液化天然气卸料传输系统选型与配置

2021-08-11夏华波王磊刘洪亮孙延国刘剑楠

船舶设计通讯 2021年1期

夏华波，王磊，刘洪亮，孙延国，刘剑楠

（1. 中海油能源发展采油服务公司，天津300452；2. 上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

液化天然气（LNG）浮式储存及再气化装置（FSRU）是集LNG 接收、储存、转运、再气化外输等多种功能于一体的特种装备，通常也称为LNG-FSRU（以下简称“FSRU”）。LNG 以气相及液相的形式，通过专用的传输管系或装置在船与船之间或船与岸之间进行接收（装载）或外输（卸载）作业，通常包括船对船过驳作业和船对岸过驳作业。 LNG 的传输相态包括液相传输、气相传输（低温、低压）和高压气相传输（常温、高压）。 FSRU 既可以接收 LNG 运输船运送的液态LNG 储存于自身的货物围护系统中，也可通过再气化装置将液态LNG 气化成气体，然后通过管路输送至陆上管网。

FSRU 装卸系统采用刚性卸料臂和软管传输方式，见图1 和图2，实现船对船过驳和船对岸过驳的LNG 液相传输和气相传输，是FSRU 的关键系统之一。法国船级社（BV）规范（Classification of Floating Gas Units 2019）NR 542 中 FSRU 适用传输系统有 3种：旁靠式刚性臂传输、串靠式传输臂传输和软管传输，基本覆盖了当前技术可执行的所有方式。LNG-FSRU 的卸料系统是一个综合性的系统，也是FSRU 设计的重要技术点，其布置及选型受制约因素较多，具体配置要求应根据相关国际公约、规则和标准，国家法令、法规和船级社规范，并结合油气产品的行业标准进行选用及配置。

图1 刚性卸料臂传输

图2 软管式传输

1 相关适用性规范、规则和标准体系

相关法规标准体系包括LNG 产业专用或通用的设计、施工、材料及设备、安全、管理以及环保等标准。国外（北美、欧盟、日本）的LNG 产业由于起步早，经过几十年的发展逐步成熟，建立了相对完善的LNG 法规标准体系。我国LNG 产业发展较晚，法规标准体系多借鉴欧美相关标准。

国际海事组织（IMO）是联合国负责海上航行安全和防止船舶造成海洋污染的专门机构，LNG 领域主要遵循2016 版《国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则》（IGC Code，Amendments to the International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，2016）。IGC 规则适用于所有散装运输液化气体船舶，其中船舶布置、液体管系的布置、管系工艺技术要求、软管材料、管系试验等内容的适用部分，可以作为FSRU 卸料系统设计的要求与借鉴。该规则未提及FSRU 卸料系统的具体机电仪控制、操作维护、紧急脱离等内容，需要参照其他标准规则。

主要船级社规范及相关国际公约是必须遵循的规范规则，相对于FSRU 卸料系统来说都有提及，但都仅规定了纲领性的要求，主要注重的是船舶安全性保障。其中，对于卸料系统各部件的设计部分，这些规范规则只提及了相关要求（主要是与船体货物系统的连接等），没有具体明确设计、制造的要求，需要结合相关行业标准和指南来选用相应卸料系统的组成部件，从而形成完善的卸料系统设计要求。 BV、DNV、ABS 及 LR 船级社对船用传输装置产品的要求直接指向EN 1474 标准和IGC 规则，相较于其他几大船级社，BV 船级社关于传输系统的规范内容相对独立及全面。中国船级社（CCS）发布的与LNG 相关的规范主要有：CCS 《船对船过驳指南（2019）》、CCS 《散装运输液化气体船舶构造与设备规范（2018）》、CCS《液化天然气浮式储存和再气化装置构造与设备规范（2018）》以及《浮式储存和再气化装置法定检验暂行规则》等。

国际标准化组织（ISO）与LNG 相关的标准主要是 ISO／TC 67 和 ISO／TC 8 技术委员会制定的，主要涉及浮式LNG 装置的设计、设备与安装，输送臂的设计和试验及船舶LNG 燃料加注连接接头等。美国消防协会（NFPA）制定的防火规范、操作规程、手册、指南及标准法规等有许多被美国国家标准学会（ANSI）吸纳，制定了 LNG 安全方面的权威标准（NFPA 59A）。欧洲标准化委员会 LNG 装置和设备技术委员会负责欧洲LNG 专用标准的采标和制定（欧洲标准EN 1474），该标准对传输装置相关设备（如传输臂、传输软管等）提出了设计、安全性和功能的最低要求，规定了检查和试验程序，旨在为产品的设计、制造和试验提供技术标准，为制造厂获得产品认可提供指导，以确保传输作业安全。该标准适用于传输装置相关设备（如刚性输送臂、输送软管等）的产品设计，是传输装置相关设备本身的设计标准。行业标准主要是OCIMF（石油公司国际海运协会）和SIGTTO（国际气体船和岸站经营者协会）制定的，对管汇设备、系泊设备、产品安全运输和装卸操作方面都有详细规定，是行业内推荐的通用指南。

我国国家安全生产监督管理总局、交通运输部等部委为了加强海洋石油安全生产工作，保障从业人员生命和财产安全，制定了《国家安监总局4 号令》、《浮式生产储油装置安全规则（2010）》、《船舶载运危险货物安全监督管理规定（2018）》等政策法规。交通运输部海事局等单位制定了GB 18180—2010《液化气体船舶安全作业要求》国家标准，规定了液化气体船舶安全作业的技术和管理要求，为强制性技术标准。天津海事局等单位制定了JT/T 1200—2018 《浮式储存气化装置安全作业要求》推荐性技术标准。我国LNG 产业标准化主要参照IMO和ISO 国际标准开展，标准编制结合实际需要，以采标为主。 SY/T 7029—2016《液化天然气船对船输送作业指南》，参照国际气体船和岸站经营者协会（SIGTTO）《液化天然气船对船输送作业指南（2011）》编制。

通过对卸料传输系统适用的规范、规则、标准和行业指南梳理分析，归纳总结了该类规范标准的适用性，如表1 所示。

表1 规范标准适用性总结表

2 卸料传输方式

2.1 旁靠式刚性臂传输方式

旁靠式刚性臂外输是在FSRU 上或码头、港口上装设刚性臂及管系连接两端进行传送的方式，其操作模式为LNG 船与FSRU 或FSRU 与码头港口旁靠系泊，并排系泊在一起通过刚性臂及管系进行卸料，如图3 所示。其特点是：1）对海况的要求高，相应的作业气候窗口较短；2）由于设备本身结构的限制，对相对运动要求高，因此对传输设备匹配要求高；3）传输速度相对较快。

图3 旁靠式刚性臂外输方式

2.2 串靠式传输臂传输方式

串靠式传输臂外输方式用于能使FSRU 随风向改变方位的单点系泊系统（Single-Point Mooring，简称SPM，内设转塔）长期系泊于海上。气化后的天然气通过柔性立管输送到海底气体管路，再送到陆上终端，典型方式见图4。其特点是：1）连接终端在海上，远离陆上终端，安全性高；2）通过SPM 牢固地锚泊在海床上，恶劣海况下FSRU 可围绕其SPM 旋转，能有效减少FSRU 所受的环境载荷。因此，相对于旁靠式刚性臂外输方式，串靠式传输臂外输方式适应的海况能力更强，作业气候窗口更广。但是，目前该种卸料方式仅限于研究阶段，未有工程实施，且该方式造价特别昂贵，成熟度有待验证，目前阶段不作为推荐卸料方式。

图4 串靠式外输方式

2.3 软管传输方式

软管传输方式采用柔性低温软管与LNG 运输船进行连接卸料，可分为旁靠跨接式低温软管方式（一般用于旁靠式船船过驳，如图5 所示）及串靠漂浮式低温软管方式（一般用于串靠式外输，如图6所示）。旁靠跨接式低温软管传输方式，其特点是相关技术要求较为成熟，但易于受到相邻船体在风浪中耦合运动的影响，作业窗口期有限制。串靠漂浮式低温软管传输方式类似于传统FPSO 的逆向操作模式，即将传统的漂浮式海上输油管由漂浮式低温LNG 管系代替。串靠的优点在于船体之间没有通过系泊和靠球组成一个耦合体，避免了风浪引起的两船相对运动的影响，有利于增加作业窗口期。但是串靠方式的可行性在很大程度上取决于LNG 低温漂浮软管的技术发展，目前低温漂浮软管产品已进行了工程试应用，只是造价昂贵，经济性较差。

图5 旁靠跨接式低温软管传输方式

图6 串靠漂浮式低温软管传输方式

3 卸料传输系统

3.1 刚性臂传输系统

旁靠式刚性臂传输系统主要包括：卸料臂、液压站、电控柜，如图7 所示。卸料臂传输系统组成如图8 所示，卸料臂在高点绳轮和中部转轴箱处配备可拆卸弯头，用于在两处旋转接头出现泄漏时方便维修与更换，设有机械式复位锁紧装置，当卸料臂不进行装卸作业时，将臂锁紧在复位位置，并可防止水平方向上的风载荷。立柱是用地脚螺栓连接在现场基础上的装卸臂主要支撑件，过流管道从内部通过，此部件主要用来支撑整体装卸臂的自身重量、介质重量、偏心力矩及风载荷等，底部用法兰接口与码头管线相接。立柱顶部通过回转支撑与转轴箱相连，回转支撑的转动使装卸臂左右旋转。内臂通过支撑箱与立柱顶部相连，支撑箱上部与上绳轮相连，上绳轮旋转驱动。外臂上端与上绳轮相连，下端与三维接头相连。外臂的运动依靠外臂驱动装置实现，能够顺利与接受船集管法兰对接。三维旋转组件由3 个可拆卸旋转接头、（可配置紧急脱离装置ERC、快速联结装置QC/DC）及管件等组成，快速联结装置的法兰始终为垂直方向，以便快速地与接受船集管法兰连接。

图7 刚性臂传输系统示意图

图8 刚性臂传输系统组成示意图

卸料臂电控系统主要包括防爆电控柜、遥控装置、防爆接线盒、声光报警装置、控制电缆等，通过遥控装置或电控柜操作面板实现卸料臂的内臂摆动、外臂伸展及水平回转运动，调整三维接头的空间位置，保证装卸臂与接受船的正确对接。当卸料臂运动到各极限位置或槽船漂移至极限位置时，控制系统将发出信号，触发报警器发出声光报警，提醒操作人员及时采取措施。报警系统也可将信号传入码头中控室，便于中控室人员对码头设施进行保护控制。

卸料臂液压系统主要由液压总站、液压分站、ERS 安全阀箱（配ERC 装卸臂）、驱动装置以及液压附件等组成，液压总站设计有高/低双速驱动功能，通过电控系统的高/低速按钮转换，可以实现对卸料臂运动速度的控制，满足与接受船安全联结的需要。液压分站内装有电磁换向阀组，将液压总站送来的液压油通过换向阀的换向来控制卸料臂的动作，以及通过换向阀进行卸料臂状态的转换。卸料臂配备三套液压驱动装置，分别驱动内臂、外臂和水平旋转运动，驱动装置通过遥控装置或电控柜操作面板进行操作，以便操作人员在码头或接受船上都能控制卸料臂的运动和对接/分离操作。

3.2 软管传输方式

整个软管传输系统由：柔性低温软管、软管鞍座、快速连接接头、应急释放连接器（ERC）、软管吊及吊具、动力单元及控制单元等组成，各部件组成如图9 和图10 所示。快速连接接头的作用是在任何环境情况下都能够快速便捷地将软管与管汇连接在一起，提高操作效率。以液压驱动为例，应急释放连接器（ERC）通过软管连接液压动力装置（HPU）组成应急释放连接系统（ERS），HPU 会提供一个持续运行的液压油循环系统，以保证所有连接的ERC可以正常工作。应急释放系统同时具有远程控制模块，以便在远离HPU 的位置启动ERC 应急释放。 Y型三通连接于货物集管接头与驳运软管之间，作用是将一根大通径的货物集管接头分成两路小通径的管路。同时起到减小货物对系统冲击的作用。为了提高应急释放系统的安全性与可靠性，该系统内部配有独立的分离检测仪（VSD），检测仪的目的是为了检测驳运软管和管汇是否产生较大偏移，以及在此情况下受到拉伸载荷的影响，同时向HPU 提供启动ESD 程序的信号。

图9 软管传输系统

图10 软管传输系统部件

3.3 卸料传输方式性能对比

旁靠式刚性臂外输方式由于刚性臂自身的结构原因，其作业范围只有10 m 左右，船宽较大的FSRU，需要在两舷各设一台传输系统。由于陆上作业多为单边靠岸，刚性臂外输方式较为合适（安装在码头侧）。 FSRU 卸至陆上终端通常是常温的高压（～10 MPa）天然气，高压气体不宜采用软管输送，采用刚性臂输送更好。旁靠软管传输方式其相关技术较为成熟，适用性强，作业范围约20 m，通过转换接头和增减软管数量，可以很灵活地应对各种受注对象，但不适用于高压气体的传输。旁靠刚性臂和旁靠软管传输方式具体性能对比，参见表2。

表2 传输方式性能对比

总体而言，LNG 运输船向FSRU 装载LNG 货物以旁靠式船对船过驳方式，采用软管输送系统较为合适。 FSRU 向岸上卸料（液相或气相）采用刚性臂输送系统较为合适。

3.4 卸料传输作业安全系统

卸料传输作业安全系统由传输作业双方各自独立的LNG 货物应急切断系统（ESD）和实现船-岸、船-船应急切断功能及其他安全通信信号的连接系统（SSL）组成。

ESD 作为卸料传输作业安全系统组成之一，其核心功能是在应急状态下切断传输作业双方液态货物和气体的流动，使得整个货物装卸系统处于安全静止状态。 ESD 系统的设计和布置需要满足SIGTTO、OCIMF 以及 ISO 20519∶2017 的要求。在SIGTTO-ESD 的要求中，需要将ESD 系统设计成“ESD-1”和“ESD-2”两级。典型的 ESD-1 控制逻辑图如图11 所示，典型的ESD-2 控制逻辑图如图12所示。

图11 典型的ESD-1 控制逻辑图

图12 典型的ESD-2 控制逻辑图

船-岸以及船-船SSL 也是 LNG 船卸料传输作业安全系统的重要组成部分。船-岸之间的信号连接通过船对岸SSL 实现，船-船之间的信号连接通过船对船SSL 实现。连接系统的连接形式包括光纤连接、电气连接、气动连接。其中电气连接形式又分为Pyle-National 电气连接系统、ITT-Cannon电话连接系统、Miyaki 电气连接系统和SIGTTO 电气连接系统。目前最常用的连接方式为光纤连接方式和电气连接方式，光纤连接作为主用，电气连接作为备用。典型的船岸连接系统的连接如图13所示。