【低温装备】LNG燃料的水上加注技术
加注是LNG燃料水上供应链上的关键环节，也是推广使用LNG作为船用燃料须首先解决的问题。LNG水上加注为新事物，仅能从欧洲十多年的应用中获取少量使用经验。
总体来看，国际上的LNG水上加注设施研究和建设正处于起步阶段，国际标准化组织（ISO）的TC67/WG10-LNG船用燃料加注工作组、IMOIGF工作组等都在同步进行LNG水上加注的研究工作。在欧洲，欧盟委员会（EC）于2013年1月通过了“清洁燃料战略（cleanfuelstrategy）”，提出“欧盟船用LNG综合框架行动方案”，计划至2014年底，欧盟委员会与欧盟海事局（EMSA）联合提出一整套关于LNG水上供应、加注和使用的综合性规范、标准和指南。至2020年1月，所有跨欧交通网工程（TEN-T）的核心港口必须建成LNG加注设施，提供LNG加注服务。
我国自2010年开展将LNG作为船用燃料试点工程以来，中国海事局、国家能源局、中国船级社（CCS）等各方积极推动LNG水上加注规范和标准的制定，为未来LNG加注趸船、加注船、岸站等的设计和建造奠定了基础。
技术发展概况
目前,LNG燃料水上加注方式总体上可分为如下三类（如图1）：
图1 LNG燃料水上加注的三种方式
1、船-船加注（Ship-to-shipbunkering，简称STS）,STS在码头、锚地、航行中均可进行，STS也包括加注趸船对船加注、海上浮式加注设施对船加注；
2、槽车-船加注（Tanktruck-to-shipbunkering，简称TTS)；
3、岸站-船加注（LNGintermediaryterminal-to-shipviapipeline，简称TPS),TPS也可结合趸船使用，LNG储罐位于岸上，趸船的作用是适应水位高差。
在以上三种方案中，目前应用最广的是TTS。北欧大部分LNG燃料船采用此种方式加注，槽车通过LNG小型中转站装车，将LNG燃料运往加注地点给LNG动力船实施加注，挪威已建成小型LNG中转站40余个，图2为挪威Arsvagen渡口的槽车加注作业。我国LNG双燃料试点船加注也采用TTS形式。
TPS在挪威已有应用，图3为挪威Halhjem的岸上加注站，储罐容量为2×500m3，为控制风险，储罐和加注站之间留有一定安全距离，之间的LNG管线埋于地下。
图2 挪威Arsvagen渡口的LNG槽车加注
图3 挪威Halhjem的岸上加注站（容量1000m3）
图4 2013年在Viking Line投入运营的LNG加注船
图5 荷兰鹿特丹港一加注趸船概念设计
对于STS，2013年初，世界首艘LNG加注船在VikingLine投入运营，该船由瑞典的CryoAB公司建造，储罐采用真空绝热罐，容量为180m3。另有FKAB、川崎、TGE、Rolls-Royce、瓦锡兰等公司也正在着手设计LNG加注船（或LNG加注/运输两用船）。
对于内河和港口，加注趸船也是一种合适的加注方案。在欧洲，已有LNG加注趸船的方案设计。图5为荷兰鹿特丹港一加注趸船的概念设计，船长60m，宽16.5m，其采用的是移动式储罐（可吊离趸船）。鹿特丹港提出，加注趸船的容量可分三个阶段发展，第一阶段在250m3以内，第二阶段在750m3以内，第三阶段达到1500m3。在我国长江水系，目前正在设计建造容量为100～500m3的LNG加注趸船。
表1列举了上述各种加注方案的优缺点，表2列举了各种船舶的适用方案。
水上LNG燃料加注工作原理
可行的LNG加注解决方案的设计取决于对安全性、可操作性、经济性三者的平衡。图6为一典型水上LNG加注系统。该系统的工作原理为：用泵将LNG通过加注软管（或加注臂）泵送到接收方储罐中。在软管的两端都装有紧急切断阀（ESD），如果发生泄漏或操作异常，ESD可自动或手动关闭，为防止过压，ESD的响应时间在30s左右。当ESD关闭时，为防止压力振荡，储罐配备有自循环系统进行降温和降压。为防止加注方与接收方之间过大的相对运动，在软管上装有紧急脱离装置（ERC）。加注软管两端采用干式快速接头（DryDisconnectCouplings，DDC）以防止泄漏。在加注之前，加注软管需要用LNG的蒸发气进行吹扫和预冷，加注之后，软管中的LNG要排干，然后用氮气吹扫加注软管和回气管。
图6 简化LNG加注系统图
LNG水上加注的风险识别
以下以STS加注方案为例，来分析水上加注设施潜在的风险和风险控制措施。LNG水上加注的风险识别见表3。
风险控制措施
1、船舶布置
要根据LNG泄漏后果（如低温损伤和火灾损伤），制定加注作业处、控制室、生活区、储罐区之间的安全距离，以及采取适当的保护措施（集液盘、水幕保护等）。为防止大量LNG泄漏后的蒸气云聚集而发生蒸气云爆炸，应使储罐区的布置不影响低温重气扩散。
2、储罐的冗余保护
对于加注船或加注趸船，其合理容积在200～1000m3，此时，C型独立液舱是最合适的LNG围护系统。IGC规则认为C型独立液舱不需次屏壁保护。对于加注船，储罐一般位于围壁或半围壁舱室内，双层舷侧结构可提供对储罐的保护。对于加注趸船，储罐一般设置在甲板上，为了减小储罐遭遇碰撞以及泄漏的风险，需要规定出储罐距离舷侧的距离，以及附加措施（如设置储罐围堰）。
3、加注连接
图7 挪威Agotnes CCB加注站的软管连接
图8 TGE设计的加注臂
加注过程中，加注方与被加注方的连接至关重要。可采用软管连接（图7）或加注臂连接（图8）。目前，有厂商生产LNG加注软管，管径尺寸为1英寸～16英寸，包括单层管和真空绝热型管两种形式；国内已有LNG加注臂生产能力。加注连接技术要点有：
●加注接头尺寸应标准化；
●加注速度的确定要合理（根据技术和市场的发展，趸船加注速度可达100～150m3/h，加注船速度有望达到400～1000m3/h）；
●软管和加注臂的操作程序要合理；
●需要应用干式快速接头（DDC）、紧急脱离系统（ERC）技术等先进技术。
4、防止泄漏导致船体低温损伤
图9 移动式不锈钢集液盘
图10 水幕保护船体结构
自1964年至今的LNG事故记录，与阀门或管路泄漏有关的事故几率高达约70%。所以，应对阀门管路泄漏风险的控制予以高度重视，具体措施包括：在相应位置设置不锈钢集液盘（如图9），以防低温液体损伤船体结构；为防止加注软管的泄漏对船体造成低温损伤，可采用如图10所示的水幕保护系统对软管经过的船体进行防护。
5、仪表设置和监控
加注系统要合理设置仪表，并能在控制室进行监控。为了防止储罐卸货时过充，要设置适用的液位测量装置，并要有备份；为了控制接收罐和加注罐的温差以及防止翻滚，要设置足够数量的温度测量装置；为了检测储罐及管路的压力，应设置压力监测装置。
6、储罐的降温降压措施
C型液罐本身有一定的耐压能力，可满足一定的维持时间要求。但为了控制温室气体甲烷的直接排放，储罐应具备自降压的功能。可通过设计LNG自循环系统，达到降温降压的目的。另可配备BOG罐，并有相应的BOG处理措施。
7、操作规程和人员培训
科学合理的操作规程和人员培训是确保LNG水上加注安全的重要因素，应制定LNG加注操作规程，根据不同加注阶段制定出详细的检查表（checklist），要对人员进行严格的理论和操作培训。
在总结以上技术发展和关键问题的基础上，建议在实施LNG加注项目时，应在以下方面开展工作：
（1）建立LNG加注设施的风险评估模型（包括蒸气云扩散、池火、低温损伤等评估模型），用于LNG泄漏后果的定量分析；
（2）建立加注意外事故的分类统计数据库，为未来技术改进做储备；
（3）协调我国陆上和水上LNG安全水平；
（4）开展加注连接中干式快速接头（DDC）系统、紧急脱离（ERC）系统的应用研究；
（5）制定LNG加注人员培训体系；
（6）研究减少甲烷排放量（甚至零排放）的措施。