Operacje ładunkowe LNG
Operacje ładunkowe na statkach LNG
Wszystkie operacje na statkach wykonuje się z zachowaniem odpowiedniej procedury, zgodnej z systemem bezpiecznego zarządzania. Można ją streścić do zasady:
- Zaplanuj
- Wykonaj
- Sprawdź czy wykonałeś zgodnie z planem. A jeśli coś przebiegło inaczej, to dlaczego.
Ma to na celu upewnienie się, że praca zostanie wykonana bezpiecznie oraz, że następnym razem będzie wykonana jeszcze bardziej efektywnie.
Planowanie składa się nie tylko z przygotowania listy zadań do wykonania, ale również próbie przewidzenia, co może pójść nie tak, jakbyśmy sobie tego życzyli. Dla takich zdarzeń próbuje się znaleźć sposób na zmniejszenie prawdopodobieństwa ich wystąpienia, lub na zminimalizowanie ich skutków negatywnych. Następnie plan pracy, wraz z analizą ryzyka, dyskutuje się z osobami, które mają te zadania wykonać. Trzeba się upewnić, że wszyscy wiedzą, co mają robić. Uwzględnia się też wiedzę i doświadczenie wszystkich zaangażowanych. Ważne jest, aby osoba planująca nie była przekonana o swojej nieomylności i o tym, że jej projekt jest najlepszy i należy się go sztywno trzymać. Jednak modyfikacje planu, po rozmowie z jego wykonawcami lub po zmianie warunków lub parametrów pracy, muszą być zaakceptowane przez osoby zarządzające.
Podczas wykonywania pracy kontroluje się zgodności planu i spodziewanych parametrów z obecną sytuacją. Komunikacja pomiędzy wykonawcami a nadzorującymi jest tu kluczowa. W sposób ciągły dokonuje się dynamicznej analizy ryzyka na podstawie zmieniającej się sytuacji. Nie można też bać się przerwania operacji, jeśli zagraża ona bezpieczeństwu.
Po wykonaniu zadania sprawdza się zgodność planu z rzeczywistością. Zdarzenia niechciane lub nieplanowane, raportuje się w celu znalezienia przyczyn ich wystąpienia i sposobu uniknięcia podobnych sytuacji w przyszłości. Raporty powinny być pisane w trybie biernym, bezosobowo i bez podawania imion lub stanowisk. Istnieje również raport sugestii poprawy; jeśli wszystko poszło dobrze, ale znaleziono możliwość optymalizacji procesu lub zapewnienia jego większego bezpieczeństwa.
Ciągła poprawa i ulepszanie są podstawą systemu zarządzania.
Operacje przeprowadzane na statkach LNG można podzielić na:
- Operacje postoczniowe:
– inertowanie przestrzeni izolacyjnych,
– osuszanie zbiorników i systemów ładunkowych,
– inertowanie zbiorników i systemów ładunkowych,
– gazowanie zbiorników i systemów ładunkowych,
– schładzanie zbiorników i systemów ładunkowych,
- Załadunek:
– przygotowania do załadunku,
– chłodzenie linii ładunkowej,
– załadunek LNG,
– wybalastowanie,
- Podróż z ładunkiem:
– kontrola ciśnienia ładunku poprzez spalanie,
– kontrola ciśnienia ładunku poprzez ponowne skraplanie,
- Wyładunek:
– przygotowania do wyładunku,
– chłodzenie linii ładunkowej,
– chłodzenie ramienia wyładunkowego,
– wyładunek LNG,
– balastowanie,
- Podróż pod balastem:
– utrzymanie temperatury,
– kontrola ciśnienia,
- Operacje przedstoczniowe:
– ogrzewanie zbiorników i systemów ładunkowych,
– odgazowanie zbiorników i systemów ładunkowych,
– napowietrzanie zbiorników i systemów ładunkowych.
Operacje postoczniowe
Statki LNG po wybudowaniu, lub po stoczni okresowej, mają zbiorniki i systemy ładunkowe wypełnione powietrzem. Bezpośredni załadunek wiązałby się ze sprowadzeniem zagrożenia dla ludzi i konstrukcji. Dlatego systemy ładunkowe trzeba uprzednio przygotować.
Inertowanie przestrzeni izolacyjnych
Służy do:
- uniknięcia wykraplania i zamarzania wilgoci zawartej w powietrzu przy spadku temperatury, czego skutkiem byłoby uszkodzenie izolacji,
- zapewnienia atmosfery niepalnej w przypadku przecieku ze zbiornia ładunkowego,
- ochrony elementów metalowych przed korozją.
Odbywa się poprzez:
- opróżnianie przestrzeni izolacyjnych przy pomocy pomp próżniowych do 200mbar(A) (ciśnienia absolutnego), czyli -800mbar(g) (ciśnienia względnego),
- wypełnianie przestrzeni izolacyjnych azotem do 1002mbar(A), czyli 1mbar(g)
Operację powtarza się kilkukrotnie (przeważnie 3 razy).
Cel:
- osiągnięcie zawartości tlenu poniżej 3%.
Przewidywany czas:
- 8-9 godzin.
Operacja:
- Konstrukcja No96:
Do opróżniania przestrzeni izolacyjnych służą dwie elektryczne pompy próżniowe, chłodzone wodą.
Powietrze z przestrzeni wydalane jest przez maszt wentylacyjny.
Ciśnienie drugiej przestrzeni izolacyjnej powinno być zawsze równe lub mniejsze, niż ciśnienie przestrzeni pierwszej.
Dlatego przestrzeń drugą opróżnia się przed pierwszą, lub obie opróżnia się jednocześnie. System uniemożliwia opróżnienie pierwszej przestrzeni najpierw.
Podczas tego procesu sprawdza się również integralność przestrzeni izolacyjnych oraz szczelność zaworów.
Ze względu na wielkość przestrzeni izolacyjnych oraz ograniczoną wydajność statkowych wytwornic azotu, do napełniania przestrzeni izolacyjnych używa się azotu dostarczanego z lądu.
Ciekły azot podawany jest poprzez kolektor i kierowany do wyparownika LNG, gdzie jest odgazowywany i podgrzewany do około +20°C.
Następnie jest podawany do pierwszej przestrzeni izolacyjnej aż do osiągnięcia 300 mbar(a), czyli 100mbar powyżej ciśnienia w przestrzeni drugiej.
Wówczas otwiera się wlot do drugiej przestrzeni izolacyjnej i obie zaczyna się napełniać jednocześnie, upewniając się, że ciśnienie pierwszej przestrzeni jest około 100mbar powyżej ciśnienia drugiej.
Pod koniec procesu napełniania zmniejsza się wydajność dostarczania azotu.
Wyloty z przestrzeni izolacyjnych w teorii powinny pozostać zamknięte.
Ze względu na podciśnienie w przestrzeniach izolacyjnych, wartość tlenu można sprawdzać na wylocie pompy próżniowej.
- Konstrukcja Mark III:
Do opróżniania przestrzeni miedzy barierami (IBS – InterBarier Space) oraz przestrzeni izolacyjnych (IS – Insulation Space) wykorzystuje się pompę próżniową dostarczoną z brzegu.
Ciśnienia w przestrzeniach IBS i IS powinny być jednakowe, dlatego tymczasowo się je łączy.
Opróżnianie przestrzeni jest jednoczesne.
Po osiągnięciu żądanego podciśnienia rozpoczyna się dostarczanie azotu.
Do napełniania przestrzeni używa się azotu produkowanego na statku, ale istnieje możliwość użycia azotu dostarczanego z brzegu, podobnie jak w przypadku No96.
Przy napełnianiu, aby zapobiec uszkodzeniu delikatnej membrany, ważne jest aby ciśnienie w przestrzeniach IBS i IS było zawsze o 30mbar mniejsze niż w zbiorniku ładunkowym.
Dlatego w zależności od aktualnego ciśnienia w zbiornikach operację napełniania przerywa się przed osiągnięciem tej różnicy.
Po osiągnięciu zadanych parametrów i rozłączeniu tymczasowego połączenia pomiędzy IBS i IS włącza się system automatycznej kontroli ciśnienia w przestrzeniach.
Ciśnienie z zbiorniku powinno być wyższe niż w przestrzeni izolacyjnej a ciśnienie z przestrzeni izolacyjnej wyższe niż w przestrzeni między barierami (CT > IS > IBS).
- Konstrukcja Moss:
Azot jest dostarczany przez ze zbiornika buforowego do przestrzeni między zbiornikiem a izolacją i w sposób ciągły opływa zbiornik ładunkowy. Ciśnienie jest utrzymywane automatycznie. W przypadku jego wzrostu powyżej 5mbar ponad ciśnienie panujące w pustych przestrzeniach za zbiornikiem i izolacją nastąpi automatyczny upust.
Osuszanie zbiorników ładunkowych
Służy do:
- zapobiegania formowaniu się lodu podczas chłodzenia zbiorników,
- zapobiegania reakcjom korozyjnym pomiędzy wilgocią z powietrza a tlenkami azotu i siarki zawartymi w gazie obojętnym.
Odbywa się poprzez:
- wentylowanie zbiorników ładunkowych suchym powietrzem. Latem z dołu do góry. Zimą z góry na dół.
Cel:
- osiągnięcie punktu rosy w zbiornikach ładunkowych poniżej -20°C.
Przewidywany czas:
- 20-22 godzin.
Operacja:
W procesie tym wymieniamy powietrze atmosferyczne znajdujące się w zbiorniku na powietrze suche.
Przed rozpoczęciem operacji trzeba ustawić linię ładunkową.
Różnica gęstości jest mała i zależy od różnicy temperatury. Dlatego najpierw należy określić które powietrze jest cieplejsze.
Jeśli powietrze w zbiorniku na wyższą temperaturę, wówczas będzie ono lżejsze i suche powietrze będziemy podawać od dołu.
Jeśli powietrze w zbiorniku ma niższą temperaturę, wówczas będzie ono cięższe i suche powietrze będziemy podawać od góry.
Ma to na celu zapewnienie stratyfikacji i unikanie zbędnego mieszania warstw, co wydłużałoby proces i zwiększało konsumpcję.
Powietrze usuwane ze zbiorników kieruje się do masztu.
Do wytwarzania suchego powietrza używa się wytwornicy gazu obojętnego ustawionej w odpowiedni tryb pracy. Dzięki temu korzysta się z komponentów, które są potrzebne w innym procesie, co pozwala zaoszczędzić miejsce i koszty produkcji. Tryb wytwarzania suchego powietrza działa ona w ten sposób, że wentylatory pobierają powietrze atmosferyczne, które następnie przechodzi przez osuszacze i jest podawane do zbiorników.
Wytwornica podaje powietrze o punkcie rosy -45°C i ciśnieniu 250mbar (0.25bar).
Do osuszenia zbiorników potrzebne są w przybliżeniu 2 wymiany atmosfery.
Wydajność wytwornicy projektuje się tak, aby operacja nie trwała dłużej niż 20-22 godziny, co razem z przygotowaniem do operacji powinno zająć 1 dobę.
Należy też pamiętać o przedmuchaniu suchym powietrzem rurociągów, pomp, sprężarek, wskaźników poziomu (jeśli zamontowano pływające).
W konstrukcji MOSS suche powietrze podawane jest również do pustych przestrzeni wokół zbiornika.
Inertowanie zbiorników ładunkowych
Służy do:
- zapewnienia atmosfery niepalnej podczas zagazowania,
- dalszego obniżenia punktu rosy.
Odbywa się poprzez:
- wentylowanie zbiorników ładunkowych gazem obojętnym. Inertem z dołu do góry. Azotem z góry na dół.
Cel:
- osiągnięcie zawartości tlenu w zbiornikach ładunkowych poniżej 2%.
- osiągnięcie punktu rosy w zbiornikach ładunkowych poniżej -40°C.
Cel dla danej jednostki określony jest w instrukcji statku i zależy od konstrukcji jednostki i wymogów klasyfikacyjnych.
Przewidywany czas:
- 20-22 godzin.
Operacja:
W procesie tym wymieniamy powietrze atmosferyczne znajdujące się w zbiorniku na gaz obojętny.
Przed rozpoczęciem operacji trzeba ustawić linię ładunkową.
Różnica gęstości zależy od użytego gazu obojętnego; spalin lub azotu.
Jeśli będziemy używać gazu obojętnego powstałego w wyniku spalania ropy naftowej (IG), wówczas będzie on cięższy od powietrza i podajemy go od dołu.
Jeśli będziemy używać azotu jako gaz obojętny, wówczas będzie on lżejszy od powietrza i podajemy go od góry.
Ma to na celu zapewnienie stratyfikacji i unikanie zbędnego mieszania warstw, co wydłużałoby proces i zwiększało konsumpcję.
Ze względu na dużą wydajność, zbiorniki łączy się równolegle i gaz obojętny podaje się do wszystkich jednocześnie.
Powietrze ze zbiorników usuwane jest przez maszt.
Przy opisie procesu trzeba uważać na słownictwo angielskie, gdyż jest ono mylące. Gaz obojętny IG (Inert Gas) to potoczne określenie spalin powstałych po spalaniu ropy, a więc głównie tlenki azotu, węgla i siarki. Natomiast po polsku gaz obojętny, to dowolny gaz nie uczestniczący w reakcjach chemicznych, przy czym to azot i gazy szlachetne są najmniej reaktywne i uznawane za obojętne.
- IG
Do wytwarzania IG używa się wytwornicy gazu obojętnego. Dawkę paliwa (ropy) miesza się z powietrzem i spala. Spaliny się oczyszcza z cząstek stałych i osusza. Następnie IG podaje się, poprzez zawór jednokierunkowy, do zbiorników. Zawór zwrotny pełni ważną funkcję, gdyż uniemożliwia atmosferze ze zbiorników cofnąć się do wytwornicy.
Wytwornica podaje IG o zawartości tlenu poniżej 1%, punkcie rosy -45°C i ciśnieniu 250mbar (0.25bar).
Do osuszenia zbiorników potrzebne są w przybliżeniu 2 wymiany atmosfery.
Wydajność wytwornicy projektuje się tak, aby operacja nie trwała dłużej niż 20-22 godziny, co razem z przygotowaniem do operacji powinno zająć 1 dobę.
- Azot
Azot może służyć zarówno jednocześnie do osuszania i wymiany atmosfery na obojętną. Jako, że nie reaguje on z wilgocią zawartą w powietrzu, można pominąć poprzednio opisany punkt osuszania.
Nie można jednak tego procesu wykonać w morzu, gdyż potrzebna ilość azotu przekracza znacznie wydajność wytwornic znajdujących się na statku.
Ciekły azot podawany jest z brzegu poprzez kolektor i kierowany do wyparownika LNG, gdzie jest odgazowywany i podgrzewany do około +20°C.
Następnie jest podawany na górę zbiorników
Ze względu na potrzebę kupna azotu i jego dostarczenia przez stocznię lub terminal jest to metoda droższa.
Należy też pamiętać o przedmuchaniu rurociągów, pomp, sprężarek, wskaźników poziomu (jeśli zamontowano pływające) i wszystkich innych miejsc do których później może dotrzeć gaz.
Jeśli gazowanie nie nastąpi zaraz po inertowaniu warto na koniec zbudować ciśnienie około 20-50mbar (niektórzy zalecają nawet 150mbar) w zbiornikach ładunkowych, gdyż gaz obojętny może z czasem ulegać degradacji, jak również mogą występować wahania ciśnienia względnego w związku ze zmianami ciśnienia atmosferycznego oraz ze zmianami temperatury zewnętrznej.
Gazowanie zbiorników ładunkowych
Służy do:
- obniżenia punku rosy poniżej temperatury ładunku -163°C,
- uniknięcia zamarzania dysz, filtrów, zaworów, pomp podczas chłodzenia
- umożliwienia testowania urządzeń wymagających zawartości gazu naturalnego (np systemów skraplania).
Odbywa się poprzez:
- wentylowanie zbiorników ładunkowych ciepłymi parami LNG.
Cel:
- osiągnięcie zawartości węglowodorów CH w zbiornikach ładunkowych powyżej 99%,
- osiągnięcie zawartości azotu lub dwutlenku węgla w zbiornikach ładunkowych poniżej 1%.
Przewidywany czas:
- 20 godzin.
Operacja:
W procesie tym wymieniamy gaz obojętny znajdujący się w zbiornikach ładunkowych na pary gazu LNG.
Inert powstały ze spalania zawiera około 14% CO2, który mógłby zamarznąć w temperaturze -78.5°C. Wiele urządzeń statkowych ma swój limit działania ustawiony na ok. 99% zawartości węglowodorów. Dlatego przed kolejnym krokiem trzeba usunąć gaz obojętny, obniżyć punkt wykraplania i zamarzania i wypełnić linie i urządzenia ładunkowe parami LNG.
Przed rozpoczęciem operacji ustawiamy linię ładunkową zgodnie z instrukcją obsługi statku.
Ciepłe pary LNG są lżejsze zarówno od gazu obojętnego IG jak i od azotu. Dlatego gaz podajemy od góry.
Ma to na celu zapewnienie stratyfikacji i unikanie zbędnego mieszania warstw, co wydłużałoby proces i zwiększało konsumpcję.
Zbiorniki łączymy równolegle i pary LNG podajemy jednocześnie do wszystkich.
LNG otrzymuje się z brzegu i kieruje się do wyparownika LNG, gdzie jest odgazowywany i ogrzewany do około +20°C.
W kroku pierwszym gaz obojętny może być usuwany poprzez maszt wentylacyjny aż do osiągnięcia zawartości CH = 5% lub innego limitu określonego przez władze portu.
W kroku drugim mieszanina gazu obojętnego i par LNG usuwana jest na terminal, gdzie jest spalana lub odzyskiwana.
Spalanie może też się odbywać w statkowej jednostce GCU (Gas Combustion Unit).
Krok pierwszy może być pominięty i można od razu usuwać atmosferę ze zbiorników na terminal.
Przewiduje się, że każdy z etapów będzie trwał po około 10 godzin, ale zależy to od wielkości zbiorników, prędkości podawania i stabilności procesu.
Zarówno w tym jak i we wcześniej opisanych procesach ważnej jest zapewnienie stratyfikacji warstw, unikanie turbulencji i mieszania. Dlatego, jeśli różnica ciśnień na to pozwala, w kroku pierwszym wystrzega się używania sprężarek do wymuszania przepływu (będzie to konieczne na drugim etapie). Nie manipuluje sie też zaworami i wydajnościami jeśli nie jest to niezbędne do zapewnienia stabilności. Nie powinno sie też zamykać zbiornika, który jest już gotowy, zwiększając tym samym przepływ do pozostałych. Zamiast przyspieszyć operację osiągniemy odwrotny rezultat i spowodujemy wymieszanie i trudności z osiągnięciem celu w pozostałych zbiornikach. Wydłuży to czas w porcie, zwiększy zużycie gazu i ogólne koszty operacji.
Należy też pamiętać o przedmuchaniu rurociągów, pomp, sprężarek, wskaźników poziomu (jeśli zamontowano pływające) i wszystkich innych urządzeń wykorzystywanych podczas operacji ładunkowych.
Jeśli chłodzenie i załadunek nie nastąpi zaraz po gazowaniu, warto na koniec zbudować ciśnienie około 150mbar w zbiornikach ładunkowych. Zapewni to utrzymanie pozytywnego ciśnienia względnego niezależnie od wahań ciśnienia atmosferycznego i temperatury. Pozwoli również przetestować urządzenia i ich szczelność Po stoczni mogą się zdarzyć przecieki, szczególnie przy obniżaniu temperatury, kiedy metal ulega kurczeniu. Mogą też wystąpić błędy w montażu i przeciekanie zaworów bezpieczeństwa po ich testowaniu na stoczni.
Chłodzenie zbiorników ładunkowych
Służy do:
- unikania stresu termicznego zbiorników, linii i urządzeń ładunkowych, co może doprowadzić do ich rozszczelnienia i uszkodzenia,
- uniknięcia gwałtownego odparowania LNG i związanego z tym wzrostu ciśnienia podczas załadunku do ciepłych zbiorników,
- uniknięcia gwałtownej zmiany temperatury i spadku ciśnienia azotu w przestrzeniach izolacyjnych,
- sprawdzenia szczelności przy niskiej temperaturze,
- wyregulowania zaworów samozamykających przy temperaturze bliskiej temperaturze załadunku.
Odbywa się poprzez:
- stopniowe obniżanie temperatury linii, urządzeń i zbiorników.
Cel:
- osiągnięcie uśrednionej temperatury zbiorników No 96 i Mark III -130°C, lub osiągnięcie temperatury w najszerszej części konstrukcji Moss -115°C.
Przewidywany czas:
- 10-16 godzin.
Operacja:
W procesie tym stopniowo obniżamy temperaturę linii ładunkowej, urządzeń i zbiorników.
Rata chłodzenia zależy od typu jednostki i jest określona w instrukcji statku.
Dla konstrukcji No96 i Mark III jest określona w tabelach, które są logarytmiczne; większa rata chłodzenia na początku, gdy zbiorniki są ciepłe a mniejsza pod koniec procesu.
Dla konstrukcji Moss rata chłodzenia nie powinna przekraczać 9°C na godzinę.
Przed rozpoczęciem operacji trzeba ustawić linię ładunkową.
Ciekły LNG jest dostarczany z terminala i poprzez kolektor ładunkowy kierowany do dysz zamontowanych na górze każdego zbiornika.
Powstałe pary gazu są zwracane na terminal na zasadzie swobodnego przepływu (różnicy ciśnień), lub w sposób wymuszony (z użyciem sprężarek wysokowydajnych).
Ratę chłodzenia reguluje się poprzez ilość gazu dostarczanego z terminala i stopień otwarcia zaworów do dysz rozpryskowych.
Podczas chłodzenia monitoruje się ciśnienie azotu w przestrzeniach izolacyjnych. Ciśnienie będzie spadać w związku z obniżaniem się temperatury. Azot uzupełniamy regulując wydajność wytwornic. Gdy wytwornice pracują na 100% a ciśnienie wciąż spada trzeba zmniejszyć ratę chłodzenia.
Spradza się też szczelność instalacji, gdyż podczas kurczenia się metalu w niskich temperaturach może dojść do rozszczelnień.
Ze względu na trudności z rozliczeniem; ilość energii potrzebnej do chłodzenia określa się przy pomocy tabel, przygotowanych dla każdego zbiornika oddzielnie. Wchodzimy do nich średnią temperaturą początkową oraz końcową i odczytujemy MMBTU. Różnica da nam szukaną wartość.
Trzeba też pamiętać, że pomimo schłodzenia zbiorników, przestrzenie izolacyjne będą dochodzić do stabilnej temperatury przez kilka kolejnych dni. Bedzie to powodować zwiększony przepływ ciepła do zbiornika i zwiększone odparowanie ładunku.
