張皓威，徐建浩，顧陳杰，邵雪鋒，王俊凱

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201203）

內河航運是國內運輸行業(yè)的重要組成部分，成本低、效益高，能極大地帶動流域經(jīng)濟發(fā)展。我國內河航運的傳統(tǒng)船舶動力以柴油為主，污染排放嚴重。近年來，為了促進多元化船舶能源結構，船用LNG 燃料已經(jīng)逐漸成為綠色航運體系的重要發(fā)展方向[1]。液化天然氣（LNG）具有能量密度大、運輸方便、安全性好、經(jīng)濟效益顯著等特點。LNG 應用于船舶動力時，相比傳統(tǒng)燃油，溫室氣體和污染物排放更低；LNG 著火點更高且不易引爆，能更好地保證運輸安全；LNG 的燃料成本也比常用柴油更低[2]。

內河水運正在積極推進LNG 清潔能源的使用，除去LNG 動力船舶制造和改裝外，LNG 岸基加注站的搭建正在逐漸鋪開[3]。長江、西江和京杭運河等內河沿線都在布局“氣化”方案，共規(guī)劃有74 座LNG 加注碼頭，2021 年12 月底已建成22 座[4,5]。LNG 岸基加注系統(tǒng)是LNG 岸基加注站的核心組成部分，主要由加注泵撬、加注臂、EAG 放散系統(tǒng)、氮氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部件組成，通過潛液泵將岸上儲罐內的LNG 加注到目標船燃料罐內。不過需要注意的是，LNG 加注系統(tǒng)涉及危險品、低溫和流程復雜等諸多設計難點，要在設計中對這些問題開展細節(jié)全面的分析。

魯亮等人[6]對內河的LNG 岸基加注站的加注管徑選擇和加注速度進行了分析，給出了岸基加注系統(tǒng)中加注流量、管徑和壓損的對應關系。趙鑫哲[7]給出了沿海干溝LNG 加注站選址的綜合評價指標體系，并且比較了配置方案下的加注站運行情況。李恬[8]對LNG 岸基加注站的組成分級、設計選址、總體布局和工藝設計進行了討伐和分析，給出了相應的建議。不過，目前LNG船舶保有量較少，LNG 加注站投資成本高、安全責任大，岸基加注系統(tǒng)的研究和設計工作仍然比較缺乏[3]。

目前已知內河LNG 岸基加注站單臺加注流量大多在20～30m3/h，當對容量較大的受注船或加注船的燃料儲罐加注時，加注時間就會很長。所以有必要設計大流量的岸基加注系統(tǒng)，采用雙泵變頻控制，同時滿足大流量和小流量的需求。

LNG 岸基加注系統(tǒng)中，絕熱泵撬系統(tǒng)是加注站正常運行的關鍵核心，由潛液泵、氣化器和NG 儲罐等部件組成，承擔著加注、計量、增壓、吹掃和保冷循環(huán)的功能。本文聚焦于LNG 岸基加注系統(tǒng)中的絕熱泵撬系統(tǒng)，對系統(tǒng)流程進行了優(yōu)化設計。對設計的絕熱泵撬系統(tǒng)開展流動、管道壁厚、管道保冷、返回氣流量等進行計算，驗證系統(tǒng)設計參數(shù)設置的合理性，為后續(xù)LNG岸基加注站實施提供支撐。

1 加注泵撬組成及功能

加注泵撬為一體化集成設備，是加注站內LNG 儲罐和船岸設備之間的重要連接模塊，主要由撬體、潛液泵（帶泵池）、流量計、氣化器、柱塞泵、NG 儲罐、調節(jié)閥、儀器儀表、燃氣報警器以及其他閥門和管路等組成，原理圖如圖1 所示。

圖1 加注系統(tǒng)原理圖

其主要功能如下：

（1）加注功能：泵撬中設置兩臺額定流量為30m3/h 的潛液泵，總加注流量為60m3/h，可通過變頻協(xié)作方式來滿足不同的流量需求。

（2）計量功能：在液相加注管路和氣相回氣管路中各設置一臺流量計。兩臺流量計均被集成在泵撬內，兩個流量的差值，可作為加注量的實際值，亦可采用精確度更高的熱值儀測量。

（3）增壓功能：泵撬中設置氣化器和柱塞泵，既可給LNG 儲罐增壓，也可以為NG 儲罐增壓。

（4）保冷功能：設置循環(huán)低溫管路，保證潛液泵、流量計在系統(tǒng)非工作時間內一直處于低溫狀態(tài)，減少關鍵設備預冷時間，保證計量精度。

（5）吹掃功能：泵撬中設置氮氣儲罐，可以在系統(tǒng)剛啟用或停止使用時進行管路惰化；設置NG 儲罐，可以進行氮氣吹掃后的置換，也可以在加注完成后，將管路中殘留的LNG 吹向受注燃料罐。

2 加注泵撬基本流程

在加注泵撬的液相和氣相管路分別與LNG 儲罐以及受注船連接完畢的狀態(tài)下，按如下流程完成加注作業(yè)。

（1）提前開啟保冷管路，加注管路應處于低溫狀態(tài)；

（2）打開氮氣管路對泵撬和受注船之間的加注管路進行惰化吹掃，然后用NG 儲罐內的NG 進行氮氣置換；

（3）打開加注閥，先小流量加注，待受注罐預冷完畢后，調節(jié)潛液泵逐漸增加加注流量；

（4）當受注船儲罐快要到達其額定充滿率時，開始逐漸降低加注流量；

（5）待加注停止后，使用NG 儲罐內NG 進行吹掃；此時若其壓力不足，則會報警。需要啟動柱塞泵對其增壓。

（6）NG 吹掃后，使用氮氣對加注段管路進行惰化，然后再斷開泵撬和受注船之間的連接；

（7）在整個過程中，流量計、壓力/溫度變送器實時監(jiān)測，各設備狀態(tài)亦實時顯示在操控屏上。

3 設計計算

根據(jù)功能要求，對相關流程校核計算，對重要設備進行選型計算。

3.1 設計要求

設計輸入?yún)?shù)如表1 所示，作為計算依據(jù)。

表1 設計要求參數(shù)

3.2 流動計算

主要對含有潛液泵的主加注管路進行計算，通過計算來校核管徑，并指導泵的選型。各管段輸入?yún)?shù)如表2 所示。

表2 各管段參數(shù)

表3 各管段流速

各管段沿程阻力計算結果如表4 所示，其中雷諾數(shù)（Re）按照公式計算，沿程阻力系 數(shù)（Frictional resistance coefficient，λ）按照公式計算，沿程阻力（Frictional resistance，h）按照公式計算。

表4 沿程阻力計算

各位置局部阻力系數(shù)（coefficient of local resistance,ξ）如表5 所示，其中管路彎頭局部阻力直接取所有彎頭局部阻力的總和。各位置局部阻力按照公式計算，最終相加得到總的局部阻力為31.35m。

表5 局部阻力計算

根據(jù)表4 和表5 計算，管路整體阻力為39.58m，在對潛液泵進行選型時，除了考慮該管路的阻力，還應根據(jù)加注站實際布置，考慮加注撬與受注船之間管路和接頭的阻力。

3.3 管道壁厚校核

根據(jù)GB/T 20801-2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》對加注主管道強度進行計算。首先對管道壁厚進行校核，計算條件及內容如表6 所示。

表6 管道壁厚校核計算

其中：

計算厚度（Calculate thickness）由公式計算得到。

材料厚度負偏差（Thickness Negative deviation）由公式計算。有效厚度（Effective thickness）由公式計算。

試驗壓力下管道應力（Pipe stress under PT）由公式計算。

試驗下的許用應力（Yield strength under PT）由公式

3.4 管道保溫層厚度計算

深冷狀態(tài)的LNG，最低溫可達-163℃，加注管道會因低溫產(chǎn)生結露結霜，并使大量LNG 氣化，影響安全和正常使用。因此需要對加注管道進行保冷，依據(jù)保冷計算確定安裝敷設保冷材料的厚度，以保證加注管道表面不出現(xiàn)結露結霜，LNG 不會因漏熱而過度氣化。

保冷計算輸入條件如表7 所示。

表7 保溫層厚度計算條件

根據(jù)GB50264-2013《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》，圓筒保冷層厚度計算公式計算。

式中，D1 為保溫層外徑，D0 為保溫層內徑，即管道外徑，λ 為保溫材料導熱系數(shù)，ts 為保溫層外表面溫度，ta 為環(huán)境溫度，t 為保溫內表面溫度，αs 為對流換熱系數(shù)，根據(jù)GB50264，取值為8.141W/(m2K)。

3.5 返回氣量計算

為相對更準確計量，在液相加注管路和氣相返回管路同時安裝流量計。根據(jù)潛液泵的選型參數(shù)可以很方便對液相流量計進行選型，但對測量氣相返回流量的流量計進行選型時，需要計算其大概的返回量作為參考。

計算過程假設受注罐物理容積80m3，充滿率從10%到85%，相關條件和計算如表8 所示。

表8 返回氣計算

根據(jù)加注初始狀態(tài)和終了狀態(tài)的相關參數(shù)，以及公式計算返回氣的流量。其中采用初始密度計算出最大流量663.06kg/h，采用終了密度計算出最小流量107.68kg/h。

4 試驗測試

根據(jù)LNG 岸基加注泵撬的流程設計、計算和設備選型，進行結構設計和制造，并對加注撬進行低溫試驗、壓力試驗、流量試驗等性能試驗。

采用液氮進行低溫試驗，加注泵撬狀態(tài)如圖2 所示，測試監(jiān)控界面如3 所示。

圖2 低溫試驗狀態(tài)

試驗結果如表9 所示。

表9 試驗結果

試驗結果滿足最初設計要求，潛液泵變頻控制、柱塞泵運行增壓、各設備實時監(jiān)控等均可正常工作。

5 結論

本文設計了一套LNG 岸基加注泵撬，通過流程設計和必要的性能和設備選型計算，在此基礎上完成加注泵撬的制造，并通過試驗測試。通過試驗結果可知，所設計的加注泵撬具有占用空間小、安裝運輸方便、操作簡單、安全可靠等特點；加注、計量、增壓、保冷、吹掃等功能均達到預期目的，可以滿足內河LNG 燃料船舶的加注需求。