中國船級社研發內河LNG動力船換罐新模式

近日，中國船級社(CCS)的“LNG燃料罐整體換罐模式及技術要求研究”項目的研究及其研究成果《LNG燃料罐整體換罐模式及技術要求研究報告》《船舶應用天然氣燃料規范》(2021)修訂建議和《LNG燃料罐整體換罐操作手冊》正式通過專家評審。來自科研機構、造船企業、航運企業、設備廠家和CCS相關部門的專家一致認為，這為后續船舶規范完善和換罐模式在實際項目中的應用提供了技術支撐，對我國LNG動力船的應用推廣具有重要推動作用。

創新破解LNG補給難題

液化天然氣(LNG)燃料的應用是發展長江綠色航運的重要舉措之一，亦是推動長江經濟帶高質量發展,譜寫生態優先綠色發展新篇章的重要推手之一。近年來，我國一直積極推動LNG在內河航運的應用，交通運輸部等部門也多措并舉推動船舶使用LNG以及內河LNG加注站的建設。在此背景下，不難預測，船舶用氣將會迎來巨大增長，LNG動力船舶的燃料補給需求也將隨之增長。

目前，船用LNG加注模式總體上可分為槽車加注、岸站加注、躉船加注、海上浮式加注、加注船加注、整體換罐等多種方式。在我國內河使用較多的主要是岸站加注和躉船加注。岸站加注指通過岸基碼頭為受注船提供LNG燃料加注服務。岸站加注模式適用于水位變化不大的渠化河流或港口，該模式也可結合躉船使用，將LNG儲罐固定在岸上，加注設備固定在躉船上，躉船可適應不同季節水位差變化。躉船加注指將包括儲罐的整套加注設施放置于船上實施加注。該種加注模式的特點是可以適應航道的水位變化，而且可以根據市場的變化、加注站布局的變化而改變船位。

然而，無論是岸站加注和躉船加注模式，還是槽車加注、海上浮式加注、加注船加注模式，都需要新建加注船、加注站，這就存在投資大、建設周期長、審批手續復雜、加注安全距離受限、標準不統一等系列問題。目前在我國還未能實現大規模推廣，而且較難在短時間內形成與市場需求相匹配的規模效應。面對LNG內河應用需求的巨大增長潛力，有效的商業模式亟待被挖掘。與此同時，盡管目前在我國長江干線、西江干線、京杭運河及庫湖區等“大動脈”已逐步形成的LNG燃料補給總體格局是躉船式加注和岸基式加注各有主輔、互為補充，但在支線河流等“毛細血管”，因水面寬度有限、水流狀態復雜，如何保障船舶能夠獲得安全可靠的LNG燃料補給成為亟待解決的問題。

針對LNG動力船舶燃料補給困難這一問題，CCS設立了“LNG燃料罐整體換罐模式及技術要求研究”項目，提出了利用可移式LNG燃料罐，通過整體換罐模式實現燃料補給的解決方案。“如果采用以LNG罐箱作為可替換式標準燃料罐，對內河船舶進行標準化改造，進行統一調配，統一管理，可以有效規避上述諸多問題，可實現隨到隨換，隨換隨走。”CCS武漢規范研究所研發部侯星星介紹道。

LNG燃料罐整體換罐方式指在船舶燃料罐LNG用完后，不使用任何一種已有LNG加注形式對燃料罐進行補液，而是將燃料罐整體卸下，更換新的燃料罐。該模式可完美解決上述一系列困難，并且可在短時間內迅速與市場需求相匹配。LNG燃料罐整體換罐模式優勢也十分突出，首先，受注限制少，加注地點不再受限于加注站，只要是具有吊裝資質的碼頭，都可以完成船舶的換罐加注。其次，加注時間縮短，傳統加注需要進行惰化、吹掃等一系列加注流程，采用可移式LNG燃料罐只需要進行換罐，有效縮短加注時間。第三，利于小型和中型船舶布置，可移式LNG燃料罐多采用20英尺和40英尺標準罐箱，小于絕大部分的固定式LNG燃料罐儲存容量，適合小型和中型船舶應用。第四，利于船舶標準化和集成化設計，若有一定規模數量的船舶應用可移式LNG燃料罐，可以實現船舶換罐的統一調配、統一管理。

罐箱與可移動燃料罐大不同

目前，水上運輸技術已十分成熟的LNG罐箱在水陸空“多式聯運”模式之下的優勢十分突出，隨著LNG罐箱應用發展，勢必也會加快其在船舶上作為燃料罐的應用進程。鑒于LNG罐箱與LNG燃料罐如此類似，都是可移動的獨立罐箱，那么，LNG燃料罐是否可以直接采用LNG罐箱的相關要求投入應用呢？答案是否定的。

侯星星解釋道：“盡管LNG罐箱水上運輸技術已十分成熟，但如果要將其作為LNG燃料罐，則還需要進一步分析研究二者之間的不同，分析其是否能滿足LNG燃料罐的各項特有要求，從而確保船舶航行的安全性和可靠性。”

針對此，CCS項目組對船用LNG燃料罐的適用性進行了研究，從LNG罐箱的應用現狀出發，分析了可移式LNG燃料罐的市場需求，研究了可移式LNG燃料罐與LNG罐箱的異同，規范方面，LNG罐箱運輸時僅需滿足《國際海運危險貨物規則》(IMDG規則)，而作為燃料罐時需同時滿足IMDG和國際使用氣體或其他低閃點燃料船舶安全規則(IGF規則)。相較于運輸罐箱，可移式燃料罐增設了大量需與船舶系統相連的接口和閥件等，同時其外部框架也需采用耐低溫材料制造，除非經過低溫計算并經認可。

研究結果顯示，LNG罐箱作為可移式燃料罐，與固定式燃料罐的區別主要體現在連接方式和布置上。

連接方式方面。首先，固定式燃料罐不需要進行換罐操作，直接通過加注充裝液體即可，因此燃料罐與船舶供氣系統之間的連接是固定的。而可移式LNG燃料罐需要進行拆卸、更換操作，會導致LNG泄漏風險增大，對于連接接頭和連接管路需要重點關注。其次，供氣系統連接。固定式燃料罐的供氣系統組成已基本固化，為燃料罐-蒸發器-閥箱(GVU)-發動機。目前罐箱作燃料罐的設計方案有集成蒸發器和單獨罐箱兩種形式，供氣流程與固定式燃料罐相同，都需要經過蒸發器-GVU-發動機的流程。第三，安保系統連接。固定式燃料罐的監控信號，如壓力、液位、溫度等信號傳感器與船舶監控系統之間始終連接，而可移式LNG燃料罐需要設置專門的接線箱，用于換罐時與船舶安保監控系統的連接，包括信號的連接傳輸和遙控閥的操作等。

船舶布置方面。首先，固定式燃料儲存一般有獨立型燃料艙和薄膜型燃料艙兩種，可以位于開敞甲板之上，也可以位于甲板下的圍蔽處所，這兩種型式都非常普遍。對于LNG罐箱而言，當其作為集裝箱運輸時，IMDG規則明確規定罐箱必須位于開敞甲板之上；IGF規則對于可移式燃料罐則沒有規定不能位于甲板下圍蔽處所，從安全、換罐方便的角度出發，現有方案更傾向于將罐箱布置在開敞甲板之上。其次，固定式燃料罐與可移式燃料罐布置均沒有明確的規定船舶布置位置，滿足盡可能遠離著火源的條件下，船首、船中和船尾都允許。第三，船舶應用固定式燃料罐一般單個容量大，總體數量少，但是可移式LNG燃料罐單個容量小，若船舶需求量大，則需要同時配備多個罐箱，為充分利用船舶的高度空間，在船舶上的布置存在堆碼現象，而采用堆碼方式后，罐箱的跌落、透氣系統、有效隔離等安全問題都是需要加以考慮的問題，固定式燃料罐在這方面則不需要特殊考慮。

技術為安全筑牢屏障

經過對比不難看出，LNG燃料罐與LNG罐箱之間的區別是顯而易見的。為了全方位保障LNG燃料罐整體換罐模式下的航運安全性和可靠性，在分析了解了LNG罐箱和可移式LNG燃料罐自身特點以及差異后，CCS項目組對LNG燃料罐整體換罐模式的技術要求進行了研究。

“我們分析研究了現在國內外已有的和正在進行的相關實船案例以及概念設計方案，從政策法規、適用船型和關鍵技術3個方面重點分析研究了LNG燃料罐整體換罐模式的應用特點和前景。”侯星星表示。

政策法規方面。國外或國內法規中均包含了LNG罐箱用作可移式燃料罐的要求及LNG罐箱作為集裝箱本身的要求，如同時滿足燃料罐和罐箱運輸要求，LNG罐箱可用作可移式燃料罐；國內標準與國內法規要求一致，允許使用LNG罐箱用于可移式燃料罐。安全監管方面，港口裝卸LNG罐箱目前具備可行性，只是在加注方面有所限制，LNG罐箱用作可移式燃料罐時，不可對LNG罐箱進行直接加注，只有在保證操作、發證、管理等方面可行的前提下，使用LNG罐箱換罐進行LNG加注才具備可行性。

適用船型方面。以長江流域典型船舶為例，選取了20余艘船舶進行計算，研究了船舶總噸位、功率需求和船型的適用性，經計算認為2個40英尺可移式LNG燃料罐可以滿足絕大部分船舶的動力需求，具有普遍適用性，且建議采用并排布置，避免堆碼方案帶來的掉箱等風險。500總噸以下船舶建議采用10英尺或20英尺的小尺寸可移式燃料罐。船舶類型方面，客船、危險化學品船、起重船、挖泥船、自卸沙船以及不定期航線這類船舶，不建議應用可移式LNG燃料罐，如確需應用，應該經過風險評估認可。對于集裝箱船、干散貨貨船、滾裝船這類常規貨船，可以應用可移式LNG燃料罐，應用時根據船舶情況確定燃料罐的布置位置及配置數量，保證船舶安全性。

關鍵技術方面。第一，總體設計方案。包括集成蒸發器在罐箱內和單獨標準罐箱設計兩種方案，可根據船舶是否布置集液盤等防泄漏裝置、燃料罐數量等因素選擇方案。第二，固定方式。船舶固定建議采用角件鎖結構，可搭配擋板等方式加強燃料罐固定；堆碼層間固定用綁扎件。第三，供氣系統連接。含水、LNG、NG三種介質，法蘭、干式快速接頭、螺紋式三種接頭都允許，建議采用干式快速接頭，但需進行振動試驗；管路系統應采用柔性連接。第四，安保系統連接。采用集成式防爆快接插頭，但業界需要統一插頭型式和通訊協議。第五，換罐操作�？刹捎脻L裝式和吊裝式等兩種方式，絕大部分用吊裝式。嚴格遵守《危險貨物集裝箱港口作業安全規程》和《集裝箱港口裝卸作業安全規程》，提高換罐人員操作水平。換罐后需進行安保系統連接的有效性測試。最后，對整體設計方案開展HAZID風險評估，對存在的風險點提出了相應的建議措施。

項目研究報告有效解決了船舶固定、供氣系統連接和安保系統連接等方面的技術難點，可為今后船舶應用LNG燃料罐整體換罐模式的技術發展和研究提供技術指導。與此同時，項目研究形成的規范修訂建議可為《船舶應用天然氣燃料規范》相關內容的完善提供輸入信息，從而指導船舶設計、建造和檢驗；形成的《LNG燃料罐整體換罐操作手冊》可作為CCS技術服務產品，對實船應用LNG換罐模式提供操作建議，保證操作的安全性。

對于未來，侯星星表示：“可移式燃料罐的標準化是實現換罐模式大規模應用的重要前提，尤其是供氣連接系統和安保連接系統的連接接頭需要標準化，才能實現不同燃料罐與不同船舶之間的最佳匹配。但由于目前實際應用案例較少，因此在今后發展中，重點在于需要聯合業界共同推進對于具體標準型式的確定。”