郭新杰 李云峰

1 中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 2 重慶鋼鐵股份有限公司

1 引言

近年來(lái)，交通運(yùn)輸部大力推進(jìn)船改氣工程，將原來(lái)燃油船改為L(zhǎng)NG(Liquefied Natural Gas，液化天然氣)動(dòng)力船，天然氣應(yīng)用得到快速發(fā)展。目前，LNG罐箱憑借其儲(chǔ)運(yùn)靈活性迅速成為行業(yè)熱點(diǎn)，并受到國(guó)家能源局、交通運(yùn)輸部及沿海地方政府的高度關(guān)注，國(guó)家相關(guān)部委也出臺(tái)一系列政策，推動(dòng)LNG罐箱應(yīng)用的快速發(fā)展。

但是，LNG罐箱加注碼頭在運(yùn)行期間，罐箱內(nèi)部低溫LNG在罐箱內(nèi)外巨大溫差作用下會(huì)持續(xù)吸收周?chē)髿獾臒崃?，?nèi)部氣相空間蒸發(fā)氣逐漸升壓，如果不及時(shí)采取妥善的冷備運(yùn)行處理措施，壓力會(huì)持續(xù)升壓至LNG罐箱安全閥放散壓力，從而向外部泄放可燃蒸發(fā)氣，造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，并存在較大的安全隱患。結(jié)合某LNG罐箱加注碼頭工程設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)對(duì)LNG加注工藝系統(tǒng)預(yù)冷循環(huán)和保冷循環(huán)水力學(xué)及熱平衡分析計(jì)算，提出適宜LNG罐箱加注碼頭工程實(shí)際的冷備運(yùn)行解決方案，可為其他類(lèi)似LNG加注碼頭提供參考。

2 工程項(xiàng)目概況

擬建工程位于白茆水道右岸，黑沙洲北水道與南水道交匯處下游約3 km，蕪湖海螺水泥專用碼頭上游，距長(zhǎng)江下游吳淞口航道里程約475 km。擬建設(shè)1座5 000 t級(jí)LNG加注泊位、1座10 000 t級(jí)LNG集裝箱泊位、后方罐箱堆場(chǎng)及相應(yīng)配套設(shè)施。

該LNG加注泊位碼頭可滿足最大?？?艘5 000 t級(jí)內(nèi)河機(jī)動(dòng)船加注作業(yè)。碼頭平臺(tái)布置3臺(tái)40 ft LNG罐箱和1臺(tái)加注泵撬，碼頭前沿布置1臺(tái)加注計(jì)量撬和軟管吊機(jī)。罐箱由LNG罐箱拖車(chē)運(yùn)至加注平臺(tái)，LNG加注采用金屬軟管連接受注船舶，由LNG加注泵撬進(jìn)行加注作業(yè)。

LNG罐箱加注碼頭工藝布置三維模型見(jiàn)圖1。

1.LNG罐箱 2.加注泵撬 3.加注工藝管路 4.加注計(jì)量撬 5.軟管吊機(jī)圖1 LNG罐箱加注碼頭工藝布置三維模型

主要工藝流程如下：

(1)LNG加注流程。液相加注流程為：LNG罐箱→工藝管線→流量計(jì)→不銹鋼金屬軟管→受注船舶；氣相加注流程為：受注船→不銹鋼金屬軟管→流量計(jì)→工藝管線→LNG罐箱。

(2)罐箱增壓流程。當(dāng)罐箱內(nèi)的壓力過(guò)低，一部分液體通過(guò)罐箱的液相增壓口，經(jīng)增壓氣化器氣化后再返回到罐箱中，增加罐箱內(nèi)的壓力。

(3)吹掃流程。每次加注開(kāi)始之前和加注完成之后均要進(jìn)行管道的吹掃。加注開(kāi)始前，先用金屬軟管連接受注船舶，用氮?dú)馔茏⒋胺较虼祾吖艿?，然用NG氣吹掃管道，再開(kāi)始加注操作。加注完成后，先用NG氣吹掃管道，然后用氮?dú)鈿獯祾吖艿?，泄壓后再拆開(kāi)連接的金屬軟管。

3 加注工藝系統(tǒng)預(yù)冷循環(huán)熱平衡計(jì)算

LNG罐箱加注碼頭在首次加注作業(yè)前，由于加注泵撬、加注工藝管路和加注計(jì)量撬均處于常溫狀態(tài)，需對(duì)整體加注工藝系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷循環(huán)操作。預(yù)冷循環(huán)主要是加注泵橇和加注計(jì)量橇，加注泵撬主要通過(guò)小循環(huán)預(yù)冷，加注計(jì)量撬通過(guò)加注工藝管路大循環(huán)預(yù)冷。

3.1 小循環(huán)預(yù)冷

預(yù)冷循環(huán)利用伯努利原理，即動(dòng)能+重力勢(shì)能+壓力勢(shì)能=常數(shù)：

(1)

式中，p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)；v為流體該點(diǎn)的流速；ρ為流體密度；g為重力加速度；h為該點(diǎn)所在高度；C是一個(gè)常量。通過(guò)伯努利方程計(jì)算預(yù)冷循環(huán)最低液面高差：

(2)

由于LNG罐箱液相口離地高度為1.518 m，遠(yuǎn)大于0.05 m最小液面高差要求，LNG在液面高差重力勢(shì)能的作用下，通過(guò)LNG罐箱液相管路進(jìn)入加注泵橇潛液泵泵池，吸收加注泵橇熱量后產(chǎn)生的BOG(閃蒸汽，Boil Off Gas)通過(guò)加注泵橇潛液泵泵池上部的氣相放散口返回LNG罐箱，形成預(yù)冷小循環(huán)。當(dāng)加注泵橇潛液泵泵池溫度達(dá)到-110℃且進(jìn)口LNG和出口BOG溫差小于5℃時(shí)，LNG加注泵橇預(yù)冷小循環(huán)完成。

3.2 大循環(huán)預(yù)冷

當(dāng)LNG加注泵橇預(yù)冷小循環(huán)完成后，具備啟動(dòng)LNG加注泵橇內(nèi)LNG加注泵的條件，通過(guò)變頻電機(jī)低轉(zhuǎn)速啟動(dòng)LNG加注泵，LNG以小流量通過(guò)液相加注工藝管路到達(dá)位于碼頭前端的LNG計(jì)量撬。打開(kāi)加注工藝管路液相和氣相聯(lián)通閥，產(chǎn)生的BOG通過(guò)氣相加注工藝管路返回LNG罐箱，形成LNG計(jì)量撬大循環(huán)預(yù)冷。LNG計(jì)量撬預(yù)冷循環(huán)溫度達(dá)到-110℃即完成大循環(huán)預(yù)冷，具備給受注船進(jìn)行加注的條件。

3.3 預(yù)冷循環(huán)熱平衡計(jì)算

整個(gè)加注工藝系統(tǒng)總的鋼質(zhì)量為5 t，每1 kg鋼溫度降低1℃需要釋放的熱量為0.5 kJ/kg，則加注工藝系統(tǒng)溫度降低1℃需要釋放的熱量為：

Q1=0.5 kJ/kg×5 000 kg=2 500 kJ

假設(shè)LNG的釋放的熱量與鋼材吸收的熱量相等，環(huán)境溫度取20℃，LNG罐箱出液口溫度按-162℃考慮，LNG比熱容C=3.48 kJ/kgK，將加注工藝系統(tǒng)溫度預(yù)冷到-110℃時(shí)有：

Q吸=2 500 kJ/℃×(-110-20)℃=325 000 kJ

Q放=Q吸

則小循環(huán)預(yù)冷和大循環(huán)預(yù)冷達(dá)到加注作業(yè)運(yùn)行作業(yè)條件LNG消耗的總質(zhì)量M為：

M=Q放/CΔt=325 000/[3.48×(-110+162)]

=1 796 kg

4 加注工藝系統(tǒng)保冷循環(huán)熱平衡分析

加注工藝系統(tǒng)大小預(yù)冷循環(huán)一方面需要消耗大量LNG，另一方面為了避免產(chǎn)生大量的BOG要控制降溫速度，需占用大量時(shí)間。綜合考慮上述因素，LNG罐箱加注碼頭一般完成首次預(yù)冷循環(huán)后，非特殊情況下不會(huì)反復(fù)進(jìn)行預(yù)冷循環(huán)，為了保證LNG罐箱碼頭冷備運(yùn)行狀態(tài)，僅要求對(duì)加注泵撬、加注工藝管路和加注計(jì)量撬進(jìn)行保冷循環(huán)運(yùn)行模式。

根據(jù)LNG罐箱加注碼頭實(shí)際運(yùn)行情況(見(jiàn)表1)，在加注工藝系統(tǒng)保冷循環(huán)熱平衡分析中，設(shè)定LNG罐箱111.5 K的LNG冷液為初始工況，LNG罐箱的安全閥整定壓力為0.83 MPa；飽和蒸汽溫度為147.5 K的LNG熱液為泄放工況，LNG罐箱加注碼頭到達(dá)泄放工況即代表加注工藝系統(tǒng)保冷循環(huán)熱平衡終止，LNG罐箱通過(guò)安全閥泄放降低加注工藝系統(tǒng)壓力。通過(guò)計(jì)算初始工況到泄放工況持續(xù)時(shí)間，即可得到的無(wú)損冷備運(yùn)行時(shí)間，分別按LNG罐箱81%和40%充裝率(見(jiàn)表2)計(jì)算無(wú)損冷備運(yùn)行時(shí)間，為冷備運(yùn)行提供操作指導(dǎo)。

表1 LNG罐箱加注碼頭工況表

表2 LNG罐箱加注碼頭容積表

4.1 LNG日損耗量計(jì)算

根據(jù)《液化天然氣罐式集裝箱》(JB/T 4780-2002)LNG罐箱靜態(tài)蒸發(fā)率指標(biāo)，要求高真空絕熱LNG罐箱液態(tài)甲烷日蒸發(fā)率上限γ為0.15%。LNG日損耗量計(jì)算公式為：

g=Vργ

(3)

式中，g為L(zhǎng)NG日損耗量，V為L(zhǎng)NG體積。

81%充裝率時(shí)，LNG罐箱日損耗量為：

g0.81=36.9 m3×422.6 kg/m3×0.15%/d

=23.39 kg/d

40%充裝率時(shí)LNG罐箱日損耗量為：

g0.40=18.2 m3×422.6 kg/m3×0.15%/d

=11.54 kg/d

加注工藝管道日損耗量為：

PL=24Lq/1 000=40 m×2 W/m×24 h/1 000/d

=1.92 kWh/d

QL=PL×3 600 kJ/kWh=6 912 kJ/d

式中，L為加注工藝管道長(zhǎng)度，m；q為加注工藝管道單位長(zhǎng)度冷損率，W/m；PL為加注工藝管道日冷損量，kWh/d；QL為加注工藝管道日冷損量，kJ/d；gL為加注工藝管道LNG日損耗量，kg/d；r1為L(zhǎng)NG初始工況氣化潛熱，kJ/kg；r2為L(zhǎng)NG泄放工況氣化潛熱，kJ/kg。

4.2 加注工藝系統(tǒng)熱量計(jì)算

在自然升壓過(guò)程中，由于液體飽和蒸汽壓升高，使其處于過(guò)冷狀態(tài)，從而吸收外界傳入的熱量而升高溫度，與其飽和蒸汽壓相適應(yīng)。當(dāng)液體飽和蒸汽壓由初始狀態(tài)升壓至泄放狀態(tài)時(shí)，其吸收的熱量Q為：

(4)

式中，t1為L(zhǎng)NG初始工況溫度，K；t2為L(zhǎng)NG泄放工況溫度，K；c1為L(zhǎng)NG初始工況比熱，kJ/kgK；c2為L(zhǎng)NG泄放工況比熱，kJ/kgK。

36.9×422.6=20 939 541 kJ

18.2×422.6=1 032 790 kJ

4.3 LNG無(wú)損耗時(shí)間計(jì)算

LNG罐箱加注工藝系統(tǒng)無(wú)損維持時(shí)間為：

(5)

則有，81%充裝率LNG罐箱加注工藝系統(tǒng)無(wú)損時(shí)間為：

40%充裝率LNG罐箱加注工藝系統(tǒng)無(wú)損時(shí)間為：

經(jīng)測(cè)算，81%充裝率和40%充裝率LNG罐箱加注工藝系統(tǒng)無(wú)損時(shí)間分別可以達(dá)到117天和84天。

5 結(jié)語(yǔ)

預(yù)冷達(dá)到加注作業(yè)運(yùn)行作業(yè)條件LNG消耗總量為1 796 kg，LNG罐箱和加注工藝管道保冷日損耗量合計(jì)26.38～38.22 kg。雖然單次加注工藝系統(tǒng)預(yù)冷LNG消耗總量較大，但是如果LNG管線加注碼頭閑置時(shí)間超過(guò)30天以上，建議將LNG罐箱加注工藝系統(tǒng)進(jìn)行泄空操作。

通過(guò)計(jì)算，40%充裝率LNG罐箱加注工藝系統(tǒng)無(wú)損時(shí)間可以達(dá)到84天，但是LNG低溫液體無(wú)損貯存，也只能解決LNG罐箱加注工藝系統(tǒng)壓力上升快慢的問(wèn)題，并不能從源頭減少BOG的蒸發(fā)損耗。一旦罐內(nèi)壓力泄放時(shí)，吸收的熱量將會(huì)隨液體的汽化而釋放，系統(tǒng)內(nèi)液體飽和蒸汽壓將急速上升，應(yīng)密切觀察壓力值的變化，并適時(shí)降低罐內(nèi)壓力，以確保加注工藝系統(tǒng)的安全。