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LNG运输船货物相关设备简介

LNG 运输船货物相关设备简介

三石LNG杂谈系列之六

  本系列文章为信德海事网专家团队作者,资深轮机长王磊轮机长原创系列作品,查看往期可点击以下连接跳转查看,往期回顾:

1:干货!LNG船怎么“开”?之LNG运输船货物管线阀件简介

2:我国LNG运输船发展现状
3:LNG运输船基本装卸货航次概述,LNG船货物操作了解一下~~
4:【干货】LNG运输船货舱型式及货舱围护系统简介(之一)
5:【干货】LNG运输船货舱型式及货舱围护系统简介(之二)
6:在LNG船上实习,是一种什么样的体验??工资多少?吃?住?

  前言 

  杂谈系列写到这里,再次回归到经验记录与分享的方面来,其实就我个人来说,这个系列的文章更多的是对我这些年在LNG船方面的工作经验的记录,如果在我记录的同时能够让某些对LNG感兴趣或在相关方面从业的读者有一点点收获,也是我很乐于看到的结果!

  今天这篇文章我主要想写一下LNG船上与货物有关的一些机械设备,包括在装卸货期间使用的货泵,货物回气压缩机及在船舶正常航行期间使用的燃气泵,喷淋扫舱泵,燃气压缩机,加热器,蒸发器以及气液分离器等设备,对于各个设备只是做一个简单的介绍,文章的重点是在设备使用的过程中个人的一些经验和想法,希望能和有相关经验的读者共同探讨,互相学习,共同进步。

  因为笔者应该是国内为数不多的即在大型LNG船上工作过,也在小型LNG船上工作过的船员,所以我在介绍的时候尽量将大型小型LNG船的情况都涉及一些,虽然不会很详尽,不过我的题目已经说的很清楚,仅仅是简介么,还请大家不要要求太高,谢谢谢谢!

  另外前些天看了一篇“今年LNG船中国0订单,沪东中华专家有话讲”的帖子,(点击可查看:→大型LNG船中国今年还是0订单!沪东中华专家有话讲)其中专家提到了我国在LNG船所需的特种材料和机电设备的国产配套能力非常弱,配套企业屈指可数,且行业毫无体系可言。个人对此也有一点小小的看法,在文章的末尾会提出来和大家讨论。

  1 货泵,喷淋/扫舱泵,燃气泵

  (1)大型LNG船通常都使用电动机和离心泵整体地安装在液货舱底部的潜液泵(如下图)作为货泵,喷淋/扫舱泵及燃气泵,区别只是泵的大小而已。

  (2)而我国建造的几艘小型LNG船不约而同的选择了驱动电机设置在舱顶甲板上,泵体放置在液货舱底部的吸井内的深井泵作为货泵(如下图),不过小的燃气泵还大都是选择使用的潜液泵。

  (3)因为LNG船的大小不同,泵的设计能力自然也就有相应的区别,下面以某大型LNG船为例,给出几个泵的基本参数和起停限制。

  除此之外,还有几点需要提到的是,首先无论是货泵,喷淋/扫舱泵还是燃气泵,在首次使用前,泵体必须在液化天然气中浸没超过1.5小时之后才能起动运转,否则会对泵造成严重的损坏。其次对于货泵而言,其首次起动液位要比正常营运时最低起动液位要高,对上面的大型LNG船来说,其首次起动液位设定值为1.94米。

  (4)对于潜液泵的起停及使用期间的操作,基本上没什么可说的,只要电力供应充足,满足泵的启动条件,那么只要给出起动信号,泵就会自动起动运转,然后再通过调节货泵出口阀的开度来增减泵的流量就可以了。在此,我想和大家分享我在船的一次燃气泵低电流跳闸的经历和处理过程,并就这个过程谈一点我个人的看法,与各位读者探讨。

  在谈这次燃气泵低电流跳闸的过程之前,我想先请大家看一下下面的燃气泵流量电流曲线图。 

  由上图可见,当液化天然气货物比重在0.42时,若燃气泵恰好运转在设计排出流量处,则电流应该在21.5安培左右,而在持续运转时最高允许流量处,泵的马达电流则约为22安培。当时是压载航次,底货留在3号货舱,在起动3号货舱燃气泵运转时,若将泵排出阀开到20%以上,电流就接近22安培了,所以大副坚持不肯将该泵的排出阀开到20%以上,在开航初期,该泵的电流在20安培左右,随着持续航行,该泵的电流缓慢的下降,终于在某一天燃气泵自动跳掉了。

  在此,我想先说一下为什么需要使用燃气泵和燃气泵跳掉之后的应急处理方法:在压载航次中,由于货舱顶部货物气体温度不断升高,燃气压缩机的吸入温度不足以达到其设定温度(零下90摄氏度以下),所以需要使用燃气泵提供液货在供入气液分离器之前喷入货气中,则货气温度在出气液分离器之后会降低到零下90摄氏度以下,通常我们会将设定温度设在零下110度左右。当燃气泵跳掉以后,燃气压缩机进口货气温度不断上升,好在这个参数不会导致燃气压缩机跳掉,而燃气泵跳闸之后需要到配电间复位才能再次起动,所以当时大副的做法是,立即起动3舱的喷淋/扫舱泵,并指示货管员到现场将供液阀从燃气泵转换到喷淋/扫舱泵,然后使用喷淋/扫舱泵供液货给气液分离器,将货气温度降到正常值之后,通知自动化工程师将燃气泵复位,自动化工程师到配电间检查,确认燃气泵是因为低电流跳掉的,复位之后即可再次起动。然后再次恢复到燃气泵供给液货到气液分离器。

  在这次跳闸之后,货管员与大副讨论,认为在压载航次中,应开大燃气泵出口阀开度,保持泵的排量以保持马达电流,即可避免出现低电流跳闸的情况再次出现,但是大副强调若开大泵出口阀,电流有时会超过22安培,根据上面的流量电流曲线图,结合本船所装货物给出的比重恰好为0.42左右的事实,电流超过22安培是不安全的,对于大副的这个说法,大家经过分析讨论,最后一致认为,最大的可能性,是因为压载航次,货舱内留存的底货密度应该高于装货港给定的货物比重0.42,则根据该曲线图可知,燃气泵运转时电流较高就是可以解释得通了的。

  不管怎样,在实际工作中的经验告诉我们,该燃气泵在压载航次中无论是为了避免低电流跳闸,还是为了保持燃气泵出口压力的稳定,都应该将该泵出口阀开大到22-25%左右,即使电流超过22安培,该泵仍然是一直处于正常运转状态,稳定供给液货到气液分离器的。

  (5)深井泵是小型液化石油气(LPG)船普遍使用的货泵,同样也可以使用在小型液化天然气(LNG)船上。通常深井泵的泵体设于液舱内的底部。驱动电机为防爆电动机,设置于液舱外的顶部,传动轴由排液竖管内的中间导向轴承支撑。中间导向轴承是利用通过排液管的液货来冷却和润滑的。叶轮总成安装在液货舱底部,通常由多个叶轮组成。进口端是一个轴流式引导叶轮,它把泵所需的有效正吸人压头减到最小。轴封装置由一个配有油槽的双联机械密封组成。下面给出某小型LNG船的深井泵参数:

  对于深井泵,有几个需要注意的事项:

  其一是在初次货舱预冷的时候,需要持续的对各个货泵进行盘车,且必须以电动机座上的箭头所示转动方向进行转动,以确认货泵没有卡阻的现象发生,而这种卡阻的情况在实际工作中也确实是发生过的,笔者曾经工作过的一条小型LNG船的某一个货泵就出现过卡阻现象,直到后来将货舱温度升到常温才恢复正常,当然,造成卡阻的原因就不一而足了,也许是由于温降过快,设备因为温差变形造成的,也可能是由于货泵导向轴承处气体含水量较高,当温度降低时凝结造成卡阻,等等原因,都有可能,笔者在此就不多加以分析了。

  其二是深井泵的止推轴承由于需要支撑很重的重量,当不运转或受到船舶振动的影响时,支撑面容易出现压痕,所以当货泵长时间不用时,应经常盘车以变动轴承承压面。

  其三是通常深井泵会设有防反转装置。在驱气前,应检查防反转装置正常工作。朝反方向手动转动泵轴。如泵轴的转动被阻止,则说明防反转动装置工作正常。其它常规操作事项我就不在此多说了,有兴趣的读者可以去找说明书看。

  2 回气压缩机与燃气压缩机

  (1)大型LNG船上通常设置有两台流量较大的离心式压缩机作为装货时的回气压缩机和两台流量较小的离心式压缩机在航行期间给机舱供应燃气,不同主推进装置由于燃气所需的压力不同,使用的燃气压缩机也不同,一般使用双燃料锅炉,蒸汽轮机作为主推进装置的LNG船的燃气压缩机和回气压缩机相同,都是单级离心式压缩机,只不过燃气压缩机的流量设计较小而已。而以双燃料发动机加电力推进为主推进装置的LNG船,由于双燃料发动机所需燃气压力较高,所以一般使用双级压缩的双速离心式燃气压缩机。

  下图是笔者在法国压缩机工厂培训期间拍摄的单级离心式压缩机的照片。

  大家可以看到图片中的叶片装置(英文称为IGV, Inlet guide vanes),压缩机通过该组叶片的开度大小来调节压缩机的流量,有意思的是这十余年来,笔者工作过的不同的LNG船上对该叶片的开度有一些不同的描述,最早的描述是该组叶片开度从80度到负30度,后来的描述是从0度到120度,笔者估计应该是根据不同的参照物来描述的,不管怎样,大家可以看到在叶片的中心处是有一个小孔的,也就是说当叶片处于全关状态的时候,就是压缩机最小流量的时候,而随着叶片开度的增加,压缩机的流量也就随之增加,当叶片开度与叶轮角度相同的时候,就是压缩机最大流量的时候。

  而双级压缩机的流量控制是通过一种叫VDV(Variable Diffuser Vanes)的装置来控制的(见下图),一级与二级的VDV互相关联又不太一样,特别是在压缩机起动的时候。  

  在压缩机低速运转的时候,一级VDV一般开度会达到9%左右,而二级VDV的开度会达到50%左右,只有压缩机转换到高速运转之后,两级VDV的开度才会趋于一致,不过始终还是会有一定的差别的。

  通常回气压缩机很少会使用到最大流量,一般只是在装货初期需要较大流量以控制舱压,当舱压稳定之后就基本不会再增加了。而燃气压缩机就不同了,在船速要求高的时候,经常会全负荷运行,有时候甚至会短时间超负荷运行,所以这点是在船工作时需要注意的,笔者的经验是增加一个流量的警报值,在燃气压缩机接近全负荷时提前给出警告以便及时进行调整。

  (2)我国建造的几条小型LNG船在压缩机的选择上也不约而同的选择了迷宫式无油双作用活塞式压缩机。见下图:

  这种迷宫式压缩机使活塞裙和气缸壁之间实现无接触密封。活塞由十字头,导向轴承,和活塞裙上提供自动定中心的面进行导向。迷宫式活塞主要由三部分构成:活塞裙,活塞上半部和下半部组成,它的密封由迷宫原理实现。气缸面为精细的螺纹,这个结构有防卡的作用,但不用于气体的密封。

  这种压缩机能以一级压缩模式(两个气缸并联)或两级压缩模式(两个气缸串联)操作,在作为回气压缩机使用时可将两级并联运行以增加流量,而作为燃气压缩机使用时将两级串联运行以增加燃气压力。两种工作模式例图如下:

  应注意的是,在作为燃气压缩机使用时,中间冷却器应始终处于运行状态,因为当燃气需求降低时,燃气可能经过回流阀回到吸入稳压罐,从而使得吸入温度显著上升,进而造成1级压缩机排出温度随之上升。BOG压缩机的容量控制是完全自动的。因此排出温度上升可能被发现得太晚而无法在需要时手动启动中间冷却器。

  3 加热器,蒸发器,后加热/冷却器及气液分离器

  (1)大型LNG船通常都是使用壳管式蒸汽换热器,根据能力的不同用处不同,分别设置两个加热器和两个蒸发器,当然,在必要的时候也是可以互为备用的。

  每个加热器或蒸发器在启动前都要保证蒸汽侧的蒸汽已经持续稳定的供给之后才能开始引入气(液)货,而对于气(液)货的控制都是有两路控制的,一路控制进入加热器的气(液)货的流量,一路控制旁通的气(液)货的流量,通过两路流量的配合控制加热/蒸发器的出口温度,在实际使用的时候,主要是在初起动期间,最好使用手动控制,一点点增加进入加热/蒸发的气(液)货流量,直到出口温度稳定到所需温度之后再转换到自动控制。

  后加热/冷却器通常设置在双级双速燃气压缩机出口,使用淡水来加热/冷却货气,即无论供给的是高温还是低温货气,出口的温度都会加热/冷却到淡水的温度,这也是这个设备被成称为后加热/冷却器的原因。

  气液分离器的作用在前面讲燃气泵的时候已经提到了,设置它的目的是为了保证燃气压缩机的进口货气温度低于其零下90摄氏度的设定值,当货舱货气温度较高时,使用燃气泵将液货在气液分离器前的喷淋管处将液货喷入货气中,与货气一起进入气液分离器,然后货气与液货在气液分离器内分离,被降温的货气进入燃气压缩机进口,分离出来的液货回流到货舱中。

  (2)小型LNG船通常使用板式热交换器,交换器内使用乙二醇+水的介质作为加热/冷却介质,分别布置在活塞式压缩机的一二级出口处。根据压缩机的使用方法的不同而具有相应的加热或冷却作用。

  同样,该换热器的使用也是需要首先保证水-乙二醇混合液正常在系统中循环之后再将货气引入,以避免设备过冷或过热损坏。

  4 甲板货物设备间的布置

  (1)大型LNG船通常会在上甲板右侧后部布置一个封闭式的货物设备间,并分成两部分,一部分称为货物机械设备间,一部分称为货物设备马达间,如下图所示:

  上面所述的压缩机,加热器,蒸发器,后加热/冷却器,气液分离器等都布置在货物机械设备间内,对于NO.96型货舱,真空泵也布置在货物机械设备间内,对于该设备间的通风设计通常为两部抽风机互为备用,其中一台抽风机24小时运转,以保持设备间内一直处于负压状态,一旦有货气泄漏可以迅速将其排出到大气中去。

  而马达间除了设置有压缩机和真空泵(NO.96型货舱)马达外,通常干隔舱加热系统也会设置在马达间内,这套系统我会在后面的货物相关辅助设备的文章中加以介绍。马达间的通风设计通常为两部供风机互为备用,同样是其中一台供风机24小时运转,以保证马达间内始终处于正压状态,即使外部有货气泄漏也不会进入马达间,进而产生危险。对于马达间,还有一个值得说一下的情况是,通常马达间会在入口处设置两道门,并在两道门处设置一个空气锁的机制,在进入马达间时一定要保证两道门不能同时开启,以避免马达间内失去正压,有些LNG船在此处设计了应急停止,一旦马达间空气锁低压警报超过30秒,会造成在运转的压缩机等设备应急停止,这个是需要特别注意的地方。

  (2)小型LNG船的甲板设备间与大型LNG船不同,有些船同样设计成封闭式货物设备间,但并没有马达间与机械设备间的区分。而有些船则设计成半封闭式的,只有船头方向有一些遮挡,船尾方向则完全是开放式的。不过无论是封闭式的还是半封闭式的,基本设备区别不大,都是压缩机,加热器,蒸发器等,只不过因为小型LNG船都是使用的活塞式压缩机,所以基本都会在甲板设置一个燃气稳压罐,用来保证给双燃机供应的燃气压力稳定。

  5 关于LNG船设备国产化的一点个人看法

  在本文的开头笔者提到沪东中华的专家谈及我国LNG船配套能力弱,严重拉低我国LNG船的竞争力。并建议我国积极发展配套体系,助推LNG船中国造的观点。个人认为专家所说是非常正确的。不过本人觉得,在积极发展配套体系的同时,如果国内船东们能够多给国产设备们一些机会就会更好了。去年我曾经和一位博士同行一起去国内的一家生产潜液泵的厂家调研,据了解,该厂家生产的潜液泵质量已经完全不输于进口潜液泵,并且已经获得了某些陆上项目的认可与使用,但是想要打入LNG造船市场仍然困难重重。所以笔者认为,如专家所谈,在国家政策引导下,通过科研支持,税收优惠,特别是首台套补助等政策激励下,如果国内船东能够支持采购并在建造的LNG船上尽量使用国产设备,那对我国LNG船的配套体系的发展将起到绝对性的推动作用。

  而交通部近期再次发文,加快推广船舶LNG应用,落实《交通运输部关于推进水运行业应用液化天然气指导意见》《长江干线京杭运河西江航运干线液化天然气加注码头布局方案(2017-2015)》等重点任务,这对我国小型LNG船的发展将会再次起到推动的作用,而据笔者了解,我国小型LNG船货物系统总包方案方面同样有公司做的非常之好,甚至已经得到一些国外项目的认可与采购,但是国内船东似乎仍然倾向于国外的总包商。笔者在此建议国内有LNG建造计划的船东,在接下来的造船计划中,多考虑一些国产的设备与厂商,大家一起为LNG船设备国产化添砖加瓦,进而促进我国形成健全的产业配套体系,弥补我国LNG船行业发展的“短板”,形成产业协同的整体优势,最终推动我国LNG船的建造能力迈上新的台阶!

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