李方遒 李恩道 程 昊 李欣欣 劉淼兒 張曉慧

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028)

隨著中國(guó)“十三五”規(guī)劃和“氣化長(zhǎng)江”內(nèi)河船舶“油改氣”政策的推進(jìn)，內(nèi)河小型LNG運(yùn)輸船的市場(chǎng)越來越大[1]。大型LNG運(yùn)輸船由于吃水等限制無法進(jìn)入內(nèi)河流域，因此需在沿海地區(qū)過駁到小型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行分銷[2]。隨著中國(guó)LNG進(jìn)口量的增加[3]，海上運(yùn)輸將承擔(dān)起越來越大的運(yùn)輸份額，而隨著國(guó)內(nèi)內(nèi)河LNG接收站的陸續(xù)建成，LNG船對(duì)船過駁的需求將越來越旺盛。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)劃，未來幾年中國(guó)內(nèi)河LNG接收站的轉(zhuǎn)運(yùn)需求量將達(dá)到1 000萬t/a，使得LNG的船對(duì)船過駁作業(yè)也將越來越頻繁[4]。

LNG船對(duì)船過駁作業(yè)中會(huì)產(chǎn)生BOG，而BOG會(huì)引起船艙內(nèi)壓力升高，如不及時(shí)處理，只能將多余的BOG排入專用燃燒裝置燃燒或排放至大氣中，造成不必要的LNG產(chǎn)品損耗及環(huán)境污染，同時(shí)還會(huì)增加運(yùn)輸船運(yùn)營(yíng)過程中的碳排放量。因此，研究LNG船對(duì)船過駁作業(yè)中BOG的生成量，并根據(jù)其生成量的影響規(guī)律提出相應(yīng)控制措施及回收方法，對(duì)減少LNG船對(duì)船過駁作業(yè)過程中的BOG量有著重要意義。目前，眾多學(xué)者和行業(yè)內(nèi)工程師對(duì)LNG接收站運(yùn)行過程中的BOG生成量的計(jì)算進(jìn)行了深入研究[5-9]，但國(guó)內(nèi)對(duì)LNG船對(duì)船過駁的研究尚處于起步階段[10]，相關(guān)的規(guī)范和操作指南還有待補(bǔ)充和完善。

本文主要針對(duì)不同LNG船型的過駁作業(yè)中BOG的生成量進(jìn)行研究，分析兩船過駁作業(yè)中BOG生成量的主要影響因素，在此基礎(chǔ)上，提出合理可行的降低LNG船對(duì)船過駁期間BOG損耗的解決方案及BOG回收裝置的配置建議。

1 過駁作業(yè)BOG生成量影響因素及參數(shù)選取

1.1 過駁作業(yè)BOG生成量影響因素

LNG船對(duì)船過駁作業(yè)中的BOG生成量為過駁作業(yè)過程中所產(chǎn)生的全部BOG量與所消耗的BOG量的差值。其中過駁過程中BOG產(chǎn)生的主要因素有：系統(tǒng)漏熱、作業(yè)熱輸入、艙壁冷卻[11]。BOG消耗的方式主要有進(jìn)入艙內(nèi)的LNG過冷產(chǎn)生的冷凝和LNG運(yùn)輸船的燃料消耗。

1.1.1系統(tǒng)漏熱

由于LNG溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，因此LNG運(yùn)輸船在運(yùn)輸過程中必然會(huì)從環(huán)境中吸熱，進(jìn)而產(chǎn)生船艙內(nèi)LNG的自然蒸發(fā)。在裝卸載作業(yè)過程中，低溫的LNG管道也會(huì)產(chǎn)生一定量的漏熱。因此，過駁作業(yè)過程中的系統(tǒng)漏熱分為低溫管路系統(tǒng)的漏熱和LNG船舶的自然漏熱兩部分。其中，管路系統(tǒng)的漏熱按要求不高于25 W/m2；LNG運(yùn)輸船的漏熱按日蒸發(fā)率計(jì)算，而日蒸發(fā)率的主要影響參數(shù)為船艙類型及船艙容積。

1.1.2裝載作業(yè)熱輸入

1) LNG卸載泵熱輸入。LNG過駁過程中由大型LNG運(yùn)輸船上的卸載泵將LNG從船艙底部抽出，經(jīng)裝卸載總管、軟管及小型LNG運(yùn)輸船總管進(jìn)入貨艙。LNG卸載泵提供的能量主要用于克服卸載管路系統(tǒng)的沿程阻力損失和2艘運(yùn)輸船之間的液位高差。其中克服沿程阻力損失及泵有效做功以外的能量都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能輸入LNG貨物中，進(jìn)而產(chǎn)生BOG的蒸發(fā)。因此，LNG卸載泵的熱輸入是過駁作業(yè)中的一項(xiàng)重要因素?？刂圃摕彷斎氲闹饕獏?shù)為裝載速率、卸載船容積及兩船容積差等。

2) LNG軟管熱輸入。為克服船對(duì)船靠泊卸載作業(yè)過程中2艘船舶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，目前大多數(shù)FSRU(浮式液化天然氣儲(chǔ)存及再氣化裝置)及LNG加注船采用柔性軟管式的船對(duì)船輸送系統(tǒng)[12]，通常軟管漏熱情況依據(jù)產(chǎn)品類型及管徑不同而變化，控制該熱輸入的主要參數(shù)為軟管長(zhǎng)度及裝載速率，本文中軟管漏熱量取150 W/m。

1.1.3艙壁冷卻

小型LNG運(yùn)輸船過駁作業(yè)前，儲(chǔ)艙內(nèi)殘留LNG液面較低，船艙側(cè)壁的金屬和附近保溫層的溫度將會(huì)上升。通?？刂婆摫诘臏囟炔桓哂?140 ℃，以便過駁作業(yè)時(shí)避免首先開展艙壁的預(yù)冷作業(yè)。過駁作業(yè)中，隨著船艙內(nèi)液位的上升，艙壁的溫度將會(huì)與LNG溫度基本一致，達(dá)到接近-160 ℃。因此，艙壁冷卻過程中將會(huì)給LNG輸入熱量，帶來BOG的蒸發(fā)。控制該輸入熱量的主要參數(shù)為船艙類型及船艙容積。

1.1.4BOG消耗

1) 燃料消耗。過駁過程中裝卸2艘LNG運(yùn)輸船的發(fā)電均采用BOG氣體經(jīng)過壓縮后作為燃料，這有利于降低過駁過程中產(chǎn)生的BOG量，降低船艙內(nèi)的壓力，緩解BOG處理系統(tǒng)的壓力?？刂圃撓牧康闹饕獏?shù)為船艙類型及船艙容積。

2) 過冷LNG冷凝。如果小型LNG運(yùn)輸船的操作壓力高于卸載LNG運(yùn)輸船，則過駁后的LNG進(jìn)入儲(chǔ)艙內(nèi)處于過冷狀態(tài)，具有吸納熱量并冷凝BOG的作用。因此，過冷狀態(tài)的LNG可降低BOG的生成量，作為過駁作業(yè)過程中的減項(xiàng)?？刂圃撐鼰崃康闹饕獏?shù)為裝卸載壓力。

1.2 目標(biāo)船型的選擇

隨著國(guó)際LNG貿(mào)易逐步擴(kuò)大，LNG運(yùn)輸船將向著大型化方向發(fā)展，17.4萬～21萬m3容量的LNG運(yùn)輸船將成為各沿海LNG接收站資源保供的主流。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)海油沿海LNG船舶加注及“氣化長(zhǎng)江”的戰(zhàn)略布局，1.2萬m3的LNG加注船已完成初步設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備開工建造；3萬m3的LNG運(yùn)輸船已于2015年建造完成，具備中小型LNG資源轉(zhuǎn)運(yùn)能力。結(jié)合中國(guó)海油LNG實(shí)際業(yè)務(wù)需求，圍繞相關(guān)船型目標(biāo)航線和活動(dòng)區(qū)域，本文以表1中船型為卸載船和裝載船，研究LNG船對(duì)船過駁作業(yè)過程中的BOG生成量。

表1 過駁LNG船型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of LNG transfer ships

1.3 計(jì)算參數(shù)的選取

基于以上過駁作業(yè)中的BOG產(chǎn)生的主要因素，總結(jié)出影響B(tài)OG生成量的主要控制參數(shù)為：船型及船容、裝載速率、卸載壓力、裝載壓力。依據(jù)本文中考慮的3種不同LNG船型及對(duì)應(yīng)的不同裝卸載壓力，將計(jì)算工況分為3個(gè)案例(表2)，以裝載速率、卸載壓力、裝載壓力為變量對(duì)BOG生成量及再液化裝置配置等問題進(jìn)行分析。

表2 BOG生成量計(jì)算工況Table 2 Parameters of BOG calculation

同時(shí)，LNG組分也會(huì)影響過駁作業(yè)過程中的BOG生成量[13]，本文重點(diǎn)研究船對(duì)船過駁卸載過程中操作參數(shù)對(duì)BOG生成量的影響，不針對(duì)LNG組分進(jìn)行工況劃分，僅選取貧氣及富氣2種LNG的典型組分(表3)分別計(jì)算其產(chǎn)生的BOG值。

表3 典型LNG組分Table 3 Typical LNG components %(mol)

2 不同控制參數(shù)對(duì)過駁作業(yè)BOG生成量影響分析

基于表2的計(jì)算工況，建立BOG生成量計(jì)算的理論模型，計(jì)算并分析不同控制參數(shù)下BOG生成量的變化趨勢(shì)。由于船對(duì)船過駁作業(yè)過程中的BOG生成量暫未有詳實(shí)的工程數(shù)據(jù)，因此將該計(jì)算結(jié)果與LNG接收站卸船工況下的BOG生成量進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該計(jì)算結(jié)果的合理性及可靠性。

2.1 裝載速率及裝載壓力對(duì)BOG生成量的影響

為了更為準(zhǔn)確地考慮裝載速率及裝載壓力對(duì)過駁作業(yè)中BOG生成量的影響規(guī)律，將LNG運(yùn)輸船過駁作業(yè)時(shí)的卸載壓力設(shè)為定值15 kPa，在計(jì)算時(shí)考慮過駁作業(yè)為穩(wěn)定輸送狀態(tài)，通過改變過駁作業(yè)的裝載速率及裝載壓力，計(jì)算得到不同船型過駁作業(yè)過程中BOG的生成速率及總生成量(圖1、2)。

由圖1、2可知，不同裝載速率及裝載壓力下，富氣與貧氣的變化趨勢(shì)相同，且貧氣的BOG結(jié)果數(shù)值均小于同等條件下的富氣結(jié)果數(shù)值。由圖1可知，當(dāng)裝載速率相同時(shí)，BOG生成速率隨著裝載壓力的升高而降低；但當(dāng)裝載壓力相同時(shí)，BOG生成速率隨著裝載速率的變化卻呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。以案例1為例，當(dāng)裝載壓力小于25 kPa時(shí)，BOG生成速錄隨著裝載速率的增大而增大；當(dāng)裝載壓力為25 kPa時(shí)，BOG生成速率對(duì)裝載速率的變化不敏感，其數(shù)值幾乎保持不變；當(dāng)裝載壓力大于25 kPa時(shí)，BOG生成量則會(huì)隨著裝載速率的增大而降低，當(dāng)裝載速率增大至3 000 m3/h后(富氣)，BOG生成速率降至負(fù)值，表示過駁作業(yè)中單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的BOG全部被消耗，且裝載船液艙內(nèi)的LNG處于過冷狀態(tài)。

圖1 不同裝載速率及裝載壓力對(duì)BOG生成速率的影響Fig .1 Effects of different loading rates and loading pressures on BOG generation rate

在BOG生成速率的基礎(chǔ)上，計(jì)算過駁作業(yè)全過程中的BOG總生成量，得到BOG總生成量與裝載速率及裝載壓力的關(guān)系曲線(圖2)?？梢钥闯?，相同裝載速率下，BOG總生成量隨著裝載壓力的升高而降低；相同裝載壓力下，BOG總生成量隨著裝載速率的增加而降低；同時(shí)，隨著裝載速率的逐漸增大，其降低趨勢(shì)而呈現(xiàn)先陡降后平緩的趨勢(shì)，以案例1為例，當(dāng)裝載壓力大于30kPa時(shí)，其BOG總生成量會(huì)隨著裝載速率的增加而逐漸降為負(fù)值。

圖2 不同裝載速率及裝載壓力對(duì)BOG總生成量的影響Fig .2 Effects of different loading rates and loading pressures on total BOG generation

對(duì)比圖1、2中3個(gè)案例，可以看出，當(dāng)卸載船的船艙容量不變，減小裝載船的船艙容量時(shí)(如案例1與案例2對(duì)比)，可以得到其BOG生成速率最大值隨之減小，同時(shí)BOG總生成量隨之增加；當(dāng)裝載船的船艙容量不變，減少卸載船的船艙容量時(shí)(如案例2與案例3對(duì)比)，可以得到其BOG生成速率最大值及BOG總生成量均隨之減少。綜合分析3個(gè)案例的計(jì)算結(jié)果，可以得到卸載船與裝載船之間的船艙容量差越大，其BOG總生成量越高，因此在過駁作業(yè)中應(yīng)盡量避免該情況發(fā)生。

2.2 卸載壓力對(duì)BOG生成量的影響

文中目標(biāo)船型中只有3萬m3的LNG運(yùn)輸船可以變化卸載壓力，因此以案例3為例，分析不同卸載壓力下，BOG生成情況與裝載壓力及裝載速率的變化趨勢(shì)(圖3)。由于富氣與貧氣的結(jié)果差較為穩(wěn)定，同時(shí)本次分析中數(shù)據(jù)量較大，因此圖3中只體現(xiàn)富氣結(jié)果。

圖3 不同卸載壓力、裝載壓力及裝載速率對(duì)BOG生成速率及總生成量的影響(案例3)Fig .3 Effects of different unloading pressures,loading pressures and loading rates on BOG generation rate and total BOG generation(Case 3)

由圖3可知，在裝載壓力與裝載速率不變的情況下，隨著卸載壓力的減小，BOG生成速率、BOG總生成量均隨之減少，但不同卸載壓力的BOG計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)大致相同。圖3中出現(xiàn)4組不同工況下的BOG計(jì)算結(jié)果曲線幾乎重合的現(xiàn)象，分析得到當(dāng)卸載壓力與裝載壓力差相同時(shí)，無論卸載壓力與裝載壓力的絕對(duì)值大小如何變化，其BOG計(jì)算結(jié)果大致相同。同時(shí)，在過駁作業(yè)中裝載壓力與卸載壓力之差的數(shù)值越大，BOG生成速率及BOG總生成量均隨之減小；反之，當(dāng)裝載壓力與卸載壓力之差的數(shù)值越小(甚至為負(fù)值)時(shí)，BOG生成速率及BOG總生成量均隨之增大。因此，在過駁過程中應(yīng)盡量保持裝載船處于帶壓狀態(tài)，兩船之間的BOG系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單地通過管道進(jìn)行氣相連接，而應(yīng)配置具備壓力或流量調(diào)節(jié)功能的閥門，以控制BOG由裝載船艙返回卸載船艙的壓力和流量。

在過駁作業(yè)開始時(shí)，卸載壓力通常較高，但裝載壓力通常較小，同時(shí)軟管輸送初始還需緩慢增大流速直到合適的裝載流速后穩(wěn)定輸送，因此在初始階段可能會(huì)造成一定量的BOG過剩，無法通過船艙加壓過冷或船本身發(fā)電而完全消耗掉，因此需要對(duì)裝載船的BOG回收裝置進(jìn)行合理配置。

3 BOG回收裝置配置建議

LNG船的BOG回收途徑主要依靠BOG再液化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為氮膨脹技術(shù)和深冷液化技術(shù)，其中氮膨脹技術(shù)裝置包含BOG壓縮機(jī)、冷劑壓縮膨脹機(jī)、冷箱、N2增壓機(jī)等設(shè)備，深冷裝置包含冷劑壓縮膨脹機(jī)、高速電機(jī)、電磁軸承等設(shè)備。據(jù)以往數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一套再液化設(shè)備成本可占到LNG船舶造價(jià)的3%～10%，僅處理量1t/h的裝置費(fèi)用就高達(dá)350萬美元以上。而中國(guó)在船用低溫設(shè)備的研究方面相對(duì)落后，還未能突破再液化裝置的核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，只能依賴高價(jià)進(jìn)口。經(jīng)前文分析可知，不同裝載速率、不同裝載壓力會(huì)對(duì)過駁作業(yè)中BOG的生成量產(chǎn)生很大影響，因此合理地控制裝載速率及裝卸壓力可以盡量降低過駁作業(yè)中需要處理的BOG量，減少再液化設(shè)備的配置費(fèi)用，降低成本。

本文中主要針對(duì)過駁作業(yè)過程中所產(chǎn)生的BOG量來配置再液化裝置。在過駁作業(yè)初期，過駁卸載速率通常較低，而裝載船艙內(nèi)初始?jí)毫Σ桓?，?dǎo)致在此期間內(nèi)生成的BOG量較大；此時(shí)大量的BOG囤積在裝載船艙中會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)壓力升高，同時(shí)卸載速度提高，導(dǎo)致BOG生成量隨之下降，因此在配置BOG再液化裝置時(shí)，需要綜合考慮壓力、速率及時(shí)間等因素。針對(duì)本文中的不同船型及工況下BOG生成量的計(jì)算結(jié)果，建議的小型BOG再液化裝置配置如表4所示。

表4 BOG再液化裝置配置建議Table 4 Suggestions of BOG re-liquefied installation

4 結(jié)論及建議

LNG船對(duì)船過駁作業(yè)BOG的生成量的主要控制參數(shù)包括：卸載船舶容量、裝載壓力及裝載速率。裝卸載船舶容量差越大，則BOG的生成量也越大；裝載壓力與卸載壓力差值越大，則BOG的生成量越??；裝載速率對(duì)于BOG生成量之間的影響關(guān)系與裝載壓力的大小有關(guān)，當(dāng)裝載壓力較大時(shí)，裝載速率越大則BOG生成量越小，但當(dāng)裝載壓力較小時(shí)，裝載速率越大則BOG生成量越大。

在給目標(biāo)裝載船配置船用BOG再液化裝置時(shí)，要同時(shí)考慮卸載船的容量及壓力、裝載船可否帶壓運(yùn)營(yíng)、過駁作業(yè)總時(shí)長(zhǎng)等條件。針對(duì)本文3個(gè)LNG運(yùn)輸船案例，其過駁操作及回收裝置配置建議為：①3萬m3的LNG運(yùn)輸船配置1.5～2.0 t/h的再液化裝置；②1.2萬m3的LNG加注船，配置0.5～1.0 t/h的再液化裝置；③裝卸船之間的BOG系統(tǒng)管線中有配置具備壓力或流量調(diào)節(jié)功能的閥門，控制BOG由裝載船艙返回至卸載船艙的壓力和流量;④小型LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)操作壓力應(yīng)大于30 kPa，并配置一定處理量的再液化裝置。這樣不但能夠降低LNG船對(duì)船過駁所產(chǎn)生的BOG損耗，還能在接收LNG后的航行過程中起到冷卻貨物，降低船艙壓力的作用，進(jìn)而滿足下游中小型LNG接收站用戶的接氣條件要求。