LNG動(dòng)力船燃料艙預(yù)冷加注關(guān)鍵工藝技術(shù)分析目錄TOC\o"1-3"\h\u13570LNG動(dòng)力船燃料艙預(yù)冷加注關(guān)鍵工藝技術(shù)分析 156600引言 116101熱傳導(dǎo)原理 2167672LNG動(dòng)力船舶基本參數(shù) 3230663預(yù)冷加注流程及技術(shù)要求 4105704預(yù)冷加注前檢查及注意事項(xiàng) 8188525結(jié)語(yǔ) 929700參考文獻(xiàn) 9摘要：隨著國(guó)際海事組織以及我國(guó)對(duì)船舶尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越嚴(yán)苛，LNG燃料正在逐步成為船舶航運(yùn)的首要選擇。本文以國(guó)內(nèi)某艘LNG集裝箱動(dòng)力船舶為例，詳細(xì)論述了LNG動(dòng)力船舶燃料艙預(yù)冷、置換、加注等過(guò)程的核心工藝技術(shù)研究，制定了LNG燃料艙預(yù)冷加注的工藝流程以及注意事項(xiàng)等，并在該艘LNG船舶燃料艙加注過(guò)程中獲得了應(yīng)用驗(yàn)證，可為大多數(shù)LNG動(dòng)力船舶燃料艙首次加注提供參考。關(guān)鍵詞：LNG動(dòng)力船；燃料艙；預(yù)冷加注0引言如今，全球低碳和節(jié)能減排的趨勢(shì)把航運(yùn)業(yè)引到風(fēng)口浪尖，各國(guó)的航運(yùn)業(yè)都在尋找新的替代能源。而作為清潔低碳能源，LNG顯然能在滿足國(guó)際公約和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求下，在能源替代方面贏得先機(jī)，LNG將在燃料動(dòng)力應(yīng)用發(fā)展上迎來(lái)新的機(jī)遇[1]。國(guó)際海事組織明確要求，至2020年1月1日起，全球船舶所消耗燃油的含硫量應(yīng)降至0.5%[2]，船東們?yōu)榱藵M足有史以來(lái)最嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)，如果在2020年以后，還繼續(xù)經(jīng)營(yíng)污染控制區(qū)，那他們就必須得在使用液化天然氣、安裝洗滌器和使用低硫燃油中做出抉擇，專家指出，低硫油的供應(yīng)量是有限的，而船舶需求的增大必然會(huì)導(dǎo)致低硫油價(jià)格的上漲；而洗滌器的安裝需要在船舶上進(jìn)行重大改造，這無(wú)疑會(huì)大大提高船舶的運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，洗滌器的廣泛使用也受到了持續(xù)監(jiān)控減排和碼頭污染處理設(shè)施等因素的限制[3]；相比較之下，液化天然氣具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此，使用LNG是擺脫對(duì)船用傳統(tǒng)燃油依賴的最有效的措施[4]。由于LNG的超低溫特性，大量低溫液體在進(jìn)入常溫儲(chǔ)罐時(shí)，會(huì)出現(xiàn)急劇且不均勻的降溫現(xiàn)象，以至罐體內(nèi)的應(yīng)力集中，且罐內(nèi)壓力急劇升高，極具危險(xiǎn)性，因此LNG燃料艙及其附屬管路在正式注入低溫液體前，要首先進(jìn)行充分冷卻，即預(yù)冷過(guò)程[5]。該過(guò)程是LNG動(dòng)力船舶投運(yùn)前不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)船舶燃料艙在設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中有無(wú)缺陷以及各項(xiàng)指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要步驟，也是LNG動(dòng)力船舶燃料艙加注后試航檢驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。LNG燃料艙預(yù)冷過(guò)程包含氣、液兩相共存的復(fù)雜熱交換過(guò)程，預(yù)冷介質(zhì)的特性、加注量、加注速度和加注流程對(duì)預(yù)冷效果、預(yù)冷時(shí)間和預(yù)冷成本都會(huì)有較大的影響，如何控制預(yù)冷介質(zhì)的加注量和加注速度是關(guān)鍵技術(shù)[6]。針對(duì)LNG燃料艙預(yù)冷加注過(guò)程的研究，李欣欣[7]等人通過(guò)把LNG加注系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)相結(jié)合，從而提出了多輛LNG槽車匯流加注的總體設(shè)計(jì)方案；劉騰龍[8]等人研究了槽車對(duì)船用LNG燃料罐的惰化、預(yù)冷、加注，提出了加注方案；徐建勇[9]等人識(shí)別了LNG加注船及加注作業(yè)的危險(xiǎn)源，提出事前預(yù)防與事后防護(hù)措施，并給出了加注船與受注船兼容性方面的考慮。在以往學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本文更加側(cè)重于針對(duì)某一具體船舶進(jìn)行論述，工藝流程中的參數(shù)細(xì)化到加注溫度、流速、壓力、時(shí)間等，更能夠給讀者提供實(shí)際性指導(dǎo)。本文以國(guó)內(nèi)某艘LNG集裝箱動(dòng)力船舶為例，詳細(xì)論述了LNG動(dòng)力船舶燃料艙預(yù)冷、置換、加注等過(guò)程的核心工藝技術(shù)研究，制定了LNG燃料艙預(yù)冷加注的工藝流程以及注意事項(xiàng)等，并在該艘LNG船舶燃料艙加注過(guò)程中獲得了應(yīng)用驗(yàn)證，可為大多數(shù)LNG動(dòng)力船舶燃料艙首次加注提供參考。1熱傳導(dǎo)原理熱傳導(dǎo)是介質(zhì)內(nèi)無(wú)宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳熱現(xiàn)象，主要存在于固體之間，也會(huì)存在于靜止氣體或液體中，在流體中與熱對(duì)流同時(shí)發(fā)生。1.1傅里葉定律在傳熱過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的熱量，其大小與截面面積和截面方向上的溫度梯度成正比，而且熱流方向與溫升方向相反[10]。適用于均勻且各向同性固體的傳熱問(wèn)題，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式1.1：（1.1）式1.1中，q表示熱流密度，單位為W/m2，λ代表傳熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/m.k。在溫度梯度確定的情況下，熱流量密度會(huì)隨著材料導(dǎo)熱系數(shù)的加大而增加。導(dǎo)熱系數(shù)主要受到材料物態(tài)和材料類型的影響[11]。相比較液體來(lái)說(shuō)，固體金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較大，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。通過(guò)公式1.1，即流密度的定義，可以推出公式1.2，即通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得導(dǎo)熱系數(shù)的理論基礎(chǔ)。(1.2)1.2牛頓冷卻公式對(duì)流換熱是一種重要的傳熱方式，其發(fā)生是由于流體不同部分的相對(duì)位移引起的宏觀流動(dòng)，熱傳遞過(guò)程是由具有溫度梯度的流體融合引起的。牛頓冷卻公式是對(duì)流換熱的計(jì)算公式，如果兩種流體的接觸表面積為A，則通過(guò)接觸表面的換熱量可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式（1.3）表示：（1.3）式1.3中，為固體表面與流體的溫差，h為比例系數(shù)，稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。2LNG動(dòng)力船舶基本參數(shù)2.1LNG動(dòng)力船舶主要尺寸參數(shù)本文選取的LNG動(dòng)力船舶是目前世界上最大的集裝箱船，也是世界上首艘采用LNG雙燃料推進(jìn)的大型箱船，主要尺寸參數(shù)如表1所示。表1主要尺寸參數(shù)Tab.1Mainsizeparameters船長(zhǎng)（m）船寬（m）型深設(shè)計(jì)吃水結(jié)構(gòu)吃水設(shè)計(jì)載重399.90m61.30m33.50m14.5m16.0m185500t圖1LNG動(dòng)力船舶Fig.1LNGpowership2.2燃料艙參數(shù)以及加注要求本船的LNG動(dòng)力燃料艙采用GTT薄膜艙，燃料艙容積為18600m3，燃料艙內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度為-163℃，最大允許工作壓力為700mbar。本船加注站的位置位于船舶艏島下部，LNG燃料艙上部?jī)上希嚯x基線約24m。本船的加注管接口管徑直徑為200mm，接口高度約24m，最大加注流速10m/s，最大加注流量1100m3/h，LNG裝載效率1000m3/h，LNG卸載效率64m3/h。根據(jù)LNG燃料艙預(yù)冷、加注的技術(shù)要求[12]，一般燃料艙加注可分為初始冷卻、艙室冷卻和裝載三個(gè)階段，如圖2所示，每個(gè)過(guò)程均存在著氣液兩相的熱換過(guò)程，對(duì)于預(yù)冷介質(zhì)加注的速度和加注量的控制標(biāo)準(zhǔn)較高。在初始冷卻、艙室冷卻過(guò)程中，要根據(jù)內(nèi)置傳感器實(shí)時(shí)獲得燃料艙內(nèi)的冷卻溫度和冷卻狀態(tài)，以便控制冷卻介質(zhì)的加注量和加注速度。圖2燃料艙加注三個(gè)階段Fig.2Threestagesoffueltankfilling3預(yù)冷加注流程及技術(shù)要求3.1預(yù)冷加注流程本船LNG燃料艙的預(yù)冷加注可分為五個(gè)階段：（1）第一階段：預(yù)冷前用氮?dú)獯祾撸ㄟ^(guò)氮?dú)獯祾甙阉羞B接軟管內(nèi)水分吹干，將氣體的露點(diǎn)溫度控制在-40℃，艙內(nèi)含氧量小于2%；（2）第二階段：燃料艙內(nèi)運(yùn)用氣體進(jìn)行預(yù)冷，通過(guò)控制燃料艙壓力和氮?dú)饬髁?，確保燃料艙放散閥口處測(cè)試氣體溫度到-10℃以下，中控、現(xiàn)場(chǎng)觀察罐底部溫度在-10℃以下，則氣體預(yù)冷結(jié)束；（3）第三階段：燃料艙內(nèi)氣體預(yù)冷，控制氮?dú)饬髁考叭剂吓搲毫?，燃料艙溫度控制在每小時(shí)下降5℃，并根據(jù)溫度變化速率控制低溫氮?dú)饬髁浚敝寥剂吓摐囟认陆抵?130℃后，再對(duì)船舶其他設(shè)備和管道進(jìn)行吹掃預(yù)冷及放空；（4）第四階段：本階段主要是為了測(cè)試預(yù)冷效果，在燃料艙預(yù)冷完成后(-130℃)進(jìn)行，利用燃料艙內(nèi)的氮?dú)鈱?duì)船舶燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷測(cè)試；（5）第五階段：本階段主要進(jìn)行吹掃燃料艙內(nèi)的低溫氮?dú)?、置換管道和設(shè)備，甲烷氣體從燃料艙頂部進(jìn)液管進(jìn)氣入燃料艙置換氮?dú)?，并從燃料艙底部放空管排空。然后用甲烷測(cè)試儀從燃料艙放散口處測(cè)試甲烷濃度，當(dāng)甲烷含量大于99%時(shí)，燃料艙置換完畢。置換結(jié)束后，從進(jìn)液管灌入液態(tài)LNG，進(jìn)液結(jié)束后置換船上其他管道和設(shè)備，整船進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)。五個(gè)階段操作分3步進(jìn)行，第一、第二、第三和第四階段氮?dú)獯祾哳A(yù)冷為5天，第五階段進(jìn)LNG為2天。LNG加注完后進(jìn)行船舶系統(tǒng)調(diào)試，期間應(yīng)保證7天內(nèi)燃料艙內(nèi)均有LNG存儲(chǔ)，以便觀察燃料艙狀態(tài)[13]。3.2預(yù)冷原則及主要步驟LNG燃料艙預(yù)冷時(shí)，為了防止出現(xiàn)因?yàn)闇囟润E降而導(dǎo)致的管件和設(shè)備損傷問(wèn)題的出現(xiàn)，管道系統(tǒng)和燃料艙的溫度要避免急冷[14]。因此，燃料艙的預(yù)冷和加注流程需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)、分析，才能確定較優(yōu)的預(yù)冷和加注流程，具體的流程如下：（1）將進(jìn)液管道上的金屬軟管正確連接到液氮槽車液相管道上。（2）關(guān)閉進(jìn)液管上的所有手動(dòng)放空閥和旁通閥，同時(shí)打開(kāi)燃料艙頂部上進(jìn)液管線的閥門和進(jìn)液管上的閥門，便于槽車以自增壓方式升高壓力，進(jìn)而將槽車頂部的低溫氮?dú)馔ㄟ^(guò)過(guò)熱撬向燃料艙內(nèi)緩慢充入，控制氮?dú)饬髁俊囟群腿剂吓搲毫?。通過(guò)在燃料艙放散口處的傳感器測(cè)試氣體溫度，確保該處溫度達(dá)到-10℃以下，且船舶中控、現(xiàn)場(chǎng)觀察燃料艙艙部溫度在-10℃以下，第二階段預(yù)冷結(jié)束。（3）第二階段結(jié)束30分鐘后緩慢調(diào)大槽車液相閥，加大低溫氮?dú)夤?yīng)量，調(diào)節(jié)過(guò)熱撬閥門，使氮?dú)鉁囟缺３衷?165℃。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程需要不斷排放氣體，確保內(nèi)罐壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，控制氮?dú)饬魉伲谷剂吓摐囟认陆邓俣缺３衷诿啃r(shí)下降5℃。當(dāng)出現(xiàn)燃料艙上下溫差大于80℃，則馬上停止進(jìn)氣，等燃料艙上下溫差下降至允許值（<80℃）后再進(jìn)預(yù)冷，并根據(jù)溫度變化速率控制低溫氮?dú)饬髁?，直至燃料艙溫度下降?130℃后，再對(duì)船舶其他設(shè)備和管道進(jìn)行吹掃預(yù)冷及放空。在燃料艙預(yù)冷過(guò)程中，可利用燃料艙內(nèi)的低溫氮?dú)鈱?duì)船舶燃?xì)庀到y(tǒng)中的管線及設(shè)備進(jìn)行初步預(yù)冷（氣預(yù)冷），通過(guò)預(yù)冷管道的放散管放散。此外，在進(jìn)液過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料艙壓力，防止壓力過(guò)高，當(dāng)出現(xiàn)燃料艙壓力過(guò)高是，則立即關(guān)閉進(jìn)液閥。由于燃料艙的預(yù)冷是與整體管線預(yù)冷同時(shí)進(jìn)行，因此，需要對(duì)系統(tǒng)中各管線進(jìn)行充分預(yù)冷。燃料艙及管道預(yù)冷完成后，待LNG到場(chǎng)前對(duì)燃料艙及部分管路始終進(jìn)行充氮保護(hù)[15]。如圖3所示為燃料艙和管道的預(yù)冷工藝流程。預(yù)冷階段工藝流程如圖4所示。圖4預(yù)冷工藝流程Fig.4Pre-coolingprocess3.3加注原則及主要步驟3.3.1加注原則在正式加注過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控燃料艙內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵因素，確保加注過(guò)程中的安全，其中燃料艙內(nèi)的最高壓力不得超過(guò)700mbar（絕壓1.71bar），該壓力下LN2的飽和溫度為-191℃、LNG的飽和溫度約為-163℃，因此，只要燃料艙底部溫度不低于-163℃則不會(huì)產(chǎn)生LN2和LNG積聚，表2所示為L(zhǎng)N2在不同壓力和溫度下的參數(shù)。表2LN2飽和壓力及溫度對(duì)照表Tab.1LN2saturationpressureandtemperaturecomparisontable壓力（bar）氮℃K0.80-197.809.600.90-196.909.801.00-196.009.801.10-195.3010.101.20-194.5010.201.30-193.8010.101.40-192.9010.001.50-192.4010.401.60-191.8010.401.80-190.7010.502.00-189.7010.803.00-185.4011.104.00-182.1011.506.00-177.0012.108.00-173.1012.6010.00-169.7012.8012.00-166.9013.2013.00-165.6013.50根據(jù)燃料艙加注安全手冊(cè)，燃料艙預(yù)冷至-130℃即可進(jìn)行正常的LNG加注，且加注前應(yīng)對(duì)燃料艙內(nèi)部進(jìn)行氣體置換[16]，具體的置換流程如下：（1）將卸車區(qū)進(jìn)液管道上的金屬軟管與LNG槽車的液相管道正確相連。（2）關(guān)閉進(jìn)液管道上所有手動(dòng)放空閥和旁通閥，打開(kāi)進(jìn)液管道上的閥門和燃料艙頂部上進(jìn)液管線的閥門，使得槽車通過(guò)自增壓升壓，將槽車頂部低溫LNG向燃料艙內(nèi)緩慢充入，并控制低溫LNG流量，確保燃料艙壓力控制在設(shè)計(jì)壓力內(nèi)。（3）通過(guò)燃料艙溢流口處、液位計(jì)氣相、液相處的甲烷測(cè)試儀測(cè)試，測(cè)試各測(cè)點(diǎn)位置的甲烷含量，當(dāng)甲烷含量大于99%時(shí)，燃料艙置換合格。3.3.2LNG加注工藝流程燃料艙置換完成后，開(kāi)始LNG加注，燃料艙剛開(kāi)始進(jìn)液時(shí)，因燃料艙溫度較高，初始進(jìn)入的LNG吸收燃料艙溫度后，轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，此時(shí)燃料艙內(nèi)的LNG存在著氣液兩相的復(fù)雜狀態(tài)，在加注過(guò)程需要實(shí)時(shí)關(guān)注燃料艙內(nèi)的加注狀況，具體工藝流程如下：燃料艙置換合格后即可進(jìn)行LNG加注，加注時(shí)將槽車的液相閥慢慢打開(kāi)到較小的開(kāi)度，關(guān)閉槽車的加壓液相閥，少量LNG應(yīng)從燃料艙的進(jìn)液閥進(jìn)入，該過(guò)程需要不斷地排出氣體，并控制內(nèi)罐壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)壓力。加注過(guò)程中控制LNG流速，燃料艙溫度控制在每小時(shí)下降2℃，本穿的燃料艙能儲(chǔ)存LNG700t左右，期間會(huì)產(chǎn)生大量BOG，可利用BOG對(duì)船舶燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行置換吹掃。（3）當(dāng)液位表顯示到一定液位時(shí)，停止加注。（4）為防止壓力升高，在進(jìn)液過(guò)程中要密切觀察并記錄燃料艙壓力。如果壓力持續(xù)升高，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉進(jìn)液閥。（5）以上過(guò)程中涉及到一部槽車卸完液體后，再次送液的再加注程序，應(yīng)按以上程序進(jìn)行。（6）以上過(guò)程結(jié)束后，停止進(jìn)液。檢查完這一步后，關(guān)閉所有在這一步中打開(kāi)的閥門，然后再進(jìn)行下一步。整個(gè)預(yù)冷加注過(guò)程的加注示意圖及流程分解圖分別如下圖5所示。圖5加注流程分解圖Fig.5Explodeddiagramoffillingprocess4預(yù)冷加注前檢查及注意事項(xiàng)4.1預(yù)冷時(shí)的檢查（1）檢查焊縫和外管材質(zhì)有無(wú)裂紋等損壞，尤其是法蘭焊接部位；（2）檢查管道的冷縮量及管托支撐的變化情況；（3）檢查低溫閥門的靈活性和密封性，是否被凍?。婚y體螺栓是否松動(dòng)，填料、閥桿及閥體法蘭是否泄漏；（4）檢查法蘭連接部位有無(wú)泄漏情況，螺栓預(yù)緊力是否因冷縮而降低；（5）觀察并記錄補(bǔ)償器和管道彎頭的變形量；（6）檢查燃料艙外壁船體有無(wú)“出汗”和“結(jié)霜”現(xiàn)象；（7）LNG加注前、中、后應(yīng)密切觀察燃料艙和船體連接構(gòu)件形變情況，并做好書面記錄。4.2主要注意事項(xiàng)（1）當(dāng)注入低溫氣體時(shí)，由于低溫氣體的膨脹，燃料艙內(nèi)的壓力會(huì)升高。密切注意升壓速度，控制預(yù)冷速度。當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)，打開(kāi)放散閥以降低燃料艙內(nèi)的壓力，當(dāng)壓力不再上升或下降時(shí)，可提高進(jìn)氣速度；（2）在預(yù)冷過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)泄漏或設(shè)備或材料發(fā)生問(wèn)題和故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉閥門，停止進(jìn)氣，停止該段預(yù)冷，標(biāo)記位置，及時(shí)報(bào)告并進(jìn)行應(yīng)急處理，處理合格后方可再進(jìn)行預(yù)冷；（3）預(yù)冷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)燃料艙某種性能、技術(shù)參數(shù)發(fā)生突變，應(yīng)及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)總指揮，同時(shí)停止對(duì)燃料艙預(yù)冷。得到船廠認(rèn)可的前提下才能對(duì)該燃料艙進(jìn)行預(yù)冷；（4）密閉空間內(nèi)的低溫LNG吸收外部熱量將導(dǎo)致壓力升高，因此，操作時(shí)要注意閥門關(guān)閉順序，嚴(yán)禁長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉低溫氣體；（5）所有低溫閥門操作時(shí)如出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)或打不開(kāi)現(xiàn)象，可以澆以熱水解凍，嚴(yán)禁強(qiáng)力開(kāi)關(guān)。（6）在燃料艙外部管路或閥門為冷態(tài)的情況下操作時(shí)，操作人員必須戴上棉布防護(hù)手套，以免低溫對(duì)人員的冷凍傷害。5結(jié)語(yǔ)本文以國(guó)內(nèi)某艘LNG雙燃料推進(jìn)的大型箱船為例，詳細(xì)論述了LNG動(dòng)力船舶燃料艙在加注過(guò)程中的核心工藝技術(shù)。在充分考慮燃料艙內(nèi)氣、液兩相熱交換的復(fù)雜情況，結(jié)合LNG燃料艙加注安全要求，開(kāi)展了燃料艙預(yù)冷、置換、加注等過(guò)程的核心工藝技術(shù)研究，制定了LNG燃料艙預(yù)冷加注的工藝流程以及注意事項(xiàng)。制定的LNG燃料艙加注核心工藝流程在指導(dǎo)一艘LNG雙燃料推進(jìn)的大型箱船的LNG燃料艙的加注過(guò)程中獲得了應(yīng)用驗(yàn)證。事實(shí)證明，本文制定的LNG燃料艙加注核心工藝對(duì)于指導(dǎo)LNG燃料艙的加注具有重要的作用，文中涉及的預(yù)冷加注研究結(jié)果可以為大多數(shù)LNG燃料艙首次加注提供了參考。參考文獻(xiàn)羅明漢,莫斌珍,黃欽文.LNG燃料動(dòng)力船舶發(fā)展前景[J].中國(guó)船檢,2019,224(01):58-6