LNG船对船加注与装卸货同步作业风险分析

孔祥宇, 焦文玲, 丛德文 , 王建华 , 冯立德

(1.哈尔滨工业大学建筑学院寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,黑龙江哈尔滨150090;2.中国石油天然气股份有限公司天然气销售广东分公司,广东广州510220;3.中国石油天然气股份有限公司天然气销售分公司,北京100101)

1 概述

国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)宣布于2020年1月1日起实施限硫令,要求全球范围内船用燃油含硫量不得超过0.5%,并制定了到2050年将温室气体排放减半的阶段目标,这标志着全球海运业正式进入“低硫、低碳”时代。液化天然气作为船用可持续发展清洁能源,可各方面均满足国际船舶排放控制要求,是实现“双碳”目标的重要保障手段。国际航运权威机构预测,到2025年国际LNG动力船舶将达到3 000艘左右,全球船舶订单中将有60.3%的新造船采用LNG动力[1-2]。

现阶段为LNG动力船加注燃料主要方式为槽车加注、岸站加注、船对船加注。其中船对船加注可提供更为高效、及时和规模化的加注服务。目前,104箱级受注船、大型矿砂船、超大型油轮等大型远洋船舶大多采用船对船加注。为了减少靠港口靠泊时间,需要在燃料加注的同时进行货物的装卸操作,即同步作业。一旦加注过程中发生LNG泄漏,产生可燃气,气体扩散至同步作业区域将会被作业所产生的静电、火花等点燃,存在火灾爆炸风险[3-4]。

以深圳盐田国际港区16号码头为作业码头,以新奥普陀号8 500 m3LNG加注船(简称加注船)和法国达飞14800TEU系列LNG受注船(简称受注船)为研究对象,基于FLACS软件求解加注船和受注船同步作业过程的泄漏后果,定量分析软管破裂和法兰接头处泄漏等典型高风险场景,获取蒸气云在受注船压载和满载工况下的扩散范围,据此划定安全操作范围,为加注船同步作业安全区域划分提供重要的技术指导和数据支撑。

2 仿真模型与网格划分

加注船与受注船的主要参数见表1。基于加注船和受注船的主要参数,采用FLACS软件建立加注船、受注船三维模型,分别见图1、2。图2中受注船三维模型右侧为船头,左侧为船尾,加注船与受注船同向,两船净距4 m。两船间软管连接三维模型见图3。图2中,BAY2—BAY86为受注船集装箱具体位置,用贝位表示。其中,BAY2—BAY22为艏楼前贝位,BAY26为加注站所在贝位,BAY26—BAY70为艏楼艉楼间贝位,BAY74—BAY86为艉楼后贝位。盐田港有大型集装箱深水泊位16个,自大鹏湾口至盐田港区进港航道全长约26 km,航道水深17.4 m,航道宽度400 m,基于FLACS建立盐田港二期三维模型见图4。

表1 加注船与受注船的主要参数

图1 加注船三维模型(软件截图)

图2 受注船三维模型(软件截图)

图3 两船间软管连接三维模型(软件截图)

图4 盐田港二期三维模型(软件截图)

采用FLACS软件对作业过程的泄漏过程气相或液相可能扩散区域进行网格划分,将泄漏区域作为核心区域,依据各工况泄漏位置分别设置核心区域、扩展区域。核心区域尺寸约为4 m×4 m×4 m,扩展区域尺寸约为600 m×100 m×80 m。为同时保证计算速度和计算精度,以核心区域的网格边长作为变量,进行网格敏感性试算,结果表明核心区域的网格边长为0.5 m时,网格符合。由于核心区域网格边长均大于泄漏口半径,故泄漏采用虚拟喷口技术以保证计算精度,核心区域与扩展区域采用Smooth功能过渡,比例系数为1.2,扩展区域最大网格边长为5 m。网格划分见图5。

图5 网格划分(软件截图)

3 场景设定

采用计算流体力学软件FLACS,选取气相软管泄漏、液相软管泄漏、加注船加注站法兰接头泄漏、受注船加注站法兰接头泄漏(液相)4种场景进行泄漏后果定量分析。分析受注船压载工况(简称压载工况)、受注船满载工况(简称满载工况)蒸气云扩散范围。

各泄漏场景的参数如下。

① 泄漏时间

气相软管、液相软管及相关接头规格均为DN 200 mm,传输压力控制在1 MPa以内,应急切断(Emergency Shut Down)系统响应时间取30 s,气体泄漏探测时间取30 s,累计泄漏时间为60 s。

② 扩散边界

依据GB/T 20368—2021《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》、 中国船级社《油气定量风险评估指南(2020版)》、中国船级社《液化天然气燃料加注作业指南(2021版)》、NFPA59A—2021《液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准》(Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas )等,选取甲烷体积分数为2.5%作为蒸气云扩散边界。

③ 泄漏口直径

根据GB/T 26610.4—2022《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第4部分:失效可能性定量分析方法》、英国健康安全执行局(Health and Safety Executive)数据库、国际油气生产者协会(International Association of Oil &Gas Producers)数据库等,软管泄漏时,泄漏口直径取软管直径的10%,即20 mm,法兰接头泄漏时,泄漏口直径取30 mm。

父母们以为最大限度尊重孩子的意志，就是制造了民主的家庭氛围，事实上很容易走向极端，制造出专制的氛围。孩子成为本质上的独裁者。孩子一哭，全家就得启动紧张模式，分工合作满足孩子当下需求；孩子要睡觉，全家就得保持安静；孩子怕热，全家就得跟着开空调，冷也得乖乖忍着；孩子爱看动画片，全家就得低龄化，每天守着喜羊羊和灰太狼傻笑。

④ 泄漏工质组成

泄漏工质按纯甲烷考虑。

⑤ 泄漏时环境情况

环境温度15 ℃,环境压力101 kPa,泄漏压力1 MPa。模拟考虑风向为16个方向,根据风玫瑰图设定风向。具体风向风速设定见表2。

气相泄漏模拟时,考虑6个泄漏方向(垂直向上、垂直向下、水平向左、水平向右、垂直船侧外板、负向垂直船侧外板),同时考虑风向和泄漏方向后,以泄漏开始为0时刻,泄漏时间为60 s,共模拟96个工况,将96个工况进行叠加,得出蒸气云最大扩散范围。

液相泄漏模拟时,考虑1个泄漏方向(垂直向下)。同时考虑风向和泄漏方向后,以泄漏开始为0时刻,泄漏时间为60 s,共模拟16个工况,将16个工况进行叠加,得出蒸气云最大扩散范围。

表2 风向风速设定

4 泄漏后果定量分析

分析泄漏后果时,4种场景均考虑风玫瑰图中16个风向的风速。

4.1 气相软管泄漏

气相软管泄漏位置见图6。气相软管泄漏方向考虑相对于泄漏口处垂直向上、垂直向下、水平向左、水平向右、垂直船侧外板、负向垂直船侧外板6个泄漏方向。气相软管泄漏压载工况、满载工况模拟结果分别见图7、8。

图6 气相软管泄漏位置(软件截图)

图7 气相软管泄漏压载工况模拟结果(软件截图)

图8 气相软管泄漏满载工况模拟结果(软件截图)

由图7可知,压载工况下,由于受注船吃水较浅,两船高差较大,蒸气云一部分蔓延至加注船甲板上,少量蔓延至受注船甲板上,最深蔓延至受注船BAY26(加注站所在贝位)处向内6个箱位以及BAY30(加注站后1贝位)处向内3个箱位。蒸气云最大扩散范围为船长方向87 m,船宽方向31 m。

4.2 液相软管泄漏

液相软管泄漏位置见图9。LNG泄漏方向为垂直向下,液相软管泄漏压载工况、满载工况模拟结果分别见图10、11。

图9 液相软管泄漏位置(软件截图)

图10 液相软管泄漏压载工况模拟结果(软件截图)

图11 液相软管泄漏满载工况模拟结果(软件截图)

由图10可以看出,压载工况下,由于受注船吃水较浅,两船高差较大,故泄漏的蒸气云全部在加注船侧积聚,未蔓延至受注船甲板上。蒸气云最大扩散范围为船长方向230 m,船宽方向30 m。

由图11可以看出,满载工况下,液相软管发生破损,泄漏的LNG会与水进行强烈的换热,产生大量的天然气,形成蒸气云。蒸气云沿着两船夹道内扩散,并蔓延至加注船甲板上,未能波及受注船甲板上。蒸气云最大扩散范围为船长方向227 m,船宽方向30 m。

4.3 加注船加注站法兰接头泄漏

加注船加注站法兰接头泄漏位置见图12。LNG泄漏方向为垂直向下。加注船加注站法兰接头泄漏压载工况、满载工况模拟结果分别见图13、14。

图12 加注船加注站法兰接头泄漏位置(软件截图)

图13 加注船加注站法兰接头泄漏压载工况模拟结果(软件截图)

图14 加注船加注站法兰接头泄漏满载工况模拟结果(软件截图)

由图13可知,压载工况下,由于受注船吃水较浅,两船高差较大,蒸气云全部在加注船侧积聚,未蔓延至受注船甲板。蒸气云最大扩散范围为船长方向219 m,船宽方向25.5 m。

由图14可知,满载工况下,加注船加注站法兰接头发生泄漏,泄漏形成的蒸气云会沿两船夹道内扩散,且少量蔓延至加注船甲板上,未能波及受注船甲板上。蒸气云最大扩散范围为船长方向330 m,船宽方向25.5 m。

综合对比压载工况和满载工况,加注船侧蒸气云扩散范围存在显著差异。这是由于两船高差改变后,导致局部风场、风剪切(风速在空间中的分布)等发生了变化,从而影响了蒸气云扩散范围。

4.4 受注船加注站法兰接头泄漏

受注船加注站法兰接头泄漏位置见图15。LNG泄漏方向为垂直向下。受注船加注站法兰接头泄漏压载工况、满载工况模拟结果分别见图16、17。

图15 受注船加注站法兰接头泄漏位置(软件截图)

图16 受注船加注站法兰接头泄漏压载工况模拟结果(软件截图)

图17 受注船加注站法兰接头泄漏满载工况模拟结果(软件截图)

由图16可知,压载工况下受注船加注站法兰接头泄漏后,泄漏的LNG会大量蒸发产生天然气,形成蒸气云。蒸气云蔓延至受注船甲板,同时蔓延至两船夹道内及加注船甲板上。蒸气云最大扩散范围为船长方向185 m,船宽方向76 m。

由图17可知,满载工况下受注船加注站法兰接头泄漏后,在受注船侧,蒸气云会蔓延至集装箱甲板上,在加注船侧,少量蔓延至加注船甲板上,其余蒸气云蔓延至两船夹道内及加注船船头的水面方向。蒸气云最大扩散范围为船长方向223 m,船宽方向90 m。

5 结论

① 气相软管泄漏受注船压载工况,蒸气云最大扩散范围为87 m×31 m;受注船满载工况,蒸气云最大扩散范围为127 m×21 m。

② 液相软管泄漏受注船压载工况,蒸气云最大扩散范围为230 m×30 m;受注船满载工况,蒸气云最大扩散范围为227 m×30 m。

③ 加注船加注站法兰接头泄漏受注船压载工况,蒸气云最大扩散范围为219.0 m×25.5 m;受注船满载工况,蒸气云最大扩散范围为330.0 m×25.5 m。

④ 受注船加注站法兰接头泄漏受注船压载工况,蒸气云最大扩散范围为185 m×76 m;受注船满载工况,蒸气云最大扩散范围为223 m×90 m。