LNG船對船過駁BOG生成量計算及回收建議

李方遒 李恩道 程 昊 李欣欣 劉淼兒 張曉慧

(中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100028)

隨著中國“十三五”規劃和“氣化長江”內河船舶“油改氣”政策的推進，內河小型LNG運輸船的市場越來越大[1]。大型LNG運輸船由于吃水等限制無法進入內河流域，因此需在沿海地區過駁到小型LNG運輸船進行分銷[2]。隨著中國LNG進口量的增加[3]，海上運輸將承擔起越來越大的運輸份額，而隨著國內內河LNG接收站的陸續建成，LNG船對船過駁的需求將越來越旺盛。根據國內相關規劃，未來幾年中國內河LNG接收站的轉運需求量將達到1 000萬t/a，使得LNG的船對船過駁作業也將越來越頻繁[4]。

LNG船對船過駁作業中會產生BOG，而BOG會引起船艙內壓力升高，如不及時處理，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產品損耗及環境污染，同時還會增加運輸船運營過程中的碳排放量。因此，研究LNG船對船過駁作業中BOG的生成量，并根據其生成量的影響規律提出相應控制措施及回收方法，對減少LNG船對船過駁作業過程中的BOG量有著重要意義。目前，眾多學者和行業內工程師對LNG接收站運行過程中的BOG生成量的計算進行了深入研究[5-9]，但國內對LNG船對船過駁的研究尚處于起步階段[10]，相關的規范和操作指南還有待補充和完善。

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

1 過駁作業BOG生成量影響因素及參數選取

1.1 過駁作業BOG生成量影響因素

LNG船對船過駁作業中的BOG生成量為過駁作業過程中所產生的全部BOG量與所消耗的BOG量的差值。其中過駁過程中BOG產生的主要因素有：系統漏熱、作業熱輸入、艙壁冷卻[11]。BOG消耗的方式主要有進入艙內的LNG過冷產生的冷凝和LNG運輸船的燃料消耗。

1.1.1系統漏熱

由于LNG溫度遠低于環境溫度，因此LNG運輸船在運輸過程中必然會從環境中吸熱，進而產生船艙內LNG的自然蒸發。在裝卸載作業過程中，低溫的LNG管道也會產生一定量的漏熱。因此，過駁作業過程中的系統漏熱分為低溫管路系統的漏熱和LNG船舶的自然漏熱兩部分。其中，管路系統的漏熱按要求不高于25 W/m2；LNG運輸船的漏熱按日蒸發率計算，而日蒸發率的主要影響參數為船艙類型及船艙容積。

1.1.2裝載作業熱輸入

1) LNG卸載泵熱輸入。LNG過駁過程中由大型LNG運輸船上的卸載泵將LNG從船艙底部抽出，經裝卸載總管、軟管及小型LNG運輸船總管進入貨艙。LNG卸載泵提供的能量主要用于克服卸載管路系統的沿程阻力損失和2艘運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化為內能輸入LNG貨物中，進而產生BOG的蒸發。因此，LNG卸載泵的熱輸入是過駁作業中的一項重要因素。控制該熱輸入的主要參數為裝載速率、卸載船容積及兩船容積差等。

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

1.1.3艙壁冷卻

小型LNG運輸船過駁作業前，儲艙內殘留LNG液面較低，船艙側壁的金屬和附近保溫層的溫度將會上升。通?？刂婆摫诘臏囟炔桓哂?140 ℃，以便過駁作業時避免首先開展艙壁的預冷作業。過駁作業中，隨著船艙內液位的上升，艙壁的溫度將會與LNG溫度基本一致，達到接近-160 ℃。因此，艙壁冷卻過程中將會給LNG輸入熱量，帶來BOG的蒸發?？刂圃撦斎霟崃康闹饕獏禐榇擃愋图按撊莘e。

1.1.4BOG消耗

1) 燃料消耗。過駁過程中裝卸2艘LNG運輸船的發電均采用BOG氣體經過壓縮后作為燃料，這有利于降低過駁過程中產生的BOG量，降低船艙內的壓力，緩解BOG處理系統的壓力?？刂圃撓牧康闹饕獏禐榇擃愋图按撊莘e。

2) 過冷LNG冷凝。如果小型LNG運輸船的操作壓力高于卸載LNG運輸船，則過駁后的LNG進入儲艙內處于過冷狀態，具有吸納熱量并冷凝BOG的作用。因此，過冷狀態的LNG可降低BOG的生成量，作為過駁作業過程中的減項?？刂圃撐鼰崃康闹饕獏禐檠b卸載壓力。

1.2 目標船型的選擇

隨著國際LNG貿易逐步擴大，LNG運輸船將向著大型化方向發展，17.4萬～21萬m3容量的LNG運輸船將成為各沿海LNG接收站資源保供的主流。同時，為實現中國海油沿海LNG船舶加注及“氣化長江”的戰略布局，1.2萬m3的LNG加注船已完成初步設計，準備開工建造；3萬m3的LNG運輸船已于2015年建造完成，具備中小型LNG資源轉運能力。結合中國海油LNG實際業務需求，圍繞相關船型目標航線和活動區域，本文以表1中船型為卸載船和裝載船，研究LNG船對船過駁作業過程中的BOG生成量。

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

1.3 計算參數的選取

基于以上過駁作業中的BOG產生的主要因素，總結出影響BOG生成量的主要控制參數為：船型及船容、裝載速率、卸載壓力、裝載壓力。依據本文中考慮的3種不同LNG船型及對應的不同裝卸載壓力，將計算工況分為3個案例(表2)，以裝載速率、卸載壓力、裝載壓力為變量對BOG生成量及再液化裝置配置等問題進行分析。

表2 BOG生成量計算工況Table 2 Parameters of BOG calculation

同時，LNG組分也會影響過駁作業過程中的BOG生成量[13]，本文重點研究船對船過駁卸載過程中操作參數對BOG生成量的影響，不針對LNG組分進行工況劃分，僅選取貧氣及富氣2種LNG的典型組分(表3)分別計算其產生的BOG值。

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

2 不同控制參數對過駁作業BOG生成量影響分析

基于表2的計算工況，建立BOG生成量計算的理論模型，計算并分析不同控制參數下BOG生成量的變化趨勢。由于船對船過駁作業過程中的BOG生成量暫未有詳實的工程數據，因此將該計算結果與LNG接收站卸船工況下的BOG生成量進行了對比，驗證了該計算結果的合理性及可靠性。

2.1 裝載速率及裝載壓力對BOG生成量的影響

為了更為準確地考慮裝載速率及裝載壓力對過駁作業中BOG生成量的影響規律，將LNG運輸船過駁作業時的卸載壓力設為定值15 kPa，在計算時考慮過駁作業為穩定輸送狀態，通過改變過駁作業的裝載速率及裝載壓力，計算得到不同船型過駁作業過程中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相同，且貧氣的BOG結果數值均小于同等條件下的富氣結果數值。由圖1可知，當裝載速率相同時，BOG生成速率隨著裝載壓力的升高而降低；但當裝載壓力相同時，BOG生成速率隨著裝載速率的變化卻呈現不同的趨勢。以案例1為例，當裝載壓力小于25 kPa時，BOG生成速錄隨著裝載速率的增大而增大；當裝載壓力為25 kPa時，BOG生成速率對裝載速率的變化不敏感，其數值幾乎保持不變；當裝載壓力大于25 kPa時，BOG生成量則會隨著裝載速率的增大而降低，當裝載速率增大至3 000 m3/h后(富氣)，BOG生成速率降至負值，表示過駁作業中單位時間內所產生的BOG全部被消耗，且裝載船液艙內的LNG處于過冷狀態。

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

在BOG生成速率的基礎上，計算過駁作業全過程中的BOG總生成量，得到BOG總生成量與裝載速率及裝載壓力的關系曲線(圖2)?？梢钥闯觯嗤b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，隨著裝載速率的逐漸增大，其降低趨勢而呈現先陡降后平緩的趨勢，以案例1為例，當裝載壓力大于30kPa時，其BOG總生成量會隨著裝載速率的增加而逐漸降為負值。

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

對比圖1、2中3個案例，可以看出，當卸載船的船艙容量不變，減小裝載船的船艙容量時(如案例1與案例2對比)，可以得到其BOG生成速率最大值隨之減小，同時BOG總生成量隨之增加；當裝載船的船艙容量不變，減少卸載船的船艙容量時(如案例2與案例3對比)，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個案例的計算結果，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，因此在過駁作業中應盡量避免該情況發生。

2.2 卸載壓力對BOG生成量的影響

文中目標船型中只有3萬m3的LNG運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(圖3)。由于富氣與貧氣的結果差較為穩定，同時本次分析中數據量較大，因此圖3中只體現富氣結果。

圖3 不同卸載壓力、裝載壓力及裝載速率對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計算結果變化趨勢大致相同。圖3中出現4組不同工況下的BOG計算結果曲線幾乎重合的現象，分析得到當卸載壓力與裝載壓力差相同時，無論卸載壓力與裝載壓力的絕對值大小如何變化，其BOG計算結果大致相同。同時，在過駁作業中裝載壓力與卸載壓力之差的數值越大，BOG生成速率及BOG總生成量均隨之減?。环粗?，當裝載壓力與卸載壓力之差的數值越小(甚至為負值)時，BOG生成速率及BOG總生成量均隨之增大。因此，在過駁過程中應盡量保持裝載船處于帶壓狀態，兩船之間的BOG系統不能簡單地通過管道進行氣相連接，而應配置具備壓力或流量調節功能的閥門，以控制BOG由裝載船艙返回卸載船艙的壓力和流量。

在過駁作業開始時，卸載壓力通常較高，但裝載壓力通常較小，同時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定輸送，因此在初始階段可能會造成一定量的BOG過剩，無法通過船艙加壓過冷或船本身發電而完全消耗掉，因此需要對裝載船的BOG回收裝置進行合理配置。

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，該系統主要分為氮膨脹技術和深冷液化技術，其中氮膨脹技術裝置包含BOG壓縮機、冷劑壓縮膨脹機、冷箱、N2增壓機等設備，深冷裝置包含冷劑壓縮膨脹機、高速電機、電磁軸承等設備。據以往數據統計，一套再液化設備成本可占到LNG船舶造價的3%～10%，僅處理量1t/h的裝置費用就高達350萬美元以上。而中國在船用低溫設備的研究方面相對落后，還未能突破再液化裝置的核心技術和關鍵設備的國產化，只能依賴高價進口。經前文分析可知，不同裝載速率、不同裝載壓力會對過駁作業中BOG的生成量產生很大影響，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中需要處理的BOG量，減少再液化設備的配置費用，降低成本。

本文中主要針對過駁作業過程中所產生的BOG量來配置再液化裝置。在過駁作業初期，過駁卸載速率通常較低，而裝載船艙內初始壓力不高，導致在此期間內生成的BOG量較大；此時大量的BOG囤積在裝載船艙中會導致艙內壓力升高，同時卸載速度提高，導致BOG生成量隨之下降，因此在配置BOG再液化裝置時，需要綜合考慮壓力、速率及時間等因素。針對本文中的不同船型及工況下BOG生成量的計算結果，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 結論及建議

LNG船對船過駁作業BOG的生成量的主要控制參數包括：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??；裝載速率對于BOG生成量之間的影響關系與裝載壓力的大小有關，當裝載壓力較大時，裝載速率越大則BOG生成量越小，但當裝載壓力較小時，裝載速率越大則BOG生成量越大。

在給目標裝載船配置船用BOG再液化裝置時，要同時考慮卸載船的容量及壓力、裝載船可否帶壓運營、過駁作業總時長等條件。針對本文3個LNG運輸船案例，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系統管線中有配置具備壓力或流量調節功能的閥門，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運輸船設計操作壓力應大于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船對船過駁所產生的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，進而滿足下游中小型LNG接收站用戶的接氣條件要求。