据统计,世界航运业每年要消耗燃油20亿桶,排放CO2超过12亿吨,约占全球总排放量的6%.为应对世界气候变化,国际海事组织(IMO)出台了环保规则,规定了船舶污染防治,减少排放的标准和时限.IMO海洋环境保护委员会所制定的《船舶污染防治国际公约》规定:要求2010年7月以后在排放管制区域(ECA)航行船只所用燃料含硫量不能超过1%(质量分数),2015年1月1日后不能超过0.1%.ECA范围目前包括波罗的海和北海到英吉利海峡南端的连续海域,未来北美部分地区和亚洲香港地区也极有可能纳入.

目前中国大部分船舶如果要在欧盟港口停靠只能采用两种方式:一是提前关闭引擎靠岸;二是使用液化天然气(LNG)等清洁能源.在此背景下,根据绿色航运能源发展趋势,LNG作为船舶能源在安全性,经济性,环保性等方面优势明显,逐渐成为了未来船用燃料的首选.相比同热值的燃油,LNG可减少CO2排放15%~20%,减少NOx排放80%~90%,完全没有SOx排放.根据交通运输部《关于推进水运行业应用液化天然气的指导意见》,预计有数万艘内河船舶符合改燃条件,每年新增内河船舶4 000~5 000艘,到 2016 年中国内河流域 LNG-柴油双燃料动力船舶保有量将达2.38 万艘[1].

随着LNG动力船的快速推广应用,其燃料加注技术愈发受到人们关注.本文以LNG动力船加注技术为研究对象,重点研究了加注工艺流程,加注类型,加注特殊性及加注站的建设方案与规模等多个方面,为我国LNG动力船加注技术的推广应用提供一定的借鉴.

国际上关于LNG生产,储存和运输的标准较多,但关于LNG加注的标准却较少,目前主要有:

(1) 美国消防协会 NFPA52车载燃料系统规范;

(2) 美国消防协会 NFPA59A LNG生产,储存和装运.

以上国外标准强调本质化安全和小型设施简单宽松的原则.NFPA52与NFPA59A比较,更加注重科学合理原则,对加注设施安全标准要求宽松.

由于LNG属新兴产业,国内标准化工作还处于起步阶段.目前只有一些指导性的意见,尚无具体的实施细则,具体参数,标准.与LNG相关的标准如下[2]:

(1) GB/T 24963--2010 《液化天然气设备与安装船岸界面》;

(2) GB/T 26980--2011 《液化天然气(LNG)车辆燃料加注系统规范》;

(3) GB17422--1998 《液化气体船水上过驳作业安全准则》;

(4) NB/T 1001--2011 《液化天然气(LNG)汽车加气站技术规范》;

(5) 中华人民共和国海事局于2012年印发的《LNG燃料动力试点船舶技术要求》和《LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求》.

国内针对LNG船基加注方面的规范还没有出台,也没有针对LNG岸基加注站的施工规范文件.

LNG动力船储罐中液体温度为-165 ℃.为防止加注过程中LNG吸热气化,必须对管线进行相应保温.LNG动力船储罐在加注前需进行氮气置换或抽真空处理,保证含氧量小于3%才可进行加注[3].同时,加注前还需做好喷雾预冷工作,喷雾预冷应缓慢进行,保证温度升至-150 ℃后才可缓慢加注LNG液体.LNG动力船加注的主要工艺流程如图1所示.世界上主要的LNG动力船应用情况如图2~4所示.

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图1   LNG动力船加注工艺流程图

Fig.1   Filling process of LNG fueled ship

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图2   世界首艘LNG燃料动力船:Viking

Fig.2   The first LNG fueled ship: Viking

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图3   世界首艘改装LNG燃料动力成品油轮,LNG燃料容量 2×500 m3

Fig.3   The first modified LNG fueled ship. Its LNG fuel capacity is 2×500 m3

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图4   世界首艘LNG燃料集装箱船5000TEU Maersk Drury 号

Fig.4   The first LNG fueled container ship 5000TEU Maersk Drury

LNG动力船加注类型主要有槽车码头或换罐加注,岸基加注和船基加注[4],分别介绍如下.

(1) 槽车加注是指由岸上LNG槽车向水中船舶加气.同时,对于小型渔船,货船,渡轮也可采用换瓶方式,LNG船载瓶容量一般小于275 m3.

(2) 岸基加注是指在海岸线码头建立LNG终端接收站,通过低温保冷管线(加注软管或者加料臂)向船舶加注LNG,接收站用于接收,储存,气化并外输天然气.欧盟部分接收站已经具备对LNG动力船舶进行加注的能力.

(3) 船基加注是通过LNG运输船对LNG动力船进行船对船加注,类似于燃油船对船加注模式.这种方式有较强的灵活性,不需要固定地点,尤其是对于不能进港的超大型集装箱船或油轮特别适用.加注船停泊时须把握好停泊时机,还应配置适当的护舷和充足牢靠的锚绳/锚索[5].加注系统的设计应保证加注船和接收船均能安全,有效地移动,加注船的系泊时间应根据接收船的周转时间决定.船基加注将成为未来LNG燃料动力船的主要加注模式,主要是因为船基加注具有高度灵活性,可以在码头和海上对各种类型的船舶进行加注,而且船基加注的装载率高,加注容量大.

加注类型对比见表1.

表1   LNG动力船加注类型对比

Table 1   Comparison of LNG fueled ship filling type

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(1) LNG船舶加注不同于陆地槽车加注.陆地加注时,加气和进气设施处于同一平面;码头加注时,船舶可能晃动;趸船加注时,趸船和船舶同时晃动,必须考虑高低位和船舶晃动产生的不利影响.

(2) 水位落差.有时水位落差几十米,LNG动力船不能靠岸,只能偏向航道中心停泊加注,加注码头的加气管道可能长达120 m;趸船如向航道中心移动,补给燃料时卸料软管要足够长,或需将LNG动力船拖至岸边补给.LNG动力船加注口高差很大,海浪,涨潮,洋流,风速,能见度等因素将对加注造成不利影响.

(1) 对于我国内河水域,选择合适的加注方案还需要考虑水域特点,输送距离,交通状况,容量,加注频次,安全性,周边其他加注站以及岸上LNG需求等.对于长江流域,采用布置于江面中心的加注趸船是经济合理的加注模式;对于运河或者河道较窄的河流,一般采用岸基加注模式;对于沿海或者远洋LNG动力船加注,一般采用船基加注模式.

(2) LNG加注站通过低温卸料臂向船舶加注LNG.这种卸料臂操作简单,出现紧急情况时卸料臂会自动与被加注船脱离并同时切断LNG加注.

(3) 因LNG动力船舶加注量大,故码头加注站储存规模应大于陆地普通汽车加注站,一般低温储罐单罐容积以350 m3为宜,总储量以1 400 m3为宜,LNG加注趸船规模一般为4×350 m3.

(4) 内河LNG改造船舶吨级为2 000 t左右.考虑到LNG船舶夜间作业的安全隐患,加注一般应在白天进行,加注时间控制在1 h以内.

详细介绍了LNG动力船加注的工艺流程,加注类型,加注特殊性及加注站建设方案等,同时进一步研究了适合于我国内河和沿海的加注模式,LNG加注站储存规模和加注时间要求.上述研究结果可为我国LNG动力船加注技术的推广应用提供一定的借鉴.

The authors have declared that no competing interests exist.

LNG燃料动力试点船舶关键设备技术要求

[本文引用: 1]     

气体燃料动力船检验指南

[本文引用: 1]     

液化天然气船舶加注问题的研究

[本文引用: 1]     

LNG动力船舶加气技术

[本文引用: 1]     

天然气燃料动力船燃料加注模式研究

[本文引用: 1]