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LNG动力船舶的应用及燃料加注

 2022年2月28日,中远海运能源全球首艘LNG双燃料超大型原油船“远瑞洋”轮成功交付。该船将液化天然气作为主要动力,配备了两个大型液化天然气燃料舱,每个燃料舱容积为3500立方米,在服务航速15节条件下,以燃气模式为动力,续航力可以达到12000海里。

在国际航运市场能源转型与低碳革命的背景下,目前已经有越来越多的船舶将 LNG作为主要燃料。与其他燃料对比, LNG 具备清洁能力强、绿色环保以及储存量大等诸多优势,不但拥有较强的环境效益,还具备较高的经济效益。正如中国船舶工业行业协会秘书长李彦庆所述,国际海运界正在倡导和推进低碳发展,业内也在积极探寻低碳/零碳燃料, LNG 是当前经济和技术条件下最安全、减排效果最好的船舶燃料之一。

“远瑞洋”轮

一 市场现状

据全球独立能源咨询和认证机构 DNV 的数据显示,2021年全球共订购 240 艘LNG 动力船,2021年新建造的动力船中超 30%使用的是双燃料发动机。截至1月底,已订购和运营中的 LNG 动力船总数达到近 700 艘。从短期和中期来看,LNG、合成天然气处于船舶燃料领先地位,其次是氨、氢和甲醇。预计到 2050 年,LNG 和液化石油气(LPG)燃料船的市场份额将达到 39%。

二 燃料储舱特性

LNG动力船舶的供气系统主要包括LNG燃料罐、汽化器以及燃气控制单元等。由于LNG具有超低温、易挥发等特殊性,因此存储设备相对其他压力容器存在特殊要求:

耐低温。标准大气压下液化天然气的沸点约为-163℃,目前LNG主要选择低温常压储存方式,低温常压存储能够有效降低容器壁厚,并且提高安全性能。所以选用的LNG燃料罐必须具有良好的耐低温性能。

安全性。LNG的低温性质可能对人体产生低温灼伤、冻伤、肺部伤害、窒息等巨大伤害,泄露后液态燃料会吸收空气中的热量转为气态成为可燃混合物,对船舶安全运营造成重大威胁。因此需要关注系统设计、建造、监测、应急质量控制,充分论证安全设计方案及安全防护措施,并考虑消除泄露安全隐患的有效应急措施。

绝热保温。由于LNG常压储存温度为-163℃,因此低温燃料罐内外温差最高将超过200℃,要使LNG保持液态减少蒸发量,燃料罐就需要具有良好的绝热保温性能。通常在燃料罐的双层壳之间加装绝热保温结构提高保温性能。

目前LNG动力船的燃料罐主要采用C型和薄膜型。C型液舱按照压力容器的要求进行设计和生产,其横截面通常为圆形,需要马鞍式底座的支撑,不需要次屏壁,通常其内部设计压力在1.0MPa-2.16MPa。此型液舱结构形式相对简单、 便于建造及安装,蒸发气处理比较灵活,但对舱容的利用率低,自身重量大,适用于小型LNG燃料动力船。

使用C型燃料罐的LNG双燃料超大型原油轮(VLCC)“远瑞洋”

薄膜型舱依附于船体结构,自身重量轻,舱容利用率高,建造工艺较为复杂、需要设置完整的次屏壁防止泄漏,通常情况为常压燃料舱。薄膜型液舱属于非自身支持的液货舱,薄膜作为主屏壁不能独立承受货物重量,需要船体结构对其予以支持。此型液舱适用于大型和超大型运输船。

使用薄膜型液舱的LNG双燃料23000箱集装箱船“达飞·索邦”号

“达飞·索邦”号的薄膜型LNG燃料舱

三 LNG加注

根据中国船级社发布的《液化天然气燃料加注作业指南》,船舶LNG加注系指从陆基或浮式装置将LNG燃料传输至天然气燃料动力船舶的作业过程。LNG 动力船加注方式主要有槽车加注、岸基加注和加注船加注,目前大部分港口主要采取机动性好、操作灵活的加注船形式。据DNV 统计,截至去年 8 月,全球在运营的 LNG加注船为 30 艘,其中欧洲 19 艘、美洲 6 艘、亚洲 5 艘。截至去年底,全球共有 141 个港口可以提供 LNG 加注服务,据克拉克森预计,今年底这一数量将增至 170 个。近年内将明显看到港口 LNG 加注基础设施的加速建设。

车到船加注方式。槽车通过LNG接收站进行补给,然后将LNG燃料运至目的码头通过柔性软管为LNG动力船舶实施加注。加注量大约在50-100立方米,加注速度大约在40-60立方米/小时。槽车加注模式适用于内河船舶、港作拖轮、沿海工作船等小型船舶加注,在前期LNG动力船舶数量较少时可以满足船舶加注需求。

车到船加注方式

车到船加注方式

港到船加注方式。在岸基码头建设船舶加注站为受注船提供LNG燃料加注服务。通过在码头布置小型LNG储罐,使用软管开展加注作业。也可配合趸船使用,将LNG储罐固定在岸上,加注设施安装在趸船上,以适应不同季节的水位差变化。岸基加注模式适用于水位稳定的沿海和内河码头或港口,可为各吨级船舶提供加注服务,作业连续性强,加注效率高。

港到船加注方式

港到船加注方式

船到船加注方式。指在装卸码头或锚地利用加注船为受注船提供LNG燃料加注服务。该加注模式具有机动性好、操作灵活等优点,可在沿海港口或锚地开展LNG加注作业。LNG加注船单次加注量大,加注速率高,适用于沿海大型LNG动力船舶燃料加注,同时兼顾为岸基加注站、趸船加注站等进行补液作业。 

从目前法律法规及相关规范看,LNG加注船加注模式主要有两种:一是受注船靠泊码头进行加注;二是受注船在加注锚地进行加注。《水上液化天然气加注作业安全监督管理办法》第七条明确,通过加注船进行水上LNG加注作业的,作业双方应当遵守水上交通安全和防治船舶污染水域环境管理的有关规定,尽量远离船舶定线制区、饮用水地表水源取水口、渡口、客轮码头、通航建筑物、大型桥梁、水下通道以及沿海设标航道。由于LNG加注船需要满足LNG船舶进出港航行移动安全区等要求,在加注前需要对每个码头到LNG装货码头的航道、安全距离等进行论证。

船到船加注方式

LNG燃料动力船舶的加注作业涉及相关设备为软管、加注臂、加注接头等连接设备和拉 断阀、紧急脱离装置、应急切断(ESD)、消防系统等安全设备,以及辅助加注作业进行的例如系泊设备、碰垫、通讯系统等辅助设备。在加注全流程作业中直接面临着深冷及蒸汽控制的问题,需要在加注之前进行管路的管系预冷、惰化、扫吹,加注之后继续对管系进行同样的操作。对于不同类型的容器在操作过程中严格控制传输速度和燃油舱压力,保证燃料舱的稳定性。

在加注过程中,防止天然气溢漏而产生的爆炸性气体环境,需要划定作业危险区(加注作业现场危险区域)、限制区域(加、受注船分别划设)、警戒区域(外围管控水域与加注船保持安全宽度),并制定相应的管控措施,杜绝因加注场所周围的电气设备或者非防静电工作鞋、服和其他火源等产生危害作业和水域安全的严重后果。

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