C型貨艙液化天然氣運(yùn)輸船壓力控制實(shí)例與探討

單學(xué)永，周 毅，李 萌，楊 靜，蒙學(xué)昊

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

0 引 言

某LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)配置了C型貨艙，根據(jù)設(shè)計(jì)核算，無(wú)需配備再液化裝置和氣體燃燒裝置，可以依靠C型貨艙的儲(chǔ)壓特性和雙燃料-電力推進(jìn)裝置進(jìn)行貨艙的壓力控制[1-2]。目前該船已投入實(shí)際營(yíng)運(yùn)，在國(guó)內(nèi)主要進(jìn)行二程轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)峰。在其營(yíng)運(yùn)作業(yè)過(guò)程中，貨艙壓力控制一直備受關(guān)注[3]。

為了更好地了解船舶的營(yíng)運(yùn)狀態(tài)、輔助船舶的營(yíng)運(yùn)策略、提升船舶的經(jīng)濟(jì)性與安全性，該船進(jìn)行了數(shù)字化智能化改造，依托于該船原有的自動(dòng)化系統(tǒng)[4]加裝了數(shù)據(jù)采集和衛(wèi)星數(shù)據(jù)回傳設(shè)備，使得LNG貨艙、航行和機(jī)艙數(shù)據(jù)得以被實(shí)時(shí)采集和回傳。

筆者收集了該LNG船多個(gè)航次的營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)，對(duì)采集的實(shí)船貨物系統(tǒng)數(shù)據(jù)特別是船舶實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的貨艙壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了裝貨航行工況、裝貨停泊工況、未裝貨(少量殘存)航行、未裝貨(少量殘存)停泊工況下貨罐的實(shí)際壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)該船在實(shí)際營(yíng)運(yùn)的過(guò)程中特別是停泊工況下存在貨艙壓力超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合航行于雙燃料機(jī)燃?xì)庀牡臄?shù)據(jù)，分析了貨罐壓力的諸多影響因素，探討了該船在主要營(yíng)運(yùn)航線作業(yè)過(guò)程中壓力控制的方法，并給出了該航線的一些壓力控制要點(diǎn)。

1 艙壓控制基本要求

該LNG運(yùn)輸船配備了4個(gè)雙頁(yè)C型罐貨艙，總艙容約30000m3。根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求和貨主對(duì)于收到LNG特性的要求，貨罐的壓力控制需滿足以下要求：①安全閥的設(shè)置不超過(guò)4.5bara(本文采用絕對(duì)壓力，1bar＝0.1MPa)；②由于接收站要求的貨物最高溫度為-157℃，根據(jù)飽和壓力與溫度的關(guān)系，載貨航行時(shí)貨艙壓力不得超過(guò)1.42bara。

由于該船未配備再液化裝置和氣體燃燒裝置，故壓力控制方式僅限于以下幾種：①雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒BOG作為動(dòng)力，同時(shí)也控制貨艙壓力；②C型貨罐儲(chǔ)壓；③超過(guò)安全閥設(shè)置值泄放(非正常工況)。一般來(lái)說(shuō)，該船正常營(yíng)運(yùn)時(shí)采用方式1，短期停泊期間采用方式2，故障工況采用或自動(dòng)選擇方式3。

2 典型航次壓力變化趨勢(shì)解讀

圖1展現(xiàn)了該LNG船一個(gè)完整并且典型的營(yíng)運(yùn)航次，整個(gè)航次營(yíng)運(yùn)的過(guò)程涵蓋了船舶空載(少量LNG殘存)停泊工況(等待裝貨)、接通LNG通岸接口工況、開(kāi)始裝貨工況、裝貨完畢等待開(kāi)航工況、裝貨航行工況、裝貨停泊工況(等待卸貨)、卸貨工況、未裝貨(少量殘存)航行工況。其中裝貨航行工況、裝貨停泊工況、未裝貨(少量殘存)航行、未裝貨(少量 殘存)停泊工況時(shí)間較長(zhǎng)，存在一定的壓力超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，故分析每個(gè)工況的貨艙壓力如下。

圖1 典型航次貨艙壓力-航速變化 Fig.1 Variation of cargo tank pressure-navigation speed in typical voyage

2.1 裝貨后去程航行工況

圖1為貨艙裝載貨物的體積與貨艙的壓力情況及該LNG船營(yíng)運(yùn)的航速。船舶從A港裝滿LNG貨物后開(kāi)航時(shí)，由于氣相回岸管路斷開(kāi)連接不久，罐內(nèi)新產(chǎn)生BOG＜消耗，故罐內(nèi)壓力有一個(gè)突然降低的過(guò)程。BOG的產(chǎn)生與消耗穩(wěn)定平衡后罐內(nèi)的壓力緩慢上升。靠岸時(shí)由于港口航道的要求一般運(yùn)行在燃油模式，燃?xì)庀臑?，罐內(nèi)壓力又有一個(gè)突然上升的過(guò)程。

圖2為一個(gè)裝貨航行工況的壓力升高與容積增加情況的樣本。根據(jù)該船大量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，裝貨航行工況穩(wěn)定平衡時(shí)罐內(nèi)壓力上升的平均速率為2.95mbar/h(最高4.54mbar/h)，而體積百分比上升的速率只有不到0.005%，故正常航行(運(yùn)行在燃?xì)饽Ｊ较?不會(huì)有貨罐壓力或液位超標(biāo)問(wèn)題。

圖2 裝貨航行工況的貨艙壓力和艙容變化 Fig.2 Variation of cargo tank pressure and tank capacity under load navigation condition

2.2 裝貨停泊工況

該船載貨停泊后，在卸貨之前要經(jīng)過(guò)2次緊急切斷(ESD)測(cè)試才被允許通岸卸貨。ESD測(cè)試時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在燃油模式，故2次測(cè)試時(shí)壓力升高曲線較陡，但2次測(cè)試之間在進(jìn)行管路預(yù)冷時(shí)壓力上升較 平緩。

通岸后，由于與岸端管路建立壓力平衡和熱量的涌入，罐內(nèi)壓力又有一個(gè)陡升的過(guò)程。

圖3為一個(gè)裝貨停泊工況的壓力升高與容積增加情況的樣本。根據(jù)該船大量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，裝貨停泊時(shí)由于燃?xì)夂牧可?，除去ESD測(cè)試與連岸接通受岸端影響后，罐內(nèi)壓力上升的平均速率約為穩(wěn)定航行時(shí)的 10倍，平均為 29.90mbar/h(最高45.61mbar/h)，未卸貨1d罐內(nèi)的壓力上升0.72bar，而平均體積百分比上升的速率0.006%。由圖3可以看出，裝貨停泊工況如持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)增加存在一定的超壓風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 裝貨停泊工況的貨艙壓力和艙容變化 Fig.3 Variation of cargo tank pressure and tank capacity under load berthing condition

2.3 卸貨后(少量殘存)返程航行工況

該船以貨艙BOG作為燃料，因此，卸貨完畢后貨艙會(huì)留存少量LNG作為下一次裝貨之前的燃料。卸貨后返程時(shí)，船舶駛離B港(卸貨港)過(guò)程一般運(yùn)行在燃油模式，壓力上升較快。BOG的產(chǎn)生與消耗穩(wěn)定平衡后，罐內(nèi)的壓力緩慢上升。

未裝貨(少量殘存)時(shí)的壓力上升速度高于滿載時(shí)壓力上升的速度，且受海況的影響明顯。

圖4為的一個(gè)卸貨后(少量殘存)返程航行工況的樣本。根據(jù)該船大量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，未裝貨(少量殘存)航行時(shí)罐內(nèi)壓力上升的平均速率為6.17mbar/h(最高16.02mbar/h，如臺(tái)風(fēng)天)，故未裝貨(少量殘存)航行通常不會(huì)有貨罐壓力超標(biāo)問(wèn)題。

圖4 卸貨后(少量殘存)返程航行工況貨艙壓力變化 Fig.4 Variation of cargo tank pressure during return voyage after unloading(a small amount of residue)

2.4 卸貨后(少量殘存)返程停泊工況

在等待卸貨的過(guò)程中，由于雙燃料機(jī)的負(fù)荷較小，罐內(nèi)壓力上升較快。

圖5為一個(gè)卸貨后(少量殘存)返程停泊工況的樣本。根據(jù)該船大量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，未裝貨(少量殘存)停泊時(shí)罐內(nèi)壓力上升的平均速率為21.90mbar/h (最高29.03mbar/h)，未裝貨(少量殘存)停泊工況如果持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)容易有超壓?jiǎn)栴}。

圖5 卸貨后(少量殘存)返程停泊工況貨艙壓力變化及預(yù)測(cè) Fig.5 Variation and prediction of cargo tank pressure during return berthing after unloading(a small amount of residual)

3 基于實(shí)船數(shù)據(jù)的貨艙壓力影響因素分析

貨罐壓力上升除了和船舶的營(yíng)運(yùn)工況有關(guān)，還與貨罐的裝載率、雙燃料機(jī)消耗等貨物系統(tǒng)的操作因素有關(guān)。通過(guò)智能系統(tǒng)采集并回傳了貨艙裝載率和雙燃料機(jī)消耗相關(guān)的參數(shù)，筆者通過(guò)數(shù)據(jù)分析將貨艙壓力和貨艙壓力的升高情況結(jié)合貨罐的裝載率和雙燃料機(jī)消耗數(shù)據(jù)分別做了綜合分析。

3.1 裝載率對(duì)貨艙壓力的影響

裝載率直接影響貨艙的溫度和貨艙內(nèi)的氣體體積，進(jìn)而影響到貨艙的壓力和壓力的發(fā)展情況。一般來(lái)說(shuō)，貨艙裝載率低時(shí)壓力升高較快。具體的相互影響作用需要熱平衡計(jì)算得出。本文采用數(shù)據(jù)分析的方法進(jìn)行歸納，通過(guò)多個(gè)航次(樣本)的數(shù)據(jù)對(duì)比，觀察不同裝載率對(duì)于貨艙壓力增速的影響。

圖6選擇多個(gè)滿載停泊航次比較其不同貨艙裝貨率下的貨艙壓力升高速率。樣本二貨罐裝載率較低，壓力上升較快。這里選擇停泊工況而非航行工況主要是為了減少海況影響，由于雙燃料機(jī)模式切換頻繁，該趨勢(shì)不明顯。

圖6 多個(gè)航次的滿載工況貨艙裝載率數(shù)據(jù)對(duì)比 Fig.6 Comparison of cargo tank loading rate data under full load conditions for multiple voyages

對(duì)于空載(少量殘余)停泊工況，貨艙裝載率少，壓力升高較快的趨勢(shì)較為明顯。圖7中樣本四、樣本九貨罐殘余較多，壓力上升速度明顯小于其他樣本。樣本八由于臺(tái)風(fēng)的關(guān)系其趨勢(shì)不一致。

圖7 多個(gè)航次的壓載工況貨艙裝載率數(shù)據(jù)對(duì)比 Fig.7 Comparison of cargo tank loading rate data under ballast conditions for multiple voyages

根據(jù)以上分析，在船舶停泊階段有貨艙壓力超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，特別是在空載(少量殘存)工況下，如果條件允許，可以考慮通過(guò)增加貨艙的殘存率來(lái)控制壓力。

3.2 雙燃料機(jī)消耗對(duì)貨艙壓力的影響

本船沒(méi)有火炬塔和其他消耗，也沒(méi)有再液化裝置，故用于船舶推進(jìn)和全船供電的雙燃料機(jī)消耗為本船BOG消耗的最大用戶，雙燃料機(jī)消耗燃?xì)獾亩嗌僦苯佑绊懼浥摰膲毫?。下面具體分析雙燃料機(jī)功率和燃料氣消耗量對(duì)于貨艙壓力的影響。

如圖8所示，對(duì)于裝貨工況，在不考慮環(huán)境較大變化的前提下，在貨罐裝載率為90%～95%時(shí)根據(jù)大量數(shù)據(jù)擬合顯示，燃?xì)饽Ｊ较轮鳈C(jī)負(fù)荷保持在約4500kW，燃?xì)庀募s為700kg/h，基本可以使得艙內(nèi)恒壓。

圖8 裝貨工況貨艙壓力與雙燃料機(jī)消耗之間的關(guān)系 Fig.8 Relationship between cargo tank pressure and of dual-fuel engine consumption under load conditions

如圖9所示，對(duì)于回程空載(貨艙少量殘存)工況，在不考慮環(huán)境較大變化的前提下，貨罐一般的裝載率＜3%。根據(jù)大量數(shù)據(jù)擬合顯示，燃?xì)饽Ｊ较轮鳈C(jī)負(fù)荷保持在約 7000kW，燃?xì)庀脑诩s1100kg/h，基本可以使得艙內(nèi)恒壓。

圖9 停泊工況貨艙壓力與雙燃料機(jī)消耗之間的關(guān)系 Fig.9 Relationship between cargo tank pressure and dual-fuel engine consumption under berthing conditions

綜上，對(duì)于正在航行中的船舶，可以通過(guò)加速的途徑加大雙燃料機(jī)消耗來(lái)控制貨艙壓力。

4 C型貨艙BOG壓力控制探討

通過(guò)對(duì)以上工況的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)該C型貨艙LNG運(yùn)輸船在各工況的壓力變化歷史趨勢(shì)進(jìn)行壓力到達(dá)最大值時(shí)間預(yù)測(cè)如表1所示。

根據(jù)前述分析和表1預(yù)測(cè)時(shí)間，認(rèn)為該C型貨艙LNG運(yùn)輸船在各工況的貨艙壓力情況和對(duì)應(yīng)的控制應(yīng)對(duì)措施可以概括如下：根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，燃?xì)饽Ｊ较略摯贏港(裝貨港)至B港(卸貨港)的典型航程的裝貨航行不會(huì)導(dǎo)致壓力超標(biāo)，無(wú)需采取額外的壓力控制措施；裝貨停泊工況即使初始?jí)毫榇髿鈮?，超過(guò)允許接收貨溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力也僅需要14h，故裝貨停泊工況的時(shí)長(zhǎng)需盡可能減少，可以選擇船舶延長(zhǎng)航行時(shí)間多繞行的方式來(lái)減少裝貨停泊的時(shí)長(zhǎng)；未裝貨(少量殘存)航行工況在理論上不存在超壓?jiǎn)栴}，無(wú)需采取額外的壓力控制措施；未裝貨(少量殘存)停泊工況如初始?jí)毫榇髿鈮?，上升至安全閥打開(kāi)需要約160h，但由于未裝貨(少量殘存)停泊工況初始?jí)毫Χ急容^大，故一般等不到160h艙壓就會(huì)上升至安全閥設(shè)定壓力，此時(shí)應(yīng)延長(zhǎng)航行時(shí)間來(lái)減少停泊時(shí)間。

表1 貨艙壓力變化趨勢(shì)及壓力到達(dá)最大值時(shí)間預(yù)測(cè) Tab.1 Trend of pressure in cargo tank and prediction of time reaching maximum pressure

結(jié)合以上工況，作為該船的壓力控制手段，在不添加輔助壓力控制設(shè)備的前提下，可以通過(guò)增加貨物裝載率、增加雙燃料機(jī)消耗和控制停泊時(shí)間來(lái)減少壓力超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而減少貨損、保障經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)據(jù)分析的手段統(tǒng)計(jì)分析了裝貨航行工況、裝貨停泊工況、未裝貨(少量殘存)航行、未裝貨(少量殘存)停泊工況的貨艙壓力變化情況。發(fā)現(xiàn)停泊工況存在比較嚴(yán)重的壓力超標(biāo)情況，需要對(duì)貨艙壓力進(jìn)行控制。控制的方式包括但不限于控制貨物裝載率、增加雙燃料機(jī)消耗和控制停泊時(shí)間。

通過(guò)對(duì)該船的大量實(shí)際營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，貨罐壓力的實(shí)際營(yíng)運(yùn)情況與設(shè)計(jì)理想情況有較大差異，實(shí)際工作中由于環(huán)境溫度、貨艙絕緣狀態(tài)、船舶運(yùn)行海況等因素使得貨艙壓力仍有超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。C型貨艙LNG運(yùn)輸船在實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中幾乎無(wú)法全部復(fù)現(xiàn)理想條件和驗(yàn)證其設(shè)計(jì)狀態(tài)指標(biāo)。因此，對(duì)于LNG船舶營(yíng)運(yùn)和貨艙的壓力控制策略的制定，船東應(yīng)采取設(shè)計(jì)理論與實(shí)際營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式。通過(guò)數(shù)字化智能化系統(tǒng)獲得實(shí)船營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)，了解實(shí)船的壓力變化歷史趨勢(shì)并對(duì)其未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而深度了解該船貨艙的特性，提出針對(duì)性的壓力控制方案，為提升營(yíng)運(yùn)管理水平和最大化獲得經(jīng)濟(jì)效益提供數(shù)據(jù)支撐?！?/p>