内河LNG岸基加注站船岸LNG输送速度研究

2019-10-08鲁亮刘淼儿卢俊刘小波

中国水运 2019年4期

鲁亮　刘淼儿　卢俊　刘小波

摘要：在内河LNG岸基加注站设计与建造中，岸基到水面的LNG输送是LNG输送系统的主要功能，考虑不同地理环境的水位变化不同，受注船舶离岸基式LNG加注站的距离通常较远，将LNG从岸基输送到受注船舶时如何保证一定的加注速度是重点研究内容。本文通过计算分析，针对内河流域、近海LNG燃料动力船的加注要求，研究了LNG加注系统管路特征，为LNG岸基加注方案设计提供理论依据。

关键词：内河LNG岸基站加注系统;

中图分类号：U653 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2019）04-0044-02

通过对长江沿江省市LNG水上加注站规划与建设情况的调研，发现部分省市已有布点考虑，国内几大油企和动力研发企业开始了各自在长江上的布点行动。如四川省编制了《长江沿岸水域（四川段）LNG项目专项规划》，提出2015-2020年达到7座，2020-2030年达到9座;重庆市提出到2020年达到30%以上;中石化、中石油、中海油等能源巨头纷纷与长航集团签署合作协议，提出了各自的发展目标，布局在长江干线建水上加注站。[1-3]

将LNG从岸基输送到受注船舶时如何保证一定的加注速度是重点研究内容。本文通过计算分析，针对内河流域、近海LNG燃料动力船的加注要求，研究了LNG加注系统管路特征，为后续方案设计提供理论依据。

1加注量分析

本文主要针对的是内河流域和部分近海区域利用岸基式LNG加注方式进行研究，因此选取的船型主要是长江中上游地区的LNG动力或柴油-LNG双燃料动力的工程船、散货船、滚装船等百吨级至千吨级的船舶，主机功率涵盖范围在100kW～1000kW。

1.1 船舶日耗油量

按目标船舶主机功率100～1000kW，各类船舶、不同工况耗油量差别较大，按照一般油耗150～160g/hp.h，船舶日耗油量：

1.2 等热值LNG日耗量

以0#柴油热值，天然气热值，天然气密度为，LNG气化系数为625，柴油与LNG热效率比约为1.1计，日均LNG消耗量：

1.3 LNG加注流量选取

按一般补气周期3～7天计，单次LNG补给量为：

参考国内外LNG船舶的加注情况，为降低船舶加注期间的风险，宜缩短加注时间，因此主机功率为1000kW的船舶一般加注时间不宜超过1h，另外结合船舶实际情况考虑，以内河流域为主的LNG燃料动力船以及部分近海LNG燃料动力船中LNG燃料储存量在留有余量的同时一般控制在50m3以内[4-9]，因此为将加注时间控制在1h以内，可将最大加注流量控制在50m?/h进行计算分析。

1.4 管径分析

流通管径直接决定了管道系统的输送能力大小，在流量一定的情况下，管徑又直接决定了流速，进而对系统流动阻力有着显著影响。管径计算条件如下：

（1）由2.3可知，管道最大加注流量在50m3/h以内即可基本控制加注时间;

（2）标准EN1474中规定LNG管道允许流速为不超过12m/s。

根据HG/T20570-95《工艺系统工程设计技术规定》，可采用预定介质流速或者预定管道压降值来设计管径。本文按预定介质流速来确定管径：D=18.81×Q 0.5 ×u（-0.5）

式中，D—管道内径，mm;Q—管内介质体积流量，m3/h;u—介质在管道内平均流速，m/s。

管道介质流量为Q=50m3/h，当LNG流速为12m/s时，则管径

即在满足最大允许加注流量50m?/h并不超过最高流速12m/s条件下，管道直径不应小于38.4mm。具体管径的确定需结合管道阻力分析及管系刚度、水击分析等因素进行。

2 压损分析

管道两端的压力差是LNG在管道中输送的动力。LNG在管道中流动时，会受到管道系统的阻力作用，且随着管道中LNG流速增加、管道长度增长、中间弯头变向越多，阻力越大。因为管道阻力的存在，为获得一定的加注速度，需在源头提供足够的动力即压头，用以克服管道阻力。在系统设计中，具体应给源头LNG提供多大的压头，由管道动力特性和加注需求决定。

依据管径分析的结果，初步选择管径DN50，管道内径按50mm简化计算，50m3/h流量时，计算流速u：

管道系统的压损可分为沿程压损和局部压损分别计算。

假设管道长度为100m，90°弯头4个，则计算过程如下：

2.1 沿程压力损失计算

对于每一米管道，液相流体的压力损失可按Blasius公式计算：

其中，r—沿程压力损失 Pa/m;Fa—摩擦阻力系数;—LNG密度 kg/m3;u—LNG管内平均流速 m/s;D—管道内径 m;

对于管内稳定流，当Re>2500时，属于湍流，输送LNG的管道一般均为奥氏体不锈钢管道，内壁光滑，可按下式计算摩擦阻力系数

其中，雷诺数， —LNG的动力粘度，m2/s。

根据LNG物性数据，将代入计算，得：

为湍流状态，摩擦阻力系数：

按阻力公式计算沿程压损：

若按管道长度100m计算，对应的管道沿程压力损失为：

2.2 局部压力损失计算

局部压力损失计算公式：

其中，z—局部压力损失 Pa;—局部阻力系数;—LNG密度，kg/m3;u—LNG管内平均流速，m/s。

局部阻力系数按照90°弯头计算，取值，则：

4个弯头的局部压力损失之和为：

2.3 管道系统总压损

根据上述分析计算，估算管道系统总压力损失为沿程压力损失与局部压力损失之和：

因此，在不考虑高度落差因素时，为保证50m3/h的加注速度，应至少选用DN50的真空管，LNG提供动力源压头至少为2.17bar。

3 管径及流速选择

根据以上压损的计算方法，对30m3/h～80m3/h不同加注量、DN32～DN80不同公称直径的管道流速及压损计算，结果见表1。

表1中压损计算按照管道长度100m，4个90°弯头计算，管道内径按内管公称直径数值简化计算。因局部压损相对沿程压损较小，当管道长度变化时，可近似按照线性比例关系，计算管道流速及压损。例如：对于50m3/h的加注需求，选用DN65的真空管时，查表得流速为4.19m/s，压损为0.63bar。当管道长度为150m时，线性比例为1.5，则对应流速为4.19m/s不变，管道压损约为1.5×0.63bar=0.95bar。即用150m长DN65的真空管，输送50m3/h的LNG时，至少需提供的动力压头为0.95bar。

工艺管道的流通能力应满足正常加注作业所需的最大流量要求。通过对表1中不同工况下流速、压损数据对比，得出流速对管道阻力影响明显。而根据《内河液化天然气加注码头设计规范》可知，在不同加注需求下进行管径选取时，LNG管道设计流速不宜大于7m/s。

4 结束语

本文通過计算，得到了不同加注流量下管径及压损的对应关系。为后续方案设计和实际应用提供理论依据。同时，在加注流量一定的前提下，需选择合适的输送管径，以减小管路阻力，提高输送效率。

参考文献：

[1]范洪军，石国政.船舶应用LNG燃料及加注可行性研究[R] .中国船级社，2018.

[2]石兵.关于内河船用LNG加注站建设的思考[J].中国海事.2013（06）

[3]彭家敏，张京梅.浅谈内河航运业的发展前景[J].武汉船舶职业技术学院学报.2005（04）

[4]杨江辉.LNG动力船加注技术研究[J].海洋工程装备与技术.2014（03）

[5]石国政，张晖，范洪军.天然气燃料动力船燃料加注模式研究[J].船海工程.2013（06）

[6]徐建勇，石国政.LNG加注船关键技术研究[R] .中国船级社，2015.

[7]曹维鑫.长江中上游水域LNG燃料动力船加注方案研究[J].中国水运（下半月）.2014（11）

[8]LNG in the baltic sea region opportunities for the ports. Monika R. . 2010