小型LNG运输船改装加注功能的设计要点分析

2020-06-08梁斌郑坤周毅

船海工程 2020年2期

梁斌，郑坤，周毅

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

液化天然气(LNG)作为洁净的一次能源，在航运业越来越受到重视。据统计，到2020年，全球LNG燃料海船新订单将达到千艘。届时，全球每年将需要400万～700万t LNG船用燃料。国内随着LNG动力船舶建造数量的增加，对LNG动力船舶的气试作业和加注作业的需求也开始上升，但目前国内没有在建或运行的LNG加注船。

中国海油凭借其在沿海众多的LNG接收终端布局和丰富的船对船过泊作业经验，希望能在船对船LNG加注产业上实现突破，占据市场先机。如何在最短的时间内应对市场的需求，实现突破，又能最大程度上减少初投资，降低项目风险，成为一个迫切的问题。中国海油计划利用小型LNG运输船“海洋石油301”(简称“301船”)的富裕运力，在保留运输能力的基础上改造加注能力。以最小的投资，在最短的时间内实现加注作业能力的突破。为了确保改造工程能顺利实现，需要对改造方案要点进行分析，以期对改造工程规模和难度有清晰的了解和把控。

1 总体布置改造方案

改造方案的总体布置原则。

1)对空船重量重心和受风面积的变化进行评估，避免其变化对稳性、载重线以及船体强度带来不可接受的影响。

2)要保证改建部分满足相应法规。

3)要尽可能减少对现有设备、管系和结构等的影响，以期减少改造工作施工量。

总体布置改造方案见图1。

在货舱区域前部设置首加注集管区，并配套安装1台软管吊，在该吊车范围内安放1个副靠球。临近集管区位置新建1个干粉间。在货舱区前后各布置1台横向系泊绞车和相应的导缆器。在中部露天甲板新建1个深冷机组间和深冷机组电气室。在原软管吊作业范围内安放4个主靠球。在艉部系泊区上方增建1个焚烧装置(简称GCU)间，并加设配套的缓冲罐。艉部左舷设置一个副靠球和配套的吊车，右舷现有物料吊附近设置一个副靠球。在货舱区新设加注软管储放平台。

根据CCS《船舶重大改装实施指南》(简称《改装指南》)第1章对船型的定义：就法定要求而言，系指该指南中所涉及各公约各篇章所对应的船舶类型；就入级要求而言，系指CCS《钢质海船入级规范》所给出的船舶类型[1]。尽管加注船符号是“特殊任务附加标记”，但实质上是一种特殊的“船舶类型附加标记”，因此，LNG加注船改造工程改变了船舶类型，属于船舶重大改装。要在满足原船执行的规范规则的基础上，首先考虑原船执行规范规则的更新，其次考虑加注船级符号带来的有关规范规则。

《改装指南》第2章要求载重线和稳性需要满足现行标准。根据测算，“301船”改造后空船重心有一定的变化，因此，空船重心和稳性需要重新测量和计算，但微调装载工况后，载重线吃水不发生改变。对“301船”稳性重新校核后表明,改造后的满载吃水没有超过设计最大吃水，艉倾略有增大，总纵强度应力水平相比改造前略有增加，但相比许用弯矩和剪力，仍然有很大的富裕。压载工况下的最大盲区长度在艉倾增加的情况下仍然满足SOLAS的要求。

图1 改造后的总布置图(粗线框内为主要修改内容)

《改装指南》第5章指出：船舶类型的改变，是指在油船、具有装载散装油类的货物处所的非油船和其他非油船三种类型之间的改变。由于“301船”改造不属于在这3种类型之间的改变。同时由于改造不涉及船舶线型，满载排水量、设计载重量和快速性都没有发生变化，因此，无需按照MARPOL对防污染和EEDI的要求重新校核。

2 加注集管区的布置

加注集管区的布置需要解决以下几个问题：是否需要加设专用的加注集管区以及加注集管区设于何处；加注集管区和受注船的兼容性；加注系统的船对船接驳方式。

由于LNG运输船原集管区在采用软管加注的方式下可以兼作加注集管区，因此，是否需要加设专用的加注集管区取决于加注作业时加注集管区和受注船的位置是否匹配。

加注服务的目标船以22 000 TEU集装箱船、11 000 TEU集装箱船、40万t矿砂船、21万t散货船、30.8万t原油船进行分析。经分析发现散货船(包括矿砂船)受注站的位置需要安置在货舱区域相对靠前的位置。“301船”舯部的加注站可以实现加注作业，但如果在尽可能靠艏的位置设立加注站，有利于受注站的位置尽量靠近散货船艉部，缩短受注站到燃料舱的管路长度。大型集装箱船无论受注站位于前部上层建筑还是后部上层建筑都无法和“301船”舯部集管区/加注站匹配，需要在尽可能靠“301船”艏部位置设立加注站。由于液货船自身的集管区位于船舯，LNG加注管可以和自身的集管区统一考虑布置，因此，可以采用“301船”舯部的加注站进行匹配。

根据SGMF的建议，受注船的气液接口布置按图2进行，8 in管间距不小于1.25 m。鉴于新设加注站主要用于船对船加注作业，为便于现场采用快速接头，新设加注站集管区按L-V-L的顺序布置3个8 in的接口，接口间距1.25 m。这种布置对受注船均有良好的兼容性。

船对船接驳设备主要有以下3种类型：专用软管吊、船用加注臂、软管加软管吊组合。加注臂和专用软管吊的定制化、专用化特征很明显，很难兼容不同气液接口。设备的作业包络线的下界较小，侧向作业距离有限，需要在两舷分别安装，会导致投资大幅增加。目前应用案例极少，可靠性和价格缺乏竞争力。软管加软管吊的类型由于适应性强、造价低、重量轻、无泄漏、对船的相对运动要求低，因此,改造方案考虑采用软管加软管吊的方式。

3 系泊系统评估以及靠球的选取

根据OCIMF的《Mooring Equipment Guidelines》(简称MEG)3.9的要求，加注作业中的两船之间不适合布置横缆，推荐前后各2根倒缆，其余应多布置艏艉缆以满足两船系泊的要求[2]，因此，“301船”需要在货舱区域前后各布置1台双卷筒横向绞车。

图2 受注站的气液接口布置要求和新增加注站的气液接口布置

“301船”由于舾装数大于2 000，根据IACS在2017年3月的UR A2要求，需要按侧受风面积选取缆绳和系泊设备，通过核算，该要求并未超出现有缆绳和系泊设备能力。因此，无须考虑改造现有系泊设备。

OCIMF《船对船传输指南》提供了一种基于等效排水量系数的快速护舷选取表，见表1。

表1 OCIMF标准船对船传输操作时护舷选取快速参考[3-4]

按22 000 TEU集装箱船和“301船”的满载排水量计算，等效排水量系数在51 000左右，选择使用3.3 m×6.5 m的50 kPa靠球或者3.3 m×4.5 m的80 kPa靠球。在布置可行的前提下应该优先考虑选用50 kPa的靠球。

为防止靠泊作业期间由于疏忽大意而造成两船之间的接触，通常在船艏艉设置辅助碰垫，依据LNG海上驳运操作统计，选取2个直径2 m、长3.5 m的辅助碰垫。

4 货物/加注系统的改造

LNG运输船装卸货作业时产生的蒸发气(BOG)均由码头调压后进入管网或者由火炬塔处理。但加注船需要船上具备处理加注作业中产生的BOG，甚至还需要处理驱气作业中置换出的高氮气含量天然气的能力，GCU成为了必备的改造增设内容,因此,加注船的BOG处理系统是和原LNG运输船最大的差异所在。

“301船”的氮气发生器能力为900 m3/h, 干燥空气发生能力4 900 m3/h[5]，可以用于燃料舱及2船的液相管和气相管路干燥、惰化。达飞的箱船燃料舱18 600 m3，按3倍体积计算，干燥、惰化时间约为62 h，作业能力在正常范围内。

驱气作业是用天然气驱除惰化后液舱中的惰性气体。天然气来源于加注船液货的强制蒸发，产生的混合气输回加注船，送至GCU烧掉。

表2列出驱气时间与蒸发气产量的关系。

表2 驱气方案作业方案

驱气作业能力需要从3个方面考虑。

1)蒸发气生产能力。“301船”已经配置的强制蒸发系统的最大产量是2 000 kg/h，温度20 ℃。

2)回气能力。按照22 000 TEU箱集装箱船的燃料舱设计要求，舱压达到40 kPa时启动回气，“301船”的正常舱压可以控制在30 kPa，2舱之间的压差维持在5 kPa以上即可自流回气，无需专用的回气设备。

3)GCU处理能力。GCU的处理能力应与驱气作业中的蒸发气产量相当。标称处理能力为1 500 kg/h的GCU，实际处理能力1 800 kg/h(70%CH4，30%N2)。GCU的燃料气须满足供气压力为6～750 kPa的要求。“301船”现有的BOG压缩机，处理能力1 800 kg/h(蒸发气的密度约为1.785 5 kg/m3)，因此，驱气作业方案具有可行性。

在受注船的舱压高于加注船舱压，避免产生闪蒸的前提下，BOG处理能力只需要消化2船渗入热和货泵带入的动能和热能，以22 000 TEU集装箱船为例，分主机消耗BOG(DFDE模式)和不消耗BOG(无DFDE 模式)2种工况，回气速率数据见表3。加注作业过程蒸发气平衡计算见表4。

表3 22 000 TEU集装箱船回气工况

表4 22 000 TEU集装箱船加注作业过程蒸发气平衡计算

由表4可见，在DFDE工作模式下，1.5 t/h的GCU已经具备处理加注作业过程蒸发气的能力。但在无DFDE工作模式下还有约1.0 t/h的处理能力缺口。因此,安装1台1.0 t/h的再液化装置用以增强处理蒸发气的能力可以作为1个可选方案。

5 计量系统的改造

新加坡《TECHNICAL REFERENCE LNG bunkering》明确规定了LNG采用能量计量的方式。使用科氏质量流量计计量加注质量。组分分析仪的采样方式可以采用在线取样方式，也可以采用气体样品容器进行现场抽样的方式[6]。

从“ENGIE ZEEBRUGGE”号加注船的加注记录来看，其加注过程中仅对动力系统和GCU采用质量流量计进行了燃气计量，采用CTS系统对加注前后货物体积计量，得到了加注LNG和回气的体积。货物组分和密度采用了码头装货的数据。可见目前加注计量方式还是取决于买卖双方达成的协议。

“301船”配备有经独立第三方和主管当局核准的用于监测驳运操作的CTS系统。该系统具有可靠精度的连续测量能力，可以用于加注作业的计量。建议改造中预留计量撬和组分分析仪的安装位置和基座，今后视加注市场需求增设。

6 其他改造内容

6.1 消防系统

根据《重大改装指南》第3章要求，“301船”的防火、探火和灭火对于改造新增部分需要满足现行有效规范规则。新增设备主要包括：水雾喷淋泵、干粉灭火系统、艏部加注站水幕系统和水雾喷淋系统、新增深冷机组的CO2灭火系统。

6.2 PMS系统改造

PMS系统需要为新增设备设置重载问询功能。新增设备用电负荷较大，因此,需要根据加注作业的最大功率值，确定加注工况下电站可用率的最小数值，来设置对电力推进系统功率限制的要求。

6.3 照明/警示灯光

规范要求加注作业时必要的设施及操作地点应有照明以满足作业照度要求。每个加注站各设两个500 W投光灯，其中一路由应急电源供电。规范还要求加注船与受注船之间区域应有良好照明，在“301船”的艉、舯、艏的两舷各设置两个500 W投光灯，其中一路由应急电源供电。

规范要求由营业室至救生设备登乘处的脱险通道应设置标准的灯光或光致发光条显示标志。加注作业区中易于观察的位置安装可自动和手动控制的红色警示灯，警示灯在加注过程开始时自动启动。除相关规范明确规定外，还应对下列各处提供应急照明。

1)货物控制室、营业室、加注设备就地操作位置。

2)加注船与受注船的人员通道(如适用)。

3)加注设备与受注船的连接处。

4)布置有加注设备的区域及其通道。

6.4 电力系统改造方案

对电力系统的改造主要是由于新增和改造加注设备的供电和监控，以及安全的要求，为加注船增加GCU、再液化设备和安全有关系的系统或设备。

6.5 内部通信系统等子系统

与大型LNG船的船岸连接系统需遵循ISO 28460标准不同， LNG加注船船船连接系统并没有适用的国际标准。现阶段多数采用通用安全连接系统(USL)。该系统既满足LNG加注船的船岸和船船连接需求，又简化了系统结构，降低成本。为使本项目满足《液化天然气燃料加注船舶规范》和ISO、IGF对加注船的要求，本项目对控制、报警、通信的系统改造主要包括：新增1套CCTV系统；每个加注站区域增加2个气体探测系统手动报警按钮用于启动报警；新增1套USL系统；增加1套ESD系统；新增1套声力电话系统。