小型LNG運輸船貨物系統作業流程

周志峰 張 艷

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前言

小型LNG船通常用于近海及內河運輸液化天然氣，運行于國內航線，其總艙容一般處于2 500～40 000m3之間［1］。如需要，較大艙容的小型LNG船也可加入短程的國際航線，用于進口液化天然氣，作為大型LNG運輸船的補充。C型獨立式液貨圍護系統基于其設計制造工藝簡單的優點，可能將成為小型LNG運輸船液貨艙的較優選擇。相對于當今主流的、適用于大型LNG運輸船的薄膜式和B型獨立式液貨圍護系統而言，C型獨立式液貨圍護系統有其自身的特點，如無需次屏蔽，液艙設計壓力較高等。不同型式的LNG液貨艙對應有不同的特殊貨物處理系統。貨物處理系統的設計除了要滿足IGC等規則與船級社規范對系統安全與防污染要求外，還應滿足船東在船舶營運中對裝卸貨、海上航行、局部檢修、進出塢、緊急處理和其他非常規操作等所有作業工況的要求。因此，要設計好貨物處理系統，深入探討小型LNG船特有的貨物系統的作業流程是非常重要的前提。下面初步探討基于C型獨立式液貨圍護系統的LNG運輸船的貨物操作流程。

1 小型LNG船作業流程圖

IGC規則對C型液貨圍護系統的定義：系指符合壓力容器標準，且設計蒸氣壓力不小于本規則要求的計算所得之值的液貨艙，屬于獨立式液貨艙，無需次屏壁。圖 1（a）、圖 1（b）為 C 型獨立式液貨艙的典型橫剖面圖。

圖1 C型獨立式液貨艙

LNG船的基本作業流程可分為兩種操作模式：進出塢操作和正常運行操作。如圖2。

圖2 貨物系統作業流程圖

2 貨物系統作業流程分析

2.1 出塢裝貨前操作

2.1.1 貨艙處所干燥

按IGC規則，C型獨立液貨艙的周圍處所，應充填適當的干燥惰性氣體或干燥空氣，并應用船上惰性氣體系統或貯存的惰性氣體提供補充的惰性氣體或用合適的干燥空氣設備提供的干燥空氣，以保持貨艙處所的環境。其主要目的是為了防止在船舶正常運營期間，在液貨艙周圍處所產生冷凝水滲入隔熱層而導致冷橋［1］。此處的環境控制包括兩個作業階段。第一階段為船舶建造后或定期檢查等開啟作業后，在裝貨之前需要使貨艙處所充分干燥。通常的方法為利用船廠的風機和加熱器提供高溫干燥的空氣，對貨艙處所進行長時間的通風換氣，以去除艙內的空氣中的水分。接著，利用船上氮氣發生器的空壓機和干燥器，向艙內注入低露點的干燥空氣，因船上配置的空壓機容量一般較小，此方法耗費的時間較長。一般此處的空氣露點需降至-45℃或者更低。第二階段為貨艙處所干燥空氣的保持。在首次空氣干燥后，貨艙處所應始終保持微正壓，阻止外部潮濕空氣的侵入，因此每個獨立貨艙處所將設置一個壓力/真空閥。另外還需設置一根自動補氣管路，向艙內補充低露點（-45℃）的干燥空氣，以保證貨艙處所不出現負壓狀態，維持結構安全性。另外，干燥的環境也能避免鋼結構遭受酸性物質的侵蝕。

2.1.2 干燥

在裝載LNG之前必須對液貨艙進行干燥。干燥：用低露點的空氣或惰性氣體，去除液貨艙的水汽，以保證在裝入低溫液貨時不會出現水合物或結成冰，從而堵塞貨物系統的設備、閥件和管道。由于液貨艙體積較大，即使空氣中的含水率很低，其總量也是相當可觀的：對于一艘30 000m3艙容的LNG船舶，按不同的外部環境，其含有的水量可達到100～400 kg。為了去除這些凝水，通常需要將液貨艙內大氣環境的露點降至-45℃以下。通常的干燥作業：由裝貨港向貨艙提供大排量的的干燥空氣以置換液貨艙內原來的濕空氣，達到艙內的絕對干燥。

2.1.3 惰化

惰化：在裝貨前，液貨艙、貨物管路等貨物處理系統內是充滿干燥空氣的，為防止可燃貨物蒸氣與空氣形成爆炸性混合氣體，必須用加入惰性氣體的方法降低貨物處理系統內的氣體含氧量。天然氣在空氣爆炸極限為：5%～15%（體積比）?？紤]到貨物處理系統的結構復雜性，氣體分布的不均勻性，儀表測量的誤差性，通常需要將液貨艙氣體的含氧量降至1.5%～2%或以下［1］。干燥和惰化作業通常來說是同時進行的。對于小型LNG船來說，船上通常不設置大容量的惰性氣體發生裝置，僅設置小排量的氮氣發生器，主要用于液貨系統管路的吹掃與貨物系統相關設備的惰化。用于液貨艙干燥惰化的大量干燥的氮氣通常來自岸上，即裝貨港。裝貨港會提供純度為95%以上的低露點（如-60℃）的氮氣，通過船上的裝貨管路進入液貨艙底部，被置換的艙內空氣經透氣管排入大氣，直至艙內的大氣環境達到需要的含氧量要求和干燥度要求，即完成惰化作業。

2.1.4 充氣

充氣：使用來自岸上的天然氣蒸發氣置換液貨艙內的氮氣。經船上的蒸氣管從液貨艙頂部進入液貨艙，艙內氮氣經艙底部液貨裝載管排出，氮氣與蒸氣的混合物從透氣桅桿排出或排岸。為保證天然氣與氮氣能夠保持一個良好分層，控制天然氣進入速率非常重要的，因為穩定的分層可以得到較好的置換效果，從而減少充氣作業的時間。直到液貨艙內的甲烷含量達到88%或透氣桅上甲烷含量達到5%，即可認為充氣作業完成。實際上，本充氣也可認為是預冷的前期步驟。

2.1.5 預冷

液化天然氣在常壓時的沸點為111.63 K，當液態天然氣裝入液貨艙和管系時，如果液貨艙和管系內的壓力低于液貨的飽和蒸氣壓力或溫度高于液貨在該壓力下相應的沸點，這些液貨就會立即大量氣化并處于沸騰狀態。大量液體貨物急劇氣化，就會從與其相接觸的材料中迅速吸收氣化潛熱，但這些材料本身熱量傳輸有一個滯后過程，將在這些結構材料的內部形成較大的溫差并引起材料收縮。局部的收縮會使材料內部產生過大的熱應力，甚至可能使結構材料產生裂縫損壞。液體大量氣化時，若液體氣化速度大于船岸之間蒸氣回收的能力，將導致貨艙內蒸氣壓力的迅速升高并可能超過壓力釋放閥的調定值，引起貨物蒸氣從透氣桅排出，這在港內是不允許的。為了防止貨艙和管系產生過度的熱應力，避免貨物進入貨艙時出現閃蒸現象，在裝貨前必須使它們的溫度逐漸降低，直至接近裝貨溫度。這一使貨物系統溫度逐漸降低的過程即為預冷。這一作業一般是使用來自岸上的低溫貨物氣體接入艙內，以取代充氣作業結束后留存在艙內的天然氣，接著接入岸上液態貨物，通過液相管從貨艙內頂部的液貨噴淋管以霧狀噴入液貨艙內，液貨在艙內迅速氣化吸熱，利用液貨的氣化潛熱來冷卻貨艙。按貨艙內的壓力和溫度變化相應控制噴淋的速度，液相貨物氣化產生的蒸氣通過氣相管回流至岸上。預冷作業需持續到在貨艙底部形成一層薄的穩定液貨，艙內蒸氣溫度達到-130℃左右時［1］，可認為預冷作業完成。需要注意的是，預冷的速度必須嚴格控制，以防止貨艙產生過大的熱應力。

2.2 正常裝卸貨航行操作

2.2.1 裝貨作業

裝貨時，岸上LNG貨物從裝卸臂經船上液相管直接輸入至貨艙底部裝艙管，還分流一部分液貨至艙內的液貨噴淋管噴灑以均衡蒸發率和減少艙頂到艙底之間的溫度梯度，同時使液貨艙內部分貨物蒸氣凝結，以控制裝貨時液貨艙內壓力的升高。隨艙內液位的升高，需要將被液體置換的蒸氣及蒸發產生的蒸氣通過氣相管回送至岸上。對于C型獨立式液貨艙，由于為比薄膜式艙承壓高的壓力艙，蒸氣可直接由艙內壓力的升高壓送回岸上。裝貨開始階段液貨必須緩慢裝入，并且應監視液貨艙的壓力、溫度變化。待壓力、溫度穩定后再逐漸提高裝貨速度至正常水平。整個裝貨期間必須定期檢查液貨艙的壓力、溫度和液位是否在允許的范圍內。無論如何均不能讓壓力釋放閥起跳，當保持艙內正常壓力有困難時，應立刻減緩裝貨速度，必要時停止裝貨。裝貨作業結束前 15～30min［1］，應加強與岸站聯系，降低裝貨速度，直至液貨艙裝到預定液位。按IGC規定，任何液貨艙的充裝極限不得超過基準溫度下的98%［2］。全部液貨艙裝載完畢后，需進行掃線作業，將甲板管路中的液體排放回液貨艙內。掃線作業通常使用由船上的氮氣發生器提供的氮氣對液相管和氣相管路進行清掃，以去除管路內留存的液相與氣相天然氣，同時惰化甲板管路。

2.2.2 裝貨航行

在裝貨航行中，主要的貨物操作就是貨艙內蒸發氣壓力確保在整個航行周期內，艙內壓力始終低于壓力釋放閥的設定值。對于小型LNG船，蒸發氣日蒸發率一般控制在低于總艙容的0.3%。如何處理由于航行過程中外界熱量侵入而產生的蒸發氣，可以說是LNG運輸船設計的重中之重。通常的做法是設置雙燃料發動機，在航行過程中直接將多余的蒸發氣作為燃料，轉換為船舶的推進動力。相對于裝設昂貴的再液化裝置和專用氣體燃燒裝置，把蒸發氣直接用于船舶燃料是一種既節能環保又經濟的方法。此方法也被現在大多數LNG運輸船所采用。

2.2.3 卸貨作業

卸貨作業通常是由設置在每個液貨艙內的深井式液貨泵來完成。卸貨前需要對貨物管路系統預冷，以防止管路由于較大的溫度變化而產生不利的熱應力。在卸貨過程中，由于艙內液位的下降，液貨蒸發氣化的速度跟不上氣相空間擴張速度，艙內壓力會降低，這時必須需要有額外的蒸氣回流艙內，以保證艙內處于正壓狀態。通常的做法是岸上回流蒸氣至貨艙。如果岸上無法提供回流蒸氣時，而船上貨艙內的液貨蒸發速度又不足以平衡貨物卸出量時，也可分流部分液貨至強制蒸發器，來產生蒸氣，回流至卸貨艙內以平衡壓力。此時的卸貨速度必須與船上配置的強制蒸發器的能力相匹配，避免使貨艙產生負壓。在卸貨結束時，并不是將所有的液貨都卸光的。為確保在壓載航行時保持罐體內壓，壓載到港前的貨艙冷卻及產生足夠蒸發氣作為船舶推進燃料使用等，而是要留有一定數量的液貨，留存量的多少隨航行距離及其他條件而異，約為滿載貨物容量的1.5%～4.0%。主要影響因數有：壓載航行狀態下的日蒸發率，即貨艙的絕熱程度；壓載航行至到港裝貨的時間；船舶推進燃料的消耗率；貨艙噴淋冷卻所需的液貨數量；燃料經濟性，LNG與燃油的價格比。最終合理的貨物留存量需在運營中逐步修正確定。

2.2.4 壓載航行

壓載航行時主要的貨物操作是貨艙氣相層的壓力控制和艙體的溫度控制。當液貨艙底部留有液貨，將產生上下溫度差，其溫度分布為，底部為液體溫度（-160℃），頂部為-60～30℃。通常在航行到港前幾天，要進行貨艙冷卻作業，通常需由留有貨物的貨艙內液貨泵運行，經甲板上縱向液貨管至每個貨艙噴淋管，進行噴淋作業，以達到降低艙內溫度，均衡溫度場的目的。另外還需檢查及試驗各相關管系閥件、ESD閥、遙控遙測裝置的操作可靠性。

2.3 卸貨進塢前操作

進塢前的作業可以說是出塢裝貨前作業的逆操作，首先是必須卸光貨艙內的所有貨物，而后再進行以下步驟的作業。

2.3.1 掃艙

掃艙：使液貨艙內的殘留液體清除至最少，否則液貨艙內殘液會不斷蒸發氣化而影響后續作業的效率。對于LNG運輸船來說通常使用液貨泵來卸掉殘留液貨，通過調整船舶的縱傾和橫傾狀態使艙內液貨盡可能集中至液貨泵吸入井內，同時反復幾次調節泵出口閥的開度，使泵起停幾次，把艙內液貨掃至最少。

2.3.2 暖艙

暖艙的主要目的是使貨艙溫度上升至惰化用氣體露點以上，同時使艙內的液相天然氣完全蒸發。一般是將熱天然氣通過液相裝載管送入貨艙內來進行的，同時通過氣相回收管將艙內原有蒸氣送回岸上，此時需時刻監測艙內溫度和壓力，以控制熱天然氣輸入的速度，防止艙內壓力大于安全釋放閥的設定點。熱天然氣通?？蓙碜园渡?，也可由船上壓縮機中間冷卻/加熱器或后冷卻/加熱器產生，其不足處為暖艙速度受制于加熱器的能力。暖艙的目標溫度，通常需達到下步惰化作業氣體的露點以上，一般是將艙內的溫度升高到0℃作為目標。

2.3.3 惰化

與前述裝貨前惰化干燥作業相似，目的同樣是避免液艙內產生可燃性混合氣體。該項作業是從液貨艙內充滿貨物蒸氣開始，來自岸上的氮氣通過液相管充入貨艙置換貨物蒸氣，持續到貨物蒸氣的濃度足夠低，通常為 2%（體積比）以下［1］。

2.3.4 驅氣

貨艙惰化合格后，為了檢修的需要，人員需進入貨艙，就需要使用干空氣來置換掉貨艙內的惰性氣體。由岸上提供干空氣對液貨艙進行持續通風，直至貨艙內的含氧量達到21%，可燃氣體含量為爆炸下限的1%以下，驅氣作業即可完成［2］。

3 結語

綜上所述，作業流程可分為三大部分：1）出塢裝貨前操作，其作業目的為使液貨艙內的環境達到可直接裝載液態貨物的標準。2）正常裝卸貨航行操作，保證貨物安全地從裝貨港運輸至卸貨港，同時兼顧經濟性。3）卸貨進塢前操作，其作業目的為使液貨艙內環境達到人員可安全進入貨艙進行檢查維護作業的標準。確保作業流程安全的關鍵在于對貨艙溫度與壓力的控制。設計者必須深入剖析小型LNG運輸船的各個作業流程，充分了解LNG船運輸安全性與碼頭設施情況，才能設計與優化LNG船最關鍵的核心系統——液貨系統。從而給船員操作帶來最大化的安全性和便利性。

［1］液貨氣運輸船實用手冊［M］.哈爾濱船舶工程學院出版社，1992.

［2］散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范［M］.人民交通出版社，2005.