LNG运输船首次加注方案

朱永凯,石峰,梁斌,张海涛,朱崇远

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)

新建LNG运输船完工交付前[1],需要往LNG运输船的液货舱内装载一定量LNG,在设计的温度条件下进行一系列的试验,验证LNG运输船上各系统和设备的性能满足使用要求,试验合格后LNG运输船才可以交付使用。目前,LNG运输船首次加注流程[2]如下:干燥、惰化、气体置换、预冷和LNG加注。干燥是干燥空气置换液货舱内的空气,液货舱内露点降低到-20 ℃或更低。惰化是惰性气体置换液货舱内的干燥空气,液货舱露点小于-40 ℃,氧气含量小于2%。气体置换是天然气置换液货舱内的惰性气体,天然气浓度含量大于95%。预冷是LNG对液货舱进行喷淋降温。LNG加注是按照货物量需求进行LNG的加注作业。现有LNG运输船首次加注方案受到LNG接收站、LNG槽车以及LNG加注船现有条件的限制,很多问题难以解决。因此,提出一种新的LNG运输船首次加注方案,为将来LNG运输船的首次加注提供一个新的方法。

1 现有LNG运输船首次加注特点

LNG运输船首次加注的方式[3]包括:LNG接收站进行首次加注;船厂内通过LNG槽车进行首次加注;LNG加注船或加注趸船进行首次加注等。其中,LNG接收站进行首次加注的方式需满足LNG运输船和LNG接收站进行船岸兼容性分析[4]才可以在LNG接收站进行首次加注;同时存在国内LNG接收站无法提供天然气用于气体置换的难题,只能通过LNG接收站提供液化天然气,LNG通过液相管和扫舱管至船上气化器产生天然气,天然气置换液货舱内的惰性气体。特别是小型LNG运输船扫舱管直径多为1 in和2 in,气体置换过程常常出现气塞、流量小等问题,一直是困扰小型LNG运输船加注的难题,30 000 m3LNG运输船(海洋石油301)和28 000 m3LNG运输船(启元号LNG运输船)都出现过类似的问题。

采用船厂内通过LNG槽车进行首次加注[5],LNG槽车往往不具备天然气回收的能力。海事部门要求加注过程中禁止天然气排放,因此LNG槽车的方式进行加注时天然气的回收是一个难以解决的问题。

同时,目前国内用于首次加注的LNG加注船或加注趸船的能力无法满足国内LNG运输船加注的需求。

针对LNG运输船的特性,提出简化加注流程,将气体置换和预冷过程合并,LNG通过液相管和喷淋管对液货舱进行喷淋,完成液货舱的气体置换和预冷。

2 LNG运输船加注前主要工作

LNG运输船在接收站进行加注应提前做好准备工作,特别是LNG运输船首次加注尤为重要。主要工作包括LNG运输船和LNG接收站兼容性分析、LNG运输船货物系统检查、到港前准备及靠泊要求、安全检查等几个方面。

LNG运输船和LNG接收站兼容性分析是指LNG接收站与LNG船方交换船岸兼容表的信息,双方审核确认船岸兼容性。本项工作采用专业的船岸兼容性分析软件OPTIMOOR对系泊系统、登船梯、电话与无线电通讯、SSL匹配检查、管汇和卸料臂等兼容性进行分析,最终确定LNG运输船和接收站是否兼容。

LNG运输船货物系统检查保证LNG运输船首次加注过程中处于工作状态正常。检查主要有甲板水喷淋系统、灭火系统(二氧化碳灭火系统、干粉灭火系统)、液货系统所有安全阀检查、气体探测系统、液货控制&报警系统、以及LNG首次加注过程中用到的检测设备(露点仪、气体探测仪等)。

LNG运输船出发前往接收站前,将LNG船舶将Optimoor系泊分析报告提供给码头,并经接收站核实船岸系缆数据的完整性后,船方才能按照此系缆方案进行安全系缆。在到港前按时应向LNG接收站更新预计抵港时间。在抵港前24 h内,若预计抵港时间有超过2 h的任何变化都要另行通知有关各方。同时,须考虑泊位档期环境、航行和引航、系缆等方面内容。

安全检查是LNG接收站人员登船后,联合和LNG运输船船员进行的安全检查。按照LNG接收站提供检查表进行检查,包括表中要求的定期复查。

3 LNG运输船首次加注方案

通过对LNG运输船首次加注的程序进行分析,提出用LNG对液货舱进行喷淋,达到液货舱预冷的目的,同时利用喷淋过程中产生的天然气,置换液货舱内氮气,将气体置换和预冷步骤合并,可简化作业流程,避免气体置换过程中发生气塞、流量小等问题,操作简便、经济性高、安全可靠。

简化后LNG运输船首次加注流程为:干燥和惰化、预冷和LNG加注。结合实施案例和附图,对本方案的技术和方法进行详细描述,以下案例和附图用于说明本方案的构成。

1)步骤一。在LNG加注前对LNG运输船的液货舱进行干燥、惰化处理。为保证步骤液货舱(预冷和气体置换合并),需将液货舱内氧气含量降低到小于2%,露点小于-50 ℃。本步骤具体设备与操作原理见图1,船上氮气发生装置提供的干燥氮气从液货舱顶部进入,利用活塞效应(氮气的密度比空气的密度小),置换液货舱内的空气,空气从舱底排出,通过透气桅排空。

图1 LNG运输船液货舱的干燥、惰化

2)步骤二。LNG加注前,需对液货舱进行气体置换和预冷,气体置换是为了避免货物中存在氮气,影响燃烧效率,预冷是避免液货舱温度急剧变化,损坏液货舱的钢板或绝缘,保证液货舱的安全性。本步骤具体设备与操作原理见图2,LNG接收站提供液化天然气(LNG),LNG依次通过液相管、喷淋管到达液货舱顶部,对液货舱进行喷淋,达到液货舱预冷的目的。同时,利用喷淋过程中产生的天然气,置换液货舱内氮气,天然气和氮气的混合气体通过气相管返回LNG接收站进行焚烧处理。

图2 LNG运输船液货舱的预冷及气体置换

预冷作业时,LNG运输船的液货舱允许冷却温度梯度小于-10 ℃/h。气体置换、预冷结束时,要求液货舱内天然气浓度含量大于95%,液货舱内舱底温度小于-140 ℃、舱顶小于-120 ℃。

3)步骤三。LNG加注量为气体航行试验所需LNG用量。本步骤具体设备与操作原理见图3,LNG接收站提供液化天然气,经液相管注入液货舱底部,加注过程中产生的天然气经气相管返岸处理。

图3 LNG运输船的LNG加注

4)步骤四。LNG加注完成后断开加注管线前,需完成LNG加注管线的吹扫和惰化。首先将液相管线内的LNG吹扫返回LNG接收站或者LNG运输船液货舱内,通常做法是将LNG驱赶至LNG运输船一侧。接下来是对液相管和气相管路的惰化,吹扫的氮气可以来自LNG接收站或者LNG运输船,完成管路的惰化。

4 LNG运输船首次加注方案对比

以30 000 m3LNG运输船为例,天然气进行液货舱的气体置换所需LNG量为舱容的1.5倍预估,LNG用量约为30 t,所需时间为30 h;LNG对液货舱预冷所需LNG量根据液货舱钢板的重量,以及LNG的汽化潜热进行计算,LNG用量约为240 t,时间为20 h,按照原方式液货舱的气体置换和预冷分开进行所需LNG总量约为270 t,时间约为50 h。优化后将液货舱气体置换和预冷同时进行的LNG加注方法,所需LNG总量约为240 t,时间约为50 h。因此,通过流程优化,可减少LNG用量约30 t,节约作业时间约20 h。

5 结论

提出一种LNG运输船首次加注方案,将LNG运输船首次加注流程由干燥和惰化、气体置换、预冷和LNG加注,简化为干燥和惰化、预冷和LNG加注。将气体置换和预冷过程合并,LNG通过液相管和喷淋管对液货舱进行喷淋,完成液货舱的气体置换和预冷。简化了加注流程,具有操作简单、安全可靠的特点,达到节约LNG的用量,减少作业时间的目的。

最近,针对LNG运输船和LNG燃料船首次加注与LNG接收站不兼容的难题,船厂提出利用LNG槽车进行首次加注的方式,该种方式存在天然气无法回收的问题。同时,海事局和中国船级社已有相关法律法规出台,但标准化还处于起步阶段,法律法规制定综合考虑安全、环保等方面要求,同时需要兼顾技术可行性,实施的经济性等方面。因此,LNG槽车为LNG运输船提供首次加注是下一步研究的重点工作。