小型LNG運(yùn)輸船裝船過程BOG產(chǎn)生量的計(jì)算

馬敏吉 李慶華

無錫厚德石化工程設(shè)計(jì)有限公司

天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃要求綜合考慮液化天然氣(以下稱“LNG”)資源供應(yīng)、船用加注需求、港口規(guī)劃和通航等條件，在沿海港口、湖泊和內(nèi)河船舶污染物排放超標(biāo)、環(huán)保要求高的水域布局LNG船舶加注站碼頭，加大船用LNG燃料推廣力度，開展LNG江海轉(zhuǎn)運(yùn)試點(diǎn)。隨著“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]。小型LNG運(yùn)輸船運(yùn)輸是管道輸配、LNG槽車運(yùn)輸?shù)闹匾a(bǔ)充手段[2-3]。因此，發(fā)展小型LNG運(yùn)輸船運(yùn)輸是天然氣市場(chǎng)發(fā)展和國(guó)家政策推廣的必然趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)大型LNG接收站通常采用大型LNG運(yùn)輸船從國(guó)外液化廠遠(yuǎn)距離運(yùn)輸進(jìn)口LNG，而小型LNG運(yùn)輸船主要用于將國(guó)內(nèi)大型LNG接收站、LNG儲(chǔ)備基地及LNG儲(chǔ)存中心等的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)海、內(nèi)河的小型LNG氣化站、輸配站、調(diào)峰站及加注站，實(shí)現(xiàn)LNG的氣化外輸、躉船加注等功能。

目前，國(guó)內(nèi)小型LNG運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展迅速。江南造船建造的國(guó)內(nèi)首艘30 000 m3LNG船“海洋石油301”輪，配置C型LNG貨艙、雙燃料電力推進(jìn)(dual fuel diesel electric，DFDE)系統(tǒng)，完全具備自行靠離泊碼頭的能力，可大大減少靠離泊作業(yè)對(duì)于港作拖輪的依賴，有效降低營(yíng)運(yùn)成本。大連中遠(yuǎn)船務(wù)建造的國(guó)內(nèi)首艘28 000 m3LNG船“啟元”輪順利完成海試任務(wù)，配置C型LNG貨艙。江蘇南通啟東豐順船舶重工船廠建造的14 000 m3江海直達(dá)型LNG運(yùn)輸船，既能在沿海航行，又能進(jìn)入長(zhǎng)江，具備江海直達(dá)功能。屆時(shí)進(jìn)口的LNG將沿海大型LNG接收站過駁至該船，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至長(zhǎng)江，能為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供高效清潔能源，不僅能夠推動(dòng)“氣化長(zhǎng)江”綠色航運(yùn)創(chuàng)新工程加快實(shí)施、滿足長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展的需要，還能徹底解決長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶冬季天然氣保供問題。

由于LNG運(yùn)輸船裝載LNG的來源通常來自于天然氣液化廠和LNG接收站，大型LNG運(yùn)輸船和小型LNG運(yùn)輸船在天然氣液化廠和LNG接收站碼頭裝船過程中的操作參數(shù)具有較大的差異，因此小型LNG運(yùn)輸船裝船不能完全照搬借鑒大型LNG運(yùn)輸船的工藝流程和操作模式。此外，根據(jù)國(guó)內(nèi)已有小型LNG運(yùn)輸船液貨艙形式可知，小型LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐通常為C型獨(dú)立液貨艙，該形式儲(chǔ)罐是符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的壓力式液艙，一般為圓筒形臥罐或球罐，可承受較高的內(nèi)壓力。大型LNG運(yùn)輸船液貨艙儲(chǔ)罐通常為低壓LNG儲(chǔ)罐，操作壓力(表壓，下同)和設(shè)計(jì)壓力(表壓，下同)較低，通常為0.025 MPa。C型獨(dú)立液貨艙與其他類型液貨艙相比，操作壓力范圍廣，可達(dá)到0.3～0.8 MPa[4]。

小型LNG運(yùn)輸船裝船過程BOG產(chǎn)生量受環(huán)境條件、LNG原料儲(chǔ)罐壓力、LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐壓力、裝船速率等綜合因素的影響，本文采用流程模擬軟件穩(wěn)態(tài)模塊研究小型LNG運(yùn)輸船裝船工藝BOG產(chǎn)生量受LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力、運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力、裝船速率等因素的影響變化趨勢(shì)，總結(jié)出影響B(tài)OG量產(chǎn)生的主要因素，并利用流程模擬軟件動(dòng)態(tài)模塊實(shí)時(shí)模擬小型LNG運(yùn)輸船帶壓裝船過程產(chǎn)生的BOG、壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時(shí)間的變化，在保證裝船安全性的前提下，盡可能降低因裝船產(chǎn)生的BOG返氣對(duì)BOG壓縮機(jī)和再冷凝器等設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，并降低運(yùn)行操作費(fèi)用。目前，廣泛應(yīng)用的動(dòng)態(tài)模擬軟件主要有Hysys Dynamic、Plus Dynamic和Dynsim，其中Hysys Dynamic應(yīng)用最為廣泛，可用于模擬分析石油化工裝置的工藝過程，反映實(shí)際生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等工藝參數(shù)隨時(shí)間的變化過程及對(duì)干擾因素的響應(yīng)，已被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司所廣泛應(yīng)用[5-13]。

1 小型LNG運(yùn)輸船裝船的穩(wěn)態(tài)模擬

1.1 影響小型LNG運(yùn)輸船裝船過程BOG閃蒸量的因素

小型LNG運(yùn)輸船裝船過程的主要操作參數(shù)如下：

容積10 000 m3；

儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率0.22%；

操作壓力范圍5～35 kPa；

LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力5～25 kPa；

LNG原料儲(chǔ)罐低壓LNG泵揚(yáng)程150 m；

裝船開始時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG處于飽和狀態(tài)；

裝船速率1400 m3/h；

船艙儲(chǔ)罐充裝率90%；

LNG組成(摩爾分?jǐn)?shù))：甲烷99.54%，乙烷0.10%，丙烷0.10%，異丁烷0.10%，氮?dú)?.16%。

小型LNG運(yùn)輸船裝船的穩(wěn)態(tài)模型及BOG計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

當(dāng)LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力為10 kPa，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐壓力為5～25 kPa時(shí)，裝船過程產(chǎn)生的BOG量如表1所示；當(dāng)LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力為20 kPa，LNG原料儲(chǔ)罐壓力為5～25 kPa時(shí)，裝船過程產(chǎn)生的BOG量如表2所示；當(dāng)LNG原料儲(chǔ)罐和LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力為5～25 kPa時(shí)，裝船過程產(chǎn)生的BOG量如圖2所示。

表1 小型LNG運(yùn)輸船裝船BOG產(chǎn)生量(LNG原料儲(chǔ)罐壓力 10 kPa)Table 1 BOG flow rate calculation for small LNG carrier loading process(LNG terminal tank pressure 10 kPa)工況編號(hào)LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力/kPaBOG量/(kg·h-1)工況編號(hào)LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力/kPaBOG量/(kg·h-1)1 5.0 4 211.9 13 11.0 1 429.2 2 5.5 3 975.5 14 11.5 1 202.0 3 6.0 3 739.9 15 12.0 977.8 4 6.5 3 510.2 16 12.5 749.4 5 7.0 3 273.9 17 13.0 524.7 6 7.5 3 037.9 18 13.5 300.6 7 8.0 2 805.5 19 14.0 77.5 8 8.5 2 580.0 20 14.5 0.0 9 9.0 2 347.5 21 15.0 0.0 10 9.5 2 116.3 22 15.5 0.0 11 10.0 1 886.3 23 16.0 0.0 12 10.5 1 657.3 24 16.5 0.0

從表1可知，當(dāng)LNG原料儲(chǔ)罐壓力為10 kPa時(shí)，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力最低時(shí)產(chǎn)生的BOG量最大，隨著運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力的逐漸增大，裝船閃蒸的BOG量逐步降低，當(dāng)LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力高于LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力4.5 kPa時(shí)，閃蒸產(chǎn)生的BOG量為零。從表2可知，當(dāng)LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力為20 kPa，LNG原料儲(chǔ)罐壓力為5～25 kPa時(shí)，裝船開始階段進(jìn)入LNG運(yùn)輸船的LNG為過冷態(tài)，裝船過程閃蒸BOG量為零，當(dāng)LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力小于LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力約4 kPa時(shí)，閃蒸量逐漸出現(xiàn)，且逐漸變大。綜上所述，針對(duì)上述LNG運(yùn)輸船型，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力與LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力的相對(duì)差值是決定是否產(chǎn)生BOG的關(guān)鍵參數(shù)。

表2 小型LNG運(yùn)輸船裝船BOG產(chǎn)生量(LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐壓力20 kPa)Table 2 BOG flow rate calculation for small LNG carrier loading process(LNG carrier tank pressure 20 kPa)工況編號(hào)LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力/kPaBOG量/(kg·h-1)工況編號(hào)LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力/kPaBOG量/(kg·h-1)15.00.0 2215.50.0 25.50.0 2316.0164.5 36.00.0 2416.5382.4 46.50.0 2517.0600.6 57.00.0 2617.5819.0 67.50.0 2718.01 050.5 78.00.0 2818.51 273.1 88.50.0 2919.01 494.2 99.00.0 3019.51 705.9 109.50.0 3120.01 919.4 1110.00.0 3220.52 137.1 1210.50.0 3321.02 354.2 1311.00.0 3421.52 579.9 1411.50.0 3522.02 790.1 1512.00.0 3622.53 000.7 1612.50.0 3723.03 217.9 1713.00.0 3823.53 427.9 1813.50.0 3924.03 654.3 1914.00.0 4024.53 885.8 2014.50.0 4125.04 089.7 2115.00.0 4225.04 089.7

1.2 小型LNG運(yùn)輸船裝船時(shí)操作壓力的選取

LNG接收站操作工況較為復(fù)雜，小型LNG運(yùn)輸船在接收站碼頭裝船時(shí)接收站可能在進(jìn)行槽車外輸、卸船、氣化外輸?shù)雀鞣N操作，LNG接收站儲(chǔ)罐操作壓力通常不會(huì)為小型LNG運(yùn)輸船裝船過程進(jìn)行專門的調(diào)整，相應(yīng)LNG儲(chǔ)罐會(huì)維持安全穩(wěn)定壓力下操作，因此,影響小型LNG運(yùn)輸船裝船閃蒸的主要可調(diào)整參數(shù)為裝船速率和LNG運(yùn)輸船操作壓力。

國(guó)內(nèi)小型LNG運(yùn)輸船主要將沿海大型LNG接收站內(nèi)的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)至小型LNG氣化站、輸配站、調(diào)峰站及加注站，實(shí)現(xiàn)LNG的氣化外輸、躉船加注等功能。當(dāng)小型LNG運(yùn)輸船卸載目的地盛裝LNG的儲(chǔ)罐為大型LNG常壓儲(chǔ)罐，通常LNG裝船時(shí)規(guī)定運(yùn)輸船的操作壓力較低，裝載過程產(chǎn)生的大量BOG由LNG接收站來負(fù)責(zé)處理，此過程產(chǎn)生的BOG量對(duì)大型LNG接收站的穩(wěn)定運(yùn)行影響較小，但會(huì)增加LNG接收站的BOG氣體壓縮、泵增壓等能耗；若選擇運(yùn)輸船裝船時(shí)操作壓力較高，裝船過程產(chǎn)生的BOG量降低，甚至為零，但運(yùn)輸船至目的地卸載時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的BOG，此部分BOG量對(duì)小型氣化站的穩(wěn)定運(yùn)行影響巨大，甚至需單獨(dú)增設(shè)BOG處理設(shè)施，增加小型氣化站能耗。當(dāng)小型LNG運(yùn)輸船卸載目的地盛裝LNG的儲(chǔ)罐為小型壓力容器儲(chǔ)罐、罐箱、躉船儲(chǔ)罐時(shí)，通常選擇LNG運(yùn)輸船裝船時(shí)操作壓力較高，一方面既可以避免裝船過程產(chǎn)生大量BOG量，降低LNG接收站能耗；另一方面在卸船過程中也可避免產(chǎn)生大量的BOG，降低目的地的運(yùn)行能耗。因此，小型LNG運(yùn)輸船裝船的操作壓力應(yīng)視LNG接收站和卸載目的地的實(shí)際功能定位、操作模式等具體情況進(jìn)行選擇。

2 小型LNG運(yùn)輸船裝船的動(dòng)態(tài)模擬

小型LNG運(yùn)輸船卸料完畢后通常會(huì)預(yù)留一定的物料，一方面用作LNG運(yùn)輸船的動(dòng)力燃料，另一方面可對(duì)LNG船艙進(jìn)行冷卻，通常LNG運(yùn)輸船至裝料碼頭時(shí)運(yùn)輸船儲(chǔ)罐需進(jìn)行預(yù)冷，以滿足LNG接收站的要求。當(dāng)LNG運(yùn)輸船到達(dá)碼頭時(shí)，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐壓力為35 kPa，儲(chǔ)罐內(nèi)剩余100 m3LNG，預(yù)計(jì)小型LNG運(yùn)輸船裝載率為90%，LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力為20 kPa，運(yùn)輸船船艙儲(chǔ)罐壓力控制點(diǎn)不高于35 kPa。小型LNG運(yùn)輸船裝船的動(dòng)態(tài)模型如圖3所示。

小型LNG運(yùn)輸船裝船過程中船舶儲(chǔ)罐壓力、溫度隨著裝船時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示，裝船速率、船舶儲(chǔ)罐充裝率及裝船期間BOG產(chǎn)生量隨裝船時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖5和圖6所示。

從圖4可看出，小型LNG運(yùn)輸船開始裝船時(shí)間為第60 min(3600 s)，LNG運(yùn)輸船到達(dá)接收站碼頭時(shí)船艙內(nèi)處于氣液平衡狀態(tài)。當(dāng)LNG由低壓輸送泵輸送至LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐時(shí)，進(jìn)料LNG相對(duì)于船艙儲(chǔ)罐的操作壓力為過冷狀態(tài)，過冷的LNG同船艙儲(chǔ)罐氣相空間BOG不斷接觸進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)，大量的BOG會(huì)被冷卻甚至冷凝下來，船艙儲(chǔ)罐內(nèi)的操作壓力逐漸降低，當(dāng)裝船時(shí)間約為110 min(6600 s)時(shí)，運(yùn)輸船船艙儲(chǔ)罐壓力達(dá)到最低，約為32 kPa；隨著裝船過程的繼續(xù)，運(yùn)輸船船艙儲(chǔ)罐壓力緩步升高，裝船結(jié)束時(shí)約為33.5 kPa，主要有3個(gè)因素導(dǎo)致此過程運(yùn)輸船船艙壓力的升高。原有運(yùn)輸船船艙儲(chǔ)罐中的BOG未被排出，已有熱量積聚在儲(chǔ)罐中，導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力和溫度升高；裝船過程中LNG注入會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐氣相空間迅速降低，導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力升高；裝船過程中低壓輸送泵功率及裝船管線漏熱的能量被積聚在儲(chǔ)罐中，也會(huì)導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐的壓力升高，但由于進(jìn)料LNG為過冷狀態(tài)，導(dǎo)致裝船結(jié)束時(shí)船艙儲(chǔ)罐壓力仍低于船舶到港時(shí)儲(chǔ)罐的操作壓力。

從圖5和圖6可看出，隨著小型LNG運(yùn)輸船充裝率的提高，船艙儲(chǔ)罐回氣量一直為零，裝船過程不但未增加LNG接收站BOG量，反而因體積置換效應(yīng)降低了LNG原料儲(chǔ)罐BOG量，明顯降低了接收站BOG的能耗，有利于提高LNG接收站運(yùn)營(yíng)方的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，應(yīng)視LNG接收站和卸載目的地的實(shí)際功能定位、操作模式、合同要求等因素合理選擇船艙儲(chǔ)罐的操作壓力，盡可能實(shí)現(xiàn)LNG供應(yīng)方和購(gòu)買方雙方共贏的效果。

3 結(jié)論

本文采用流程模擬軟件穩(wěn)態(tài)模塊和動(dòng)態(tài)模塊分別計(jì)算研究了影響小型LNG運(yùn)輸船裝船工藝BOG產(chǎn)生量的主要因素，并實(shí)時(shí)模擬裝船過程產(chǎn)生的BOG、壓力、溫度、流量等參數(shù)隨時(shí)間的變化，形成以下結(jié)論：

(1)對(duì)于裝、卸船操作，影響裝卸船過程中BOG產(chǎn)生量的主要因素為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力與LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力的相對(duì)差值。本文示例裝船過程中，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力高于LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力4.5 kPa時(shí)，閃蒸產(chǎn)生的BOG量為零。卸船過程中，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐操作壓力小于LNG原料儲(chǔ)罐操作壓力約4 kPa時(shí)，閃蒸BOG量為零。

(2)對(duì)于小型LNG運(yùn)輸船卸載至小型壓力容器儲(chǔ)罐、罐箱、躉船儲(chǔ)罐的工程項(xiàng)目，LNG運(yùn)輸船裝船時(shí)操作壓力維持較高水平，可避免裝船和卸船過程產(chǎn)生大量BOG量，降低總體運(yùn)行能耗。

(3)采用動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算裝船工藝中不同裝船速率、船舶儲(chǔ)罐初始狀態(tài)等工況下，LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐壓力、BOG產(chǎn)生量以及回氣量的實(shí)時(shí)變化和趨勢(shì)圖，借此優(yōu)化出適用于實(shí)際具體工程項(xiàng)目的儲(chǔ)罐操作壓力、裝船速率等關(guān)鍵操作參數(shù)，尋求得到適用于每個(gè)項(xiàng)目最小能耗的最佳操作點(diǎn)，為實(shí)際裝船過程提供技術(shù)支持和指導(dǎo)，同時(shí)提高操作運(yùn)行人員的技術(shù)水平。