长江航运科学研究所 武汉 430014
摘要：结合长江中上游不同水域通航环境特点及结合LNG水上加注站气起源补给方案和主要服务对象的可能状况，对LNG水上加注作业方案（如整体式燃料单元替换或趸船储存LNG充装或使用槽车直接充装等方案）、以及LNG/柴油混合加注作业方案进行研究，综合从安全性、科学性、可操作性等方面对相关作业方案进行比选，并提供优选方案、适用条件及管理方案。
关键词：长江中下游；船用LNG；水上加注；浮式趸船
Study on marine LNG water filling system in the middle
and upper reaches of the Yangtze River
Li Ning
（Changjiang Shipping Science Research Institute，WuHan 430014）
Abstract: Combined with the middle and lower of the Yangtze River in different waters with LNG characteristics and possible gas filling station water supply scheme and the main origin of service object, the LNG water filling operation program (such as integrated fuel cell replacement or barge storage or use LNG direct filling tank filling scheme), and Research on LNG/diesel hybrid filling operation the comprehensive plan, from safety, scientific and operational aspects of the relevant work scheme than the election, and provide optimization scheme, applicable conditions and management scheme.
Keywords：the middle and lower reaches of Yangtze River；marine LNG；water filling；floating pontoon
0 引言
航运是世界公认的最为经济的运输手段之一，对世界经济的发展起到了重要的作用，但随着世界贸易量的增大，能源需求的增加，带来的环境问题也日益突出。我们国家在交通运输行业尤其是长江水运造成的污染越来越受到广泛关注。2011年国务院颁布的“国务院关于加快长江内河水运发展的意见” 中明确指出：利用十年时间建成通畅、高效、平安、绿色现代化内河水运体系，促进节能减排，加快降低能源消耗，发展低碳经济，减少环境污染物排放，建设资源节约型，环境友好型的和谐社会。针对绿色航运的发展需要，全球范围内开始加速船舶新能源应用的研究步伐，包括风能、太阳能、生物燃料、液化天然气、压缩天然气等。在诸多新能源应用中，天然气燃料储量丰富，价格低廉，环保性高、经济性好，具有广阔的应用前景，被认为是未来代替柴油，减轻环境污染、最理想的能源。随着“气化长江”、“长江绿色物流创新工程”等内河船舶“油改气”项目的逐步推进，液化天然气（LNG）作为一种经济、绿色、安全的新型能源已成为业内公认的未来船舶绿色能源的首选。在交通运输部的《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》中明确内河柴油和LNG混合燃料动力船舶技术成为试点新技术之一，内河船舶“油改气”再度成为业内关注的焦点，LNG动力（含柴油-LNG混合动力）船舶已成为内河船型发展的重要方向。加注是LNG燃料水上供应链上的关键环节。2014年9月底，国家能源局召开《关于液化天然气燃料动力船舶加注站布局指导意见》征求意见座谈会，提出全国形成“两横两纵两网十八线”的船舶LNG加注布局网络。所谓“两横两纵两网十八线”，即指长江干线、西江干线，京杭运河、全国沿海，长三角高等级航道网、珠三角高等级航道网，以及汉江、江汉运河等18个支线河流。随着国家政策的相继出台，将大大促进船用LNG加注产业的发展。
1 长江中上游通航环境
长江中上游通航环境呈现出水域条件复杂、水位落差大、水面宽度有限、水流状态复杂以及通航密度大等复杂的特点，给船用LNG加注系统的建设和运营造成很大的不利影响。如何根据长江中上游航运、航道特点，有效保障船舶能够获得安全的LNG燃料补给是其中的关键。
2 国内外主要船用LNG水上加注模式
从国内外LNG动力船舶加注模式来看，主要包括五种：槽车对船加注、岸站对船加注、撬装式加注、船对船加注、浮式趸船加注。五种船用LNG加注模式对比分析如表1。
3 长江中上游LNG水上加注模式比选分析
长江中上游LNG动力船舶的加注补给方式与内河通航环境条件、LNG燃料动力船结构特征以及沿江LNG气源的分布特点等密切相关。
因此结合长江中上游通航环境特点对适用于长江中上游水域LNG船舶加注方式进行论证。对于TTS加注（槽车对船加注）方式，其应用灵活，但此要求槽车能够通过栈桥驶上码头平台，对码头通过能力要求较高。而目前由于长江中上游多为浮式码头，高桩直立式码头较少，因此该种方式可以使用，但应用范围有限；对于TPS加注（岸站对船加注），其相比其它方式投资最高，且受气源条件制约较大，主要可依托LNG装卸码头联合设置，且应多为固定的直立式码头，但目前长江中上游尚无LNG装卸码头，因此目前采用不符合实际情况；对于撬装加注方式，其需要大规模标准化的撬装储罐、更换成本高、储罐容量小、更换作业时间长，难以大规模使用等，因此难以成为今后主要燃料补充方式。对于STS加注的方式（船对船加注），其水上加注较为灵活，但由于目前长江中上游还没有LNG运输船，气源补给比较困难，加上水域宽度不大，水流条件较为复杂，因此目前不宜采用该种方式；参照目前内河船舶加装燃料油的模式，主要采用趸船对于船舶进行加注，采用浮式趸船加注的方式可以适应水位变化大的区域，趸船可储存的LNG量也较大，可以保证多次补给的要求。同时，被加注船舶是系泊于加注趸船，两者的空间距离较近，无论是加注臂还是加注软管，都能容易地实现加注。因此，采用浮式趸船对LNG燃料动力船进行加注应是目前长江中上游主要的加注方式。
然而浮式趸船加注方式在实施过程中仍然有以下问题需要考虑。
（1）LNG加注趸船建造的经济性问题：由于专业LNG加注趸船对船舶结构、储罐及其他设备的各方面要求较高，从目前国内已建设的个别加注趸船来看，其造价高达普通燃料油加注趸船的2—4倍，因此在符合安全环保要求的基础上，更好的提供经济性好的趸船建造方式是十分重要的。
（2）LNG加注趸船的气源补给问题：加注趸船是LNG燃料的临时存储地，其自身也需要不断补给LNG燃料。目前长江中上游没有专业的LNG运输船，因此还不能采用运输船对趸船直接加注的方式；而采用槽车对或从LNG气源地直接铺设管道等方式对趸船气源进行补给是较为可行的。
（3）与现有的燃料油加注趸船的关系问题：目前船舶燃料油加注趸船的布局已十分广泛，目前长江水域岸线资源已较为紧张，且目前内河LNG燃料船多采用柴油、燃料油双燃料，因此可以大力研究油-气混合加注趸船，并对目前已有的燃料油加注趸船进行油-气混合加注改造，这样既可以减少投入，又可以实现LNG的加注供给。
4 LNG水上加注方案工艺流程优选
浮式趸船加注方式是目前长江中上游应采取的主要加注方式。从目前实际情况来看，趸船的气源供给采取岸上槽车补给。其平面布置见图1。
浮式趸船加注方式主要有LNG 卸车、LNG 加气、LNG 储罐增压、安全放散气（以下简称 EAG ) 放散、BOG（蒸发气）回收利用、残液吹扫、氮气置换和自循环等八个工艺流程。为保持浮式趸船加注方式的前瞻性和先进性，浮式趸船预留有LNG卸船和LNG装车的接口。LNG作业风险相对较大，特别其一旦发生事故，危害可扩散的范围更加广泛。因此在设计浮式趸船加注模式时重点考虑了安全作业保障问题、事故应急方案问题。其具体的工艺流程如下：
（1）LNG卸车流程：LNG槽车经过磅称重后，通过LNG槽车卸车橇和管道输送到趸船的LNG储罐中。
（2）LNG加气流程：给LNG燃料动力船加气时，先将专用的LNG加气臂或加气软管与LNG燃料动力船上的接口连接，待授权允许加气后，加气人员可以操作加气控制柜上的按钮进行加气作业。LNG储罐中的LNG经过加气泵加压后输送到计量装置，经过计量后通过加气臂或加气软管输送到LNG燃料动力船中的LNG储罐。在LNG加气过程中，LNG燃料动力船中储罐内的BOG回流到趸船LNG储罐中。
（3）LNG储罐增压流程：在运营过程中，当趸船LNG储罐压力低于工艺要求的设定值时，需对储罐进行增压。此时开启储罐增压阀，储罐中少量LNG流入到增压器中，LNG经增压器气化为天然气后，通过气相管道返回储罐，储罐内压力达到设定的压力值时停止增压。
（4）EAG放散流程：天然气管道、LNG储罐和天然气储罐（缓冲罐等）的压力高于各自的安全阀设定压力时报警，安全阀自动开启，EAG通过管道输送到放散总管。
（5）BOG回收利用流程：当趸船LNG储罐的压力达到BOG回收系统设定值时，储罐气相主阀自动开启，BOG 经加热后供天然气发电机使用。
（6）残液吹扫流程：趸船LNG补给和加气完成后，打开储罐增压阀，让一部分液体经增压器气化后储存在吹扫缓冲罐中。当缓冲罐内的天然气压力满足工艺要求后，开启吹扫管道上的阀门进行吹扫。当加气完成后，以加气臂上的吹扫口为界，将吹扫口后加气臂中的LNG 吹到LNG燃料动力船的储罐中，将吹扫口前的LNG吹回趸船LNG储罐。
（7）氮气置换流程：为避免加气臂和管道中的天然气积聚产生危险，需要将其内部的天然气置换为氮气进行保护，确保加气臂和管道中的含氧量低于 5％。当残液吹扫结束后，打开放空阀，氮气缓冲罐内的高压氮气通过吹扫口进入管道后，与天然气一起通过放空阀进入安全放散系统放散。
（8）自循环流程：由于LNG的组成各异，密度也不同，为避免在LNG储罐内产生分层而造成翻滚事故，当监测到LNG储罐液位分层后，加气泵可将LNG储罐底部的LNG抽出再回流到储罐的底部或顶部，已达到混合均匀的目的。
（9）预留LNG装车流程：趸船LNG储罐内的LNG通过趸船 LNG加气泵和栈桥管道给岸上的LNG槽车加气 。
（10）预留LNG卸船流程：LNG运输船上的LNG储罐内的LNG通过LNG运输船卸液泵、LNG软管、管道输送到趸船LNG储罐。
5 LNG水上加注方案的安全和防污染管理
1）LNG加注站的安全规范管理包括：
（1）制定安全标准；（2）健全安全组织；（3）加注站应当建立安保制度；（4）维护设备安全；（5）设置警示标识；（6）应急响应
2）LNG加注站安全操作要求
LNG加注站的主要设备都处于带压低温储存状态，主要设备及管线一般采用双层真空绝热结构。LNG容器的工作压力较低，操作温度也很低。虽然系统本身设计了有效的安全措施，但是操作人员在操作过程中，要遵守下列安全规定。
（1）穿戴防护装备；（2）保持设备区的良好通风；（3）检修须卸压和排空LNG；（4）防火、防爆、防静电（5）悬挂警示牌；（6）设置急救箱
6 结束语
本文通过对目前国内外主要船用LNG水上加注模式分析和比较，结合我国长江中上游的特点，论证了浮式趸船加注模式是适合长江中上游水域特点的LNG燃料船加注方式，并针对浮式趸船加注模式中加注趸船建造的经济性、气源补给和与现有的燃料油加注趸船之间的关系等问题给出了相应的解决之道。在此基础上，提出了浮式趸船加注模式的工艺流程，并给出了浮式趸船加注模式在实施运营中的安全和防污染管理规范以及操作要求，以期促进长江中上游浮式趸船加注模式的发展和运营，解决长江中上游LNG加气难的困境问题。
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论文作者:李宁
论文发表刊物:《防护工程》2017年第14期
论文发表时间:2017/11/8
标签：趸船论文; 长江论文; 储罐论文; 燃料论文; 船舶论文; 方式论文; 天然气论文; 《防护工程》2017年第14期论文;