Series 1 Freight Containers-Specification and Testing-Part 3:Tank Containers for Liquids, Gases and Pressurized Dry Bulk

《货运集装箱系列1.规范和试验.第3部分：液体、气体和加压散料用罐式集装箱》；

International Maritime Dangerous Goods Code(IMDG),2002

《国际海运危险货物规则》；

Specification For Insulated Cargo Tank For Nonflammable Cryogenic Liquids(CGA341) Sixth Edition

表1　主要技术参数Table 1　Main technical parameters

《不易燃的低温液体用隔热载油舱规范》第6版；

International Code Of Safety For Ships Using Gases Or Other Low-flashpoint Fuels(IGF CODE)

《使用气体或其它低闪点燃料船舶国际安全规则》(IGF规则)；

ASME Ⅷ Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1 for pressure vessel.

《压力容器建造规则 第八卷》；

ABS Gas Fueled Ships Guide

ABS《气体燃料船指南》。

2.2　燃料罐箱结构介绍

图2　船用燃料罐箱简图Fig.2　Diagram of marine fuel tank

船用LNG燃料罐设计遵循IGF规则，连接于燃料舱液面以下的液相管道，燃料罐与第一个阀间的管路需要设计次屏蔽保护，防止LNG直接泄漏到甲板导致船舶的损毁。燃料罐箱采用了独特的不锈钢外壳次屏蔽和液相管道双壁不锈钢次屏蔽结构，以适宜可移动式船用燃料罐箱的水陆联运。

船用燃料罐箱(以下简称：罐箱)主体采用了高真空多层绝热的绝热型式，内容器的材料为SA240 304，外壳的材料为SA240 304，框架材料为SPA-H。内容器和外壳之间采用了一端玻璃钢支撑(移动端)，另一端支撑锥支撑(固定端)结构，使其保持良好的受力状态，并连接牢固。罐体与框架的连接采用COLLAR支撑结构。罐箱上设安全组合装置，用以防止升压过高，从而保证罐体的安全。内容器与外壳之间的夹层上设有外壳安全装置，防止因真空夹层的真空丢失而导致升压过快，从而确保外壳的安全。

罐箱在框架前后端分别设有阀门箱及工具箱。阀门箱及工具箱的材料为SA240 304，阀门箱、工具箱与罐体采用焊接连接，从而防止管路泄漏而对船体损坏。阀门和仪表集中放置在阀门箱中，电磁阀及防爆接线箱等电控元件集中放置在工具箱中。

2.3　液相管路次屏蔽结构介绍

图3　液相管路次屏蔽结构图Fig. 3　The secondary shielding structure of the liquid phase

次屏蔽管技术可以实现船用燃料罐箱的管阀气密冷箱免除，简化燃料罐箱阀门箱结构，满足燃料罐箱水陆联运要求。当燃料舱管路LNG泄漏时，LNG首先漏到次屏蔽管路与燃料舱管路夹层空间，屏蔽了低温液体直接泄漏到船体上，防止船舶结构的低温下降到不安全程度。

燃料舱液面以下管道穿入次屏蔽管道中，双层管道与锻制双壁管接头对接焊，采用内壁管规格弯管模具进行双层管弯管，弯制成型的双层管路为双壁管道。双壁管道一端的锻制双壁管接头与燃料舱封头焊接，管道引出不锈钢围护屏外壳后，另一端与第一道阀门对焊。

双壁管道的夹层中充入一定量的氮气，双壁管道的次屏蔽管上开设一个或若干检测孔，检测孔上焊接取样管路，连通压力变送器和可燃气体分析仪，实时监测双壁管路壁间压力变化及壁间可燃气体检测分析，监测燃料舱液面以下管道液体是否泄漏。

2.4　燃料罐箱与船舶固定结构

图4　燃料罐箱与船舶固定结构Fig. 4　Fuel tank and ship fixed structure

罐箱与船体之间采用角件锁连接，手动旋转实现锁紧，可实现快速换箱的功能。

3　燃料供应系统介绍

3.1　供气系统工艺介绍

图5　供气系统工艺流程图(PID)Fig. 5　Process flow chart of gas supply system (PID)

燃料罐箱及供气系统工艺流程主要分为卸车、增压、供气、EAG放散、氮气置换、罐箱及管路初次惰化冷却六种基本功能。

3.1.1加注流程

1．岸基槽车加注：从岸上来的LNG(过磅)→加注软管→充装撬→LNG燃料罐箱。

2．换箱加注：空箱连接管道拆下，集装箱角件锁拆除→空箱吊下船→满箱吊上船→管道连接，锁键紧固。

3.1.2增压流程

LNG燃料罐箱→LNG管路→水浴式增压器→LNG燃料罐箱气相。

3.1.3供气流程

LNG燃料罐箱→LNG管路→水浴式气化器→缓冲罐→调压系统→发动机。

3.1.4EAG放散

LNG燃料罐箱/管路→安全阀→LNG透气总管。

3.1.5氮气置换

制氮机→管路吹扫口→排放阀→安全放散系统。

3.1.6罐箱及管路初次惰化冷却

常温氮气→罐箱/管路→放散总管；

低温氮气/液氮→罐箱/管路→放散总管。

3.2　供气系统总体设计介绍

供气系统主要设备包括2台20 ft LNG燃料罐箱，1台气化调压撬，1台充装撬，1台循环水泵、设备间连接管路以及控制系统组成。单台LNG燃料罐箱有效容积是18.54 m3。燃料罐箱对外设有5个连接口，分别为充装口、回气口、出液口、仪表空气口、放空接口，所有接口均为法兰连接。气化调压撬由水浴式气化器、1000 L缓冲罐、调压系统以及管阀仪表等组成。气化调压撬及充装撬均设有不锈钢积液盘，同时调压撬及充装撬与船体间铺设玻璃钢板，以防止泄漏的LNG通过框架对船体造成低温影响。

燃料罐箱以及充装橇位于船舶甲板上，气化调压撬位于甲板下，其间高差约3 m。气化撬进液口与罐箱出液口相连接，气化撬增压出气口与罐箱回气口相连接，气化撬的出气口经缓冲罐以及调压装置向船舶的主机提供气体燃料。汽化器/增压器采用船舶主机循环水通过循环水泵进行加热，既减少外部能源消耗，又避免了气化过程对外部环境的污染。

罐箱与充装撬采用不锈钢硬管以及金属软管的连接方式，降低热胀冷缩以及加工误差引起的应力。同时，低温管路采用柔性保温材料LTD和LT进行多层复合保温。整个供气系统均做防静电设计，对所有密封垫片的管接头结构均设有电气连接装置。

整套供气系统可实现完全远程自动化操作，同时控制系统放置在驾驶室，以便航行过程中监测。燃料罐箱设有液位及压力测量装置，能够实现罐箱液位计压力远程控制和就地显示。当罐箱液位达容积的80%时，系统液位报警装置将发出声光报警信号，当罐箱液位达容积的90%时，控制系统将关闭卸车管路中的紧急切断阀。当罐箱液位降到容积的20%时，系统液位报警装置将发出声光报警信号。当罐箱压力达到安全阀整定压力的90%时，将触发高压警报。实际使用中，可选择两个罐箱同时供液，也可选择先使用其中一台。液相、气相以及溢流位置温度测量装置，能够实现就地显示及远传监测。

每台罐箱、气化调压撬、充装撬分别设有固定式可燃气体探测器，当探测器监测到可燃气体浓度达到20%LEL时，控制系统将发出声光报警信号，当可燃气体浓度达到40%LEL时，安全保护系统启动。

图6　燃料罐箱及供气系统总体布置图Fig. 6　General arrangement of fuel tank and gas Supply system

图7　燃料供应撬方案图Fig.7　Fuel supply portable diagram

图8　充装撬方案图Fig.8　The fuel filling portable

4　燃料罐箱加注特点和风险

船用LNG燃料罐箱具有的换箱加注特色模式：可移动式LNG燃料罐箱在陆上LNG工厂完成充装后，再通过陆海联运到港口码头，通过吊装或滚装固定到船上；其LNG“加注”作业可在现有大部分港口码头完成，不受水上加注站的制约；与固定式船用燃料罐比较，具有显著不同的特点：

1．燃料换箱“加注”操作频繁；燃料罐箱一般采用标准20 ft或40 ft罐箱，在陆地LNG工厂完成充装后，通过公路、铁路或水路运输到码头，吊装上船完成换箱“加注”；标准罐箱作为燃料供应罐，其装量容积有限，对于燃料耗量较大的大型远洋船舶，为保证船舶燃料正常供应，其换箱“加注”操作比配置大型固定式LNG燃料罐加注更加频繁。存在一定的吊装失效风险。

2．燃料罐箱与船舶供气系统软管连接模式；与配置固定式燃料罐不同，燃料罐箱作为可移动搬卸的燃料供应罐，必须采用柔性软管与船舶固定安装的供气系统连接，并且每次的换箱“加注”前后，均需要进行软管接头的断开和重新连接。存在一定的连接失效风险。

3．燃料罐箱船上可堆码扩容布置；2个以上的固定式燃料罐在甲板上布置时，一般采用单层并排方式，空间浪费严重；燃料罐箱可以互相之间堆码或者与其他货物集装箱堆码，充分利用甲板高度方向的空间；但也存在堆码失效的风险。

图9　燃料罐箱充装LNGFig.9　Fuel tank filling of LNG

图10　燃料罐箱运输及吊装换箱加注Fig.10　Fuel tank transportation, hoisting and changing

5　结束语

研发的船用燃料罐箱是一款既符合罐箱规范又符合船用燃料罐规范的双规范产品，既可用于LNG运输，又可用于LNG动力船舶燃料供应，具有快速换箱加注、堆码扩容、上岸维护、陆海联运等特点，目前属行业首创；项目产品研制过程中，联合船舶设计院、船级社、海事，基于风险评估理论，开展了LNG罐箱用于LNG运输、船舶燃料供应、储存及加注等水上应用的关键技术研发和试点试验研究；首套产品试制成功后交付新加坡港口拖轮使用，其成功运行将为行业制定相关的安全技术标准积累经验和数据，为LNG罐箱水上产业链的安全应用提供技术保障。

罐箱作为船用可移式LNG燃料罐工况为“装船—供气—卸船”，循环使用过程存在4种主要失效风险：吊装失效、隔离失效、供气连接失效和堆码失效风险；笔者将跟进新加坡港口首条拖轮的运营情况，继续进行安全性研究。