近日，中国船级社(CCS)的“LNG燃料罐整体换罐模式及技术要求研究”项目的研究及其研究成果《LNG燃料罐整体换罐模式及技术要求研究报告》《船舶应用天然气燃料规范》(2021)修订建议和《LNG燃料罐整体换罐操作手册》正式通过专家评审。来自科研机构、造船企业、航运企业、设备厂家和CCS相关部门的专家一致认为，这为后续船舶规范完善和换罐模式在实际项目中的应用提供了技术支撑，对我国LNG动力船的应用推广具有重要推动作用。
创新破解LNG补给难题
液化天然气(LNG)燃料的应用是发展长江绿色航运的重要举措之一，亦是推动长江经济带高质量发展,谱写生态优先绿色发展新篇章的重要推手之一。近年来，我国一直积极推动LNG在内河航运的应用，交通运输部等部门也多措并举推动船舶使用LNG以及内河LNG加注站的建设。在此背景下，不难预测，船舶用气将会迎来巨大增长，LNG动力船舶的燃料补给需求也将随之增长。
目前，船用LNG加注模式总体上可分为槽车加注、岸站加注、趸船加注、海上浮式加注、加注船加注、整体换罐等多种方式。在我国内河使用较多的主要是岸站加注和趸船加注。岸站加注指通过岸基码头为受注船提供LNG燃料加注服务。岸站加注模式适用于水位变化不大的渠化河流或港口，该模式也可结合趸船使用，将LNG储罐固定在岸上，加注设备固定在趸船上，趸船可适应不同季节水位差变化。趸船加注指将包括储罐的整套加注设施放置于船上实施加注。该种加注模式的特点是可以适应航道的水位变化，而且可以根据市场的变化、加注站布局的变化而改变船位。
然而，无论是岸站加注和趸船加注模式，还是槽车加注、海上浮式加注、加注船加注模式，都需要新建加注船、加注站，这就存在投资大、建设周期长、审批手续复杂、加注安全距离受限、标准不统一等系列问题。目前在我国还未能实现大规模推广，而且较难在短时间内形成与市场需求相匹配的规模效应。面对LNG内河应用需求的巨大增长潜力，有效的商业模式亟待被挖掘。与此同时，尽管目前在我国长江干线、西江干线、京杭运河及库湖区等“大动脉”已逐步形成的LNG燃料补给总体格局是趸船式加注和岸基式加注各有主辅、互为补充，但在支线河流等“毛细血管”，因水面宽度有限、水流状态复杂，如何保障船舶能够获得安全可靠的LNG燃料补给成为亟待解决的问题。
针对LNG动力船舶燃料补给困难这一问题，CCS设立了“LNG燃料罐整体换罐模式及技术要求研究”项目，提出了利用可移式LNG燃料罐，通过整体换罐模式实现燃料补给的解决方案。“如果采用以LNG罐箱作为可替换式标准燃料罐，对内河船舶进行标准化改造，进行统一调配，统一管理，可以有效规避上述诸多问题，可实现随到随换，随换随走。”CCS武汉规范研究所研发部侯星星介绍道。
LNG燃料罐整体换罐方式指在船舶燃料罐LNG用完后，不使用任何一种已有LNG加注形式对燃料罐进行补液，而是将燃料罐整体卸下，更换新的燃料罐。该模式可完美解决上述一系列困难，并且可在短时间内迅速与市场需求相匹配。LNG燃料罐整体换罐模式优势也十分突出，首先，受注限制少，加注地点不再受限于加注站，只要是具有吊装资质的码头，都可以完成船舶的换罐加注。其次，加注时间缩短，传统加注需要进行惰化、吹扫等一系列加注流程，采用可移式LNG燃料罐只需要进行换罐，有效缩短加注时间。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英尺标准罐箱，小于绝大部分的固定式LNG燃料罐储存容量，适合小型和中型船舶应用。第四，利于船舶标准化和集成化设计，若有一定规模数量的船舶应用可移式LNG燃料罐，可以实现船舶换罐的统一调配、统一管理。
罐箱与可移动燃料罐大不同
目前，水上运输技术已十分成熟的LNG罐箱在水陆空“多式联运”模式之下的优势十分突出，随着LNG罐箱应用发展，势必也会加快其在船舶上作为燃料罐的应用进程。鉴于LNG罐箱与LNG燃料罐如此类似，都是可移动的独立罐箱，那么，LNG燃料罐是否可以直接采用LNG罐箱的相关要求投入应用呢？答案是否定的。
侯星星解释道：“尽管LNG罐箱水上运输技术已十分成熟，但如果要将其作为LNG燃料罐，则还需要进一步分析研究二者之间的不同，分析其是否能满足LNG燃料罐的各项特有要求，从而确保船舶航行的安全性和可靠性。”
针对此，CCS项目组对船用LNG燃料罐的适用性进行了研究，从LNG罐箱的应用现状出发，分析了可移式LNG燃料罐的市场需求，研究了可移式LNG燃料罐与LNG罐箱的异同，规范方面，LNG罐箱运输时仅需满足《国际海运危险货物规则》(IMDG规则)，而作为燃料罐时需同时满足IMDG和国际使用气体或其他低闪点燃料船舶安全规则(IGF规则)。相较于运输罐箱，可移式燃料罐增设了大量需与船舶系统相连的接口和阀件等，同时其外部框架也需采用耐低温材料制造，除非经过低温计算并经认可。
研究结果显示，LNG罐箱作为可移式燃料罐，与固定式燃料罐的区别主要体现在连接方式和布置上。
连接方式方面。首先，固定式燃料罐不需要进行换罐操作，直接通过加注充装液体即可，因此燃料罐与船舶供气系统之间的连接是固定的。而可移式LNG燃料罐需要进行拆卸、更换操作，会导致LNG泄漏风险增大，对于连接接头和连接管路需要重点关注。其次，供气系统连接。固定式燃料罐的供气系统组成已基本固化，为燃料罐-蒸发器-阀箱(GVU)-发动机。目前罐箱作燃料罐的设计方案有集成蒸发器和单独罐箱两种形式，供气流程与固定式燃料罐相同，都需要经过蒸发器-GVU-发动机的流程。第三，安保系统连接。固定式燃料罐的监控信号，如压力、液位、温度等信号传感器与船舶监控系统之间始终连接，而可移式LNG燃料罐需要设置专门的接线箱，用于换罐时与船舶安保监控系统的连接，包括信号的连接传输和遥控阀的操作等。
船舶布置方面。首先，固定式燃料储存一般有独立型燃料舱和薄膜型燃料舱两种，可以位于开敞甲板之上，也可以位于甲板下的围蔽处所，这两种型式都非常普遍。对于LNG罐箱而言，当其作为集装箱运输时，IMDG规则明确规定罐箱必须位于开敞甲板之上；IGF规则对于可移式燃料罐则没有规定不能位于甲板下围蔽处所，从安全、换罐方便的角度出发，现有方案更倾向于将罐箱布置在开敞甲板之上。其次，固定式燃料罐与可移式燃料罐布置均没有明确的规定船舶布置位置，满足尽可能远离着火源的条件下，船首、船中和船尾都允许。第三，船舶应用固定式燃料罐一般单个容量大，总体数量少，但是可移式LNG燃料罐单个容量小，若船舶需求量大，则需要同时配备多个罐箱，为充分利用船舶的高度空间，在船舶上的布置存在堆码现象，而采用堆码方式后，罐箱的跌落、透气系统、有效隔离等安全问题都是需要加以考虑的问题，固定式燃料罐在这方面则不需要特殊考虑。
技术为安全筑牢屏障
经过对比不难看出，LNG燃料罐与LNG罐箱之间的区别是显而易见的。为了全方位保障LNG燃料罐整体换罐模式下的航运安全性和可靠性，在分析了解了LNG罐箱和可移式LNG燃料罐自身特点以及差异后，CCS项目组对LNG燃料罐整体换罐模式的技术要求进行了研究。
“我们分析研究了现在国内外已有的和正在进行的相关实船案例以及概念设计方案，从政策法规、适用船型和关键技术3个方面重点分析研究了LNG燃料罐整体换罐模式的应用特点和前景。”侯星星表示。
政策法规方面。国外或国内法规中均包含了LNG罐箱用作可移式燃料罐的要求及LNG罐箱作为集装箱本身的要求，如同时满足燃料罐和罐箱运输要求，LNG罐箱可用作可移式燃料罐；国内标准与国内法规要求一致，允许使用LNG罐箱用于可移式燃料罐。安全监管方面，港口装卸LNG罐箱目前具备可行性，只是在加注方面有所限制，LNG罐箱用作可移式燃料罐时，不可对LNG罐箱进行直接加注，只有在保证操作、发证、管理等方面可行的前提下，使用LNG罐箱换罐进行LNG加注才具备可行性。
适用船型方面。以长江流域典型船舶为例，选取了20余艘船舶进行计算，研究了船舶总吨位、功率需求和船型的适用性，经计算认为2个40英尺可移式LNG燃料罐可以满足绝大部分船舶的动力需求，具有普遍适用性，且建议采用并排布置，避免堆码方案带来的掉箱等风险。500总吨以下船舶建议采用10英尺或20英尺的小尺寸可移式燃料罐。船舶类型方面，客船、危险化学品船、起重船、挖泥船、自卸沙船以及不定期航线这类船舶，不建议应用可移式LNG燃料罐，如确需应用，应该经过风险评估认可。对于集装箱船、干散货货船、滚装船这类常规货船，可以应用可移式LNG燃料罐，应用时根据船舶情况确定燃料罐的布置位置及配置数量，保证船舶安全性。
关键技术方面。第一，总体设计方案。包括集成蒸发器在罐箱内和单独标准罐箱设计两种方案，可根据船舶是否布置集液盘等防泄漏装置、燃料罐数量等因素选择方案。第二，固定方式。船舶固定建议采用角件锁结构，可搭配挡板等方式加强燃料罐固定；堆码层间固定用绑扎件。第三，供气系统连接。含水、LNG、NG三种介质，法兰、干式快速接头、螺纹式三种接头都允许，建议采用干式快速接头，但需进行振动试验；管路系统应采用柔性连接。第四，安保系统连接。采用集成式防爆快接插头，但业界需要统一插头型式和通讯协议。第五，换罐操作。可采用滚装式和吊装式等两种方式，绝大部分用吊装式。严格遵守《危险货物集装箱港口作业安全规程》和《集装箱港口装卸作业安全规程》，提高换罐人员操作水平。换罐后需进行安保系统连接的有效性测试。最后，对整体设计方案开展HAZID风险评估，对存在的风险点提出了相应的建议措施。
项目研究报告有效解决了船舶固定、供气系统连接和安保系统连接等方面的技术难点，可为今后船舶应用LNG燃料罐整体换罐模式的技术发展和研究提供技术指导。与此同时，项目研究形成的规范修订建议可为《船舶应用天然气燃料规范》相关内容的完善提供输入信息，从而指导船舶设计、建造和检验；形成的《LNG燃料罐整体换罐操作手册》可作为CCS技术服务产品，对实船应用LNG换罐模式提供操作建议，保证操作的安全性。
对于未来，侯星星表示：“可移式燃料罐的标准化是实现换罐模式大规模应用的重要前提，尤其是供气连接系统和安保连接系统的连接接头需要标准化，才能实现不同燃料罐与不同船舶之间的最佳匹配。但由于目前实际应用案例较少，因此在今后发展中，重点在于需要联合业界共同推进对于具体标准型式的确定。”
