LNG船对船加注系统设计

2022-10-10刘辰童

天津科技 2022年9期

张波，周毅，李萌，梁斌，刘辰童

(中海油能源发展采油服务公司天津 300452)

LNG 作为一种清洁能源，在安全性、经济性和环保性等方面具有明显优势，已成为世界公认的未来船舶能源的首选[1]。随着LNG 燃料船数量的增加，对LNG 燃料加注船的需求也在不断增加。赵亚彬等[2]研究了内河LNG 动力船加注方案；詹熳宁等[3]确定了船对船LNG 加注系统中LNG 液货罐选型、液货泵选型、液货装卸管系及连接装置选型，完成了7000 m3LNG 加注船加注系统设计；陈海等[4]研究了大型双燃料集装箱船LNG 船对船加注关键技术及安全管理；蒯晶晶等[5]设计了双燃料大型集装箱船LNG 加注系统，实现了大型双燃料船LNG 燃料加注。刘元库[6]设计了一种LNG 加注系统，并对LNG管道绝热技术、绝热结构进行了研究。

由于海上风浪大，针对加注船与受注船之间相对晃动程度大，易给加注作业带来安全隐患，本文设计了一种LNG 船对船加注系统，通过软管吊吊送+软管连接方式实现LNG 加注终端及LNG 受注终端间的柔性连接，并通过拉断阀+干式快接设计配置满足海上浮式安全、高效加注的要求。

1 加注系统方案设计

现阶段全球用于浮式加注的方式主要分为加注臂对接、软管对接、吊架及软管对接和软管托架对接4 类，鉴于浮式加注主要应用于海上作业且易受环境影响，使用软管加注可有效降低海上加注过程中船舶晃动带来的作业安全隐患，且考虑到海上加注操作的便捷性，本文设计的LNG 加注系统由软管吊、加注系统管路总成、软管总成、远程管控系统等组成，其中软管吊、加注系统管路总成由本地控制系统操控，同时将运动、位置、压力、温度、流量等工作状态信息传输至控制室进行远程管控。软管吊和加注系统管路总成位置和尺寸参数根据具体船型调整，软管总成通过法兰和加注系统管路总成输出端液/气相法兰连接，软管总成由LNG 专用软管、安全拉断阀、快速接头等组成。加注系统总体方案如图1 所示。

图1 加注系统总体方案Fig.1 Overall scheme of bunkering system

1.1 软管吊设计

软管吊由立柱、液压站、旋转座、操作台、变幅油缸、液压绞车、钢丝绳、一节臂、二节臂、三节臂、吊钩、初始位置支撑柱等组成。软管吊采用二级伸缩形式，以节省安装空间，同时满足工作位置要求，如图2所示，其技术参数如表1 所示。

图2 软管吊Fig.2 Hose crane

表1 软管吊技术参数表Tab.1 Technical parameters of hose crane

1.2 加注系统管路总成设计

加注系统管路总成由撬装框架、加注系统和电气系统组成，加注系统管线集成安装在撬装框架上。加注系统管路总成如图3 所示，其主要技术参数如表2所示。

图3 加注系统管路总成Fig.3 Piping assembly of bunkering system

表2 加注系统管路总成技术参数表Tab.2 Technical parameters of piping assembly of bunkering system

1.3 软管总成设计

软管总成由复合软管、软管吊挂、拉断阀、快速接头等组成。采用绳索式拉断阀提前设定安全工作范围，当两船间距离大于安全工作范围时将触发拉断阀，以实现两船间安全可靠分离。软管总成一端通过法兰与管路总成连接，另一端通过快速接头与受注船连接。软管总成如图4 所示，技术参数如表3 所示。

图4 软管总成Fig.4 Hose assembly

表3 软管总成技术参数表Tab.3 Technical parameters of hose assembly

2 加注系统工艺流程和加注作业步骤

2.1 LNG 船对船加注流程

①加注方管线预冷，预冷温度至-110 ℃，降低管线及LNG 潜液泵所受的低温应力冲击。

②连接加注管线。

③加注软管及管线氮气吹扫，吹扫管线中的空气、水分等杂质，保证加注环境的清洁与安全。

④加注软管及管线NG 置换，进行气体置换，保证加注纯净。

⑤开启加注，进行小流量加注，受注罐顶部预冷喷淋，充分降温稳压。

⑥进行正常大流量加注，调节低温泵变频参数，进行全流速作业。

⑦NG 吹扫管线内残余LNG。

⑧氮气惰化管线。

⑨移除加注管线。

根据加注工艺流程完成系统工艺图设计，如图5所示。

图5 加注系统工艺流程图Fig.5 Process flow chart of bunkering system

2.2 加注作业步骤

初始状态下加注系统中潜液泵及各开关阀状态如表4 所示，开关阀变化详见图6。

图6 加注系统工艺图Fig.6 Process diagram of bunkering system

表4 系统初始状态开关阀状态一览表Tab.4 Statistics of on-off valve status in initial state of system

①加注方管线预冷：打开气动阀13 和气动阀14，对加注方管路进行预冷，降低管线及LNG 潜液泵所受的低温应力冲击。

②加注软管及管线氮气吹扫：加注船与受注船通过软管连接后打开截止阀10、调节阀5、截止阀4、截止阀6、截止阀21、截止阀22，开始加注软管及管线氮气吹扫，吹扫管线中的空气、水分等杂质，保证加注环境的清洁与安全。

③加注软管及管线NG 置换：关闭截止阀10，打开截止阀11，进行管路NG 置换，保证加注纯净。

④开启小流量加注，受注罐预冷喷淋：关闭截止阀11、截止阀4、截止阀6、截止阀21、截止阀22、气动阀14，打开截止阀17、气动调节阀1、气动关断阀2、截止阀3、截止阀24、截止阀19、截止阀23、截止阀7、气动关断阀8、截止阀18，启动潜液泵，进行小流量加注，受注罐顶部预冷喷淋，使整个加注管路系统充分降温稳压。

⑤全流速作业：增大气动调节阀1 开度，打开截止阀20，开始全流速加注作业。

⑥NG 吹扫管线内残余LNG：关闭潜液泵，关闭气动阀13、气动阀14、截止阀3、截止阀20，打开截止阀4、截止阀11，进行管线内残余LNG 的NG吹扫。

⑦氮气惰化管线：关闭截止阀7、截止阀23、截止阀24、截止阀18、截止阀11，打开截止阀6、截止阀21、截止阀22、截止阀10，进行管线氮气惰化，惰化后移除管线，完成加注。

3 试验测试

根据船对船加注系统设计方案和工艺流程建造了加注系统样机，包括软管吊、加注系统管路总成和软管总成，加注系统样机如图7 所示。

图7 加注系统样机Fig.7 Prototype of bunkering system

对加注系统进行试验测试，使用2 套试验平台分别模拟加注船与受注船，并将加注系统样机和受注船接口分别安置于2 个平台上。在加注系统试验中先进行加注对接测试，利用试验平台模拟海上加注过程中两船受海浪、海风等因素导致的相对位置变化，通过人机交互系统观测智能软管吊作业中回转速度、回转角度、上下位移和超限等数据，以及避撞预警信息，并通过最终对接的完成情况整体判断加注系统对接性能；再对加注过程安全监测和紧急拉断进行测试，通过监控系统观测加注管路内部温度、压力和流速数据及船间距实时检测信息，并模拟紧急情况检测紧急拉断功能，最终完成对海上浮式加注系统的精确性、稳定性和安全性测试。

试验结果表明该加注系统满足船对船LNG 加注要求，主要测试和设计指标对比如表5 所示。