LNG罐箱加注碼頭冷備運行分析

郭新杰 李云峰

1 中交第二航務工程勘察設計院有限公司 2 重慶鋼鐵股份有限公司

1 引言

近年來，交通運輸部大力推進船改氣工程，將原來燃油船改為LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然氣)動力船，天然氣應用得到快速發展。目前，LNG罐箱憑借其儲運靈活性迅速成為行業熱點，并受到國家能源局、交通運輸部及沿海地方政府的高度關注，國家相關部委也出臺一系列政策，推動LNG罐箱應用的快速發展。

但是，LNG罐箱加注碼頭在運行期間，罐箱內部低溫LNG在罐箱內外巨大溫差作用下會持續吸收周圍大氣的熱量，內部氣相空間蒸發氣逐漸升壓，如果不及時采取妥善的冷備運行處理措施，壓力會持續升壓至LNG罐箱安全閥放散壓力，從而向外部泄放可燃蒸發氣，造成環境污染和經濟損失，并存在較大的安全隱患。結合某LNG罐箱加注碼頭工程設計實例，通過對LNG加注工藝系統預冷循環和保冷循環水力學及熱平衡分析計算，提出適宜LNG罐箱加注碼頭工程實際的冷備運行解決方案，可為其他類似LNG加注碼頭提供參考。

2 工程項目概況

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，距長江下游吳淞口航道里程約475 km。擬建設1座5 000 t級LNG加注泊位、1座10 000 t級LNG集裝箱泊位、后方罐箱堆場及相應配套設施。

該LNG加注泊位碼頭可滿足最大停靠1艘5 000 t級內河機動船加注作業。碼頭平臺布置3臺40 ft LNG罐箱和1臺加注泵撬，碼頭前沿布置1臺加注計量撬和軟管吊機。罐箱由LNG罐箱拖車運至加注平臺，LNG加注采用金屬軟管連接受注船舶，由LNG加注泵撬進行加注作業。

LNG罐箱加注碼頭工藝布置三維模型見圖1。

1.LNG罐箱 2.加注泵撬 3.加注工藝管路 4.加注計量撬 5.軟管吊機圖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→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→工藝管線→LNG罐箱。

(2)罐箱增壓流程。當罐箱內的壓力過低，一部分液體通過罐箱的液相增壓口，經增壓氣化器氣化后再返回到罐箱中，增加罐箱內的壓力。

(3)吹掃流程。每次加注開始之前和加注完成之后均要進行管道的吹掃。加注開始前，先用金屬軟管連接受注船舶，用氮氣往受注船舶方向吹掃管道，然用NG氣吹掃管道，再開始加注操作。加注完成后，先用NG氣吹掃管道，然后用氮氣氣吹掃管道，泄壓后再拆開連接的金屬軟管。

3 加注工藝系統預冷循環熱平衡計算

LNG罐箱加注碼頭在首次加注作業前，由于加注泵撬、加注工藝管路和加注計量撬均處于常溫狀態，需對整體加注工藝系統進行預冷循環操作。預冷循環主要是加注泵橇和加注計量橇，加注泵撬主要通過小循環預冷，加注計量撬通過加注工藝管路大循環預冷。

3.1 小循環預冷

預冷循環利用伯努利原理，即動能+重力勢能+壓力勢能=常數：

(1)

式中，p為流體中某點的壓強；v為流體該點的流速；ρ為流體密度；g為重力加速度；h為該點所在高度；C是一個常量。通過伯努利方程計算預冷循環最低液面高差：

(2)

由于LNG罐箱液相口離地高度為1.518 m，遠大于0.05 m最小液面高差要求，LNG在液面高差重力勢能的作用下，通過LNG罐箱液相管路進入加注泵橇潛液泵泵池，吸收加注泵橇熱量后產生的BOG(閃蒸汽，Boil Off Gas)通過加注泵橇潛液泵泵池上部的氣相放散口返回LNG罐箱，形成預冷小循環。當加注泵橇潛液泵泵池溫度達到-110℃且進口LNG和出口BOG溫差小于5℃時，LNG加注泵橇預冷小循環完成。

3.2 大循環預冷

當LNG加注泵橇預冷小循環完成后，具備啟動LNG加注泵橇內LNG加注泵的條件，通過變頻電機低轉速啟動LNG加注泵，LNG以小流量通過液相加注工藝管路到達位于碼頭前端的LNG計量撬。打開加注工藝管路液相和氣相聯通閥，產生的BOG通過氣相加注工藝管路返回LNG罐箱，形成LNG計量撬大循環預冷。LNG計量撬預冷循環溫度達到-110℃即完成大循環預冷，具備給受注船進行加注的條件。

3.3 預冷循環熱平衡計算

整個加注工藝系統總的鋼質量為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LNG的釋放的熱量與鋼材吸收的熱量相等，環境溫度取20℃，LNG罐箱出液口溫度按-162℃考慮，LNG比熱容C=3.48 kJ/kgK，將加注工藝系統溫度預冷到-110℃時有：

Q吸=2 500 kJ/℃×(-110-20)℃=325 000 kJ

Q放=Q吸

則小循環預冷和大循環預冷達到加注作業運行作業條件LNG消耗的總質量M為：

M=Q放/CΔt=325 000/[3.48×(-110+162)]

=1 796 kg

4 加注工藝系統保冷循環熱平衡分析

加注工藝系統大小預冷循環一方面需要消耗大量LNG，另一方面為了避免產生大量的BOG要控制降溫速度，需占用大量時間。綜合考慮上述因素，LNG罐箱加注碼頭一般完成首次預冷循環后，非特殊情況下不會反復進行預冷循環，為了保證LNG罐箱碼頭冷備運行狀態，僅要求對加注泵撬、加注工藝管路和加注計量撬進行保冷循環運行模式。

根據LNG罐箱加注碼頭實際運行情況(見表1)，在加注工藝系統保冷循環熱平衡分析中，設定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罐箱加注碼頭到達泄放工況即代表加注工藝系統保冷循環熱平衡終止，LNG罐箱通過安全閥泄放降低加注工藝系統壓力。通過計算初始工況到泄放工況持續時間，即可得到的無損冷備運行時間，分別按LNG罐箱81%和40%充裝率(見表2)計算無損冷備運行時間，為冷備運行提供操作指導。

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日損耗量計算

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

g=Vργ

(3)

式中，g為LNG日損耗量，V為LNG體積。

81%充裝率時，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為加注工藝管道長度，m；q為加注工藝管道單位長度冷損率，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LNG初始工況氣化潛熱，kJ/kg；r2為LNG泄放工況氣化潛熱，kJ/kg。

4.2 加注工藝系統熱量計算

在自然升壓過程中，由于液體飽和蒸汽壓升高，使其處于過冷狀態，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。當液體飽和蒸汽壓由初始狀態升壓至泄放狀態時，其吸收的熱量Q為：

(4)

式中，t1為LNG初始工況溫度，K；t2為LNG泄放工況溫度，K；c1為LNG初始工況比熱，kJ/kgK；c2為LNG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無損耗時間計算

LNG罐箱加注工藝系統無損維持時間為：

(5)

則有，81%充裝率LNG罐箱加注工藝系統無損時間為：

40%充裝率LNG罐箱加注工藝系統無損時間為：

經測算，81%充裝率和40%充裝率LNG罐箱加注工藝系統無損時間分別可以達到117天和84天。

5 結語

預冷達到加注作業運行作業條件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26.38～38.22 kg。雖然單次加注工藝系統預冷LNG消耗總量較大，但是如果LNG管線加注碼頭閑置時間超過30天以上，建議將LNG罐箱加注工藝系統進行泄空操作。

通過計算，40%充裝率LNG罐箱加注工藝系統無損時間可以達到84天，但是LNG低溫液體無損貯存，也只能解決LNG罐箱加注工藝系統壓力上升快慢的問題，并不能從源頭減少BOG的蒸發損耗。一旦罐內壓力泄放時，吸收的熱量將會隨液體的汽化而釋放，系統內液體飽和蒸汽壓將急速上升，應密切觀察壓力值的變化，并適時降低罐內壓力，以確保加注工藝系統的安全。