液化天然氣船旁靠補貨過程中艙內(nèi)壓力控制技術(shù)

陳功劍

(中國技術(shù)進(jìn)出口集團有限公司， 北京 100055)

液化天然氣（LNG）通常通過LNG 船運輸?shù)絃NG 接收站或氣化站存儲，然后用低溫泵加壓送至下游的工業(yè)、居民以及其他用戶［1-3］，國內(nèi)接收站普遍使用16 萬m3及以上的全包容大型儲罐存儲LNG［4-5］。 緬甸則不同，受政府審批、征地、工程建設(shè)條件等因素的制約和影響， 采用將長期?？吭诖a頭的LNG 運輸船作為儲罐，從LNG 運輸船向陸地氣化站提供LNG 的特有模式。 這種模式需要定期向LNG 船補充LNG， 補充方式為船靠船（STS）。 受仰光河航道的制約，補給船只（也稱為Shuttle） 的艙容通常是5 萬m3以下的小型LNG船（如1、1.9、2.8 萬m3等）。STS 卸載LNG 比常規(guī)接收站的卸料操作更復(fù)雜，技術(shù)要求更嚴(yán)格，尤其是STS 卸料期間LNG 船的艙內(nèi)天然氣蒸發(fā)氣(BOG) 壓力控制是直接影響卸料操作能否成功的關(guān)鍵因素。

1 LNG 船STS 分類及補貨操作程序

LNG 的STS 卸料分為旁靠和串靠兩種， 這兩種卸料方式通常均采用軟管連接卸料。 在蝶形碼頭上已經(jīng)?？恳粭lLNG 船時， 采用旁靠方式進(jìn)行LNG 補給操作。 緬甸某LNG 發(fā)電項目LNG 船STS旁靠卸料現(xiàn)場圖見圖1。

圖1 緬甸某LNG 發(fā)電項目LNG 船STS 旁靠卸料現(xiàn)場

STS 旁靠主要步驟有碰墊就位、LNG 船靠近、靠船系纜、卸前會議、軟管連接、軟管吹掃、軟管預(yù)冷、緊急切斷閥（ESD）冷態(tài)測試、卸料、排空LNG/BOG、吹掃、脫攬以及兩船脫離等。

普通LNG 船的接卸操作主要是通過固定在碼頭上的卸料臂進(jìn)行管道對口連接、 吹掃、 預(yù)冷、ESD 冷熱態(tài)測試。 相比普通的LNG 船向陸地LNG儲罐卸料，STS 技術(shù)難度高，尤其是軟管的連接需使用船上吊機，操作風(fēng)險比卸料臂更大，安全要求更嚴(yán)格。 因此，STS 旁靠卸料時，每一個操作步驟都必須嚴(yán)格執(zhí)行管理規(guī)定。

2 LNG 船STS 旁靠補貨時BOG 影響因素分析

LNG 船STS 旁靠補貨工況比常規(guī)LNG 接收站復(fù)雜，LNG 船和另外一個LNG 船 （也可稱為shuttle 或LNG 穿梭船）之間進(jìn)行卸料，同時還要保持LNG 船向陸地氣化設(shè)施卸料。 緬甸LNG 發(fā)電項目中的LNG 船作為LNG 儲罐長期?？吭贚NG碼頭， 一方面要連續(xù)不斷地輸出LNG 到陸上的LNG 氣化單元，另一方面要定期補充消耗的LNG。LNG 船采用STS 方式補貨期間， 需要控制好LNG船、LNG 穿梭船及陸地氣化站單元的BOG 壓力。關(guān)于BOG 產(chǎn)生的原因， 目前已經(jīng)有各種的分析和計算［6-7］。 參照LNG 接收站的分析方法，結(jié)合LNG 船的特點，BOG 產(chǎn)生的原因可以歸結(jié)為如下幾種。

2.1 環(huán)境溫度影響

LNG 系統(tǒng)需保冷以降低環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響。 緬甸晝夜溫差約15 ℃，需要采取措施最大可能降低環(huán)境溫度對保冷系統(tǒng)的影響。通常，保冷材料有聚氨酯發(fā)泡材料、高密度聚氨酯、泡沫玻璃、彈性玻璃纖維氈及玻璃纖維氈等［8-12］。LNG 船受環(huán)境的影響比較復(fù)雜， 為了便于估算，LNG 船艙的BOG 蒸發(fā)量采用靜態(tài)方法計算。 靜態(tài)下BOG 產(chǎn)生量Q 可以按照下面公式進(jìn)行估算。

式中：ρ 為LNG 密度的數(shù)值，單位kg/m3；γ 為LNG 船日蒸發(fā)率；V 為LNG 船儲罐容積的數(shù)值，單位m3。

使用此公式對實際工程中的LNG 船進(jìn)行估算時， 需要考慮LNG 船使用時間的影響， 尤其是在保溫材料使用年限延長或者使用過程發(fā)生破壞時，這種影響是不能忽略的。 比如，估算一個已經(jīng)使用了10 a 的LNG 運輸船的BOG 量時，就不能應(yīng)用一個新投用的LNG 運輸船的蒸發(fā)率數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

2.2 LNG 泵影響

在高壓工況使用的LNG 泵和在低壓工況使用的LNG 泵在結(jié)構(gòu)上都屬于潛液泵。 這種泵的特點是， 對LNG 做功后剩余的功率會轉(zhuǎn)化為熱能，這些能量會使一部分LNG 氣化產(chǎn)生BOG［13-15］。其中，采用變頻方式進(jìn)行流量控制的潛液泵， 做功之余的功率會轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C的熱量，加熱周圍的LNG。 采用回流控制LNG 流量的LNG 潛液泵，除了電機熱量外， 回流的LNG 進(jìn)入船艙后， 在壓差作用下也會產(chǎn)生BOG。 因此，不管何種結(jié)構(gòu)形式的LNG 泵，只要泵的葉輪對LNG 做功， 就會產(chǎn)生熱量， 從而產(chǎn)生BOG。

2.3 船艙壓力影響

LNG 和BOG 在不同壓力下可以達(dá)到平衡狀態(tài)。 當(dāng)LNG 船艙內(nèi)壓力發(fā)生變化時， 平衡狀態(tài)會被打破，此時BOG 飽和溫度隨之變化，產(chǎn)生的BOG量進(jìn)而發(fā)生變化，直至氣相的BOG 壓力和LNG 達(dá)到新的動態(tài)平衡， 這種動態(tài)壓力平衡對LNG 船艙或儲罐日蒸發(fā)率的影響十分明顯。 因此， 當(dāng)LNG船艙的壓力有變化時，不應(yīng)忽略BOG 量的變化。

2.4 LNG 液位影響

LNG 液位不同，BOG 在LNG 船艙內(nèi)的氣相空間也不同， 此時BOG 溫度分布也會有所不同。 例如，艙內(nèi)壓力保持不變，LNG 液位最低時和LNG 液化最高時, 在LNG 艙內(nèi)頂部的BOG 溫度會不同。因此， 在LNG 溫度和BOG 壓力不變的情況下，飽和的LNG 和BOG 形成了氣液平衡，LNG 液位高時BOG 平均溫度比LNG 液位低時BOG 平均溫度低。這種情況下，液位低時，由于BOG 溫度范圍更寬，飽和LNG 和BOG 的平衡更容易被破壞。 與此時同時， 液位比較高的情況下，BOG 平均溫度比較低，BOG 更容易過飽和。

3 工程實例數(shù)據(jù)統(tǒng)計及驗證性分析

LNG 船STS 補貨期間是產(chǎn)生BOG 最多的工況。 緬甸某LNG 發(fā)電項目在STS 期間，氣化站共開啟5 臺BOG 壓縮機，每臺BOG 壓縮機的處理能力為2 000 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同）,總的BOG 處理能力約10 000 m3/h，長期?？吭诖a頭的LNG 船的艙容為12.5 萬m3，Shuttle 船為小型LNG 船，STS 補貨期間船與船的卸料速度控制在800～1 900 m3/h。

3.1 環(huán)境溫度對BOG 壓力影響

2021-12-07 T 4:00 ～12:00，LNG 船STS 補貨期間的BOG 壓力- 時間曲線見圖2。在圖2 中，氣化站的BOG 壓縮機處理能力為9 000 m3/h，LNG船在補艙前的LNG 庫存量為54 000 m3， 液位中等，Shuttle 船帶過來的LNG 量約為18 000 m3，平均卸貨速度1 500 m3/h。

圖2 2021-12-07 T 4:00～12:00STS 期間LNG 船BOG 壓力-時間曲線

圖2 顯示，4:00～6:00 時段的BOG 壓力呈下降趨勢，7:00 后艙內(nèi)BOG 壓力呈現(xiàn)回升的趨勢，至平衡后又呈下降趨勢。 結(jié)合LNG 船工況分析圖2 可知，BOG 壓力隨時間的變化主要是環(huán)境溫度在夜間和日間的變化引起的。 對于環(huán)境溫差引起的LNG 艙內(nèi)BOG 壓力持續(xù)增加，現(xiàn)場可以通過采取增加BOG 壓縮機的處理能力， 或者降低Shuttle 船的卸貨速度等措施將BOG 壓力調(diào)節(jié)在可控制范圍內(nèi)。

3.2 STS 卸料速度對BOG 壓力影響

3.2.1 實例1

2021-12-04T0:00～16:00，LNG 船STS 期間的BOG 壓力- 時間曲線見圖3。 氣化站的BOG 壓縮機處理能力為10 000 m3/h，LNG 船在補艙前的LNG 庫存量為44 592 m3，液位中等，Shuttle 船帶過來的LNG 量約為23 000 m3，平均卸料速度為1 900 m3/h。

圖3 2021-12-04 T 0:00～16:00STS 期間LNG 船BOG 壓力-時間曲線

圖3 顯示，整個過程中BOG 壓力呈上升趨勢。壓縮機在10 000 m3/h 處理能力下已經(jīng)不能使LNG 船的BOG 壓力呈下降趨勢。 在STS 的16 h內(nèi)， 艙內(nèi)的BOG 壓力從27 kPa 上升到了47 kPa，總體升高了20 kPa，平均升高1.25 kPa/h，可見平均卸料速度為1 900 m3/h 時氣化站BOG 處理能力已經(jīng)接近極限。 因此，STS 期間的平均卸料速度應(yīng)控制在1 900 m3/h 以下。 在極限的卸料速度工況下， 需要密切關(guān)注LNG 船艙內(nèi)的壓力， 確保不能超過BOG 的壓力報警上限值。

3.2.2 實例2

2021-12-18 T 12:00～2021-12-19 T 9:00，LNG 船在STS 期間的BOG 壓力-時間曲線見圖4。

圖4 2021-12-18 T 12:00～2021-12-19 T 9:00 STS 期間LNG 船BOG 壓力-時間曲線

當(dāng)日，LNG 氣化站的BOG 壓縮機處理能力為10 000 m3/h，LNG 船在補艙前的LNG 庫存量為61 564 m3，液位中等，Shuttle 船帶過來的LNG 量約為2 000 m3，平均卸料速度1 000 m3/h。 為了控制BOG 的壓力上升速度， 采取了降低卸料速度措施。 由圖4 可以知道，在STS 補貨的21 h 內(nèi)，BOG壓力從15.5 kPa 上升到31.3 kPa， 總體上升了15.8 kPa，平均上升約0.75 kPa/h。

3.2.3 綜合分析

綜合分析圖3 和圖4 可知， 在BOG 壓縮機的處理達(dá)到極限后， 降低卸料速度控制LNG 船艙BOG 的壓力是比較可行的措施。 LNG 卸料速度需要依據(jù)開始卸料時LNG 船艙的初始壓力選擇，如果初始壓力低，到報警值的壓差范圍大，可依據(jù)前期總結(jié)出的卸料速度與BOG 壓力升高速度之間的關(guān)系，選擇合適的LNG 卸料速度。

3.3 BOG 溫度對艙內(nèi)壓力的影響

圖5、圖6 分別是圖3 和圖4 做STS 期間對應(yīng)的BOG 溫度-時間曲線。 圖中5 中LNG 船原始艙容是44 592 m3，圖6 中LNG 原始艙容是61 564 m3。

圖5 2021-12-04T0:00～16:00STS 期間LNG 船BOG 溫度-時間曲線

圖6 2021-12-18T12:00～2021-12-19T9:00STS 期間LNG 船溫度-時間曲線

綜合分析圖5 和圖6 可知， 艙內(nèi)BOG 溫度對BOG 的壓力控制也有明顯的影響。LNG 艙內(nèi)的LNG液位越高，BOG 氣相空間就越少，在BOG 不斷地被BOG 壓縮機抽送到陸地氣化站的情況下，BOG 的熱量也被不斷帶走，BOG 溫度因此越低。 與此同時， 在艙內(nèi)液位高的情況下，BOG 溫度達(dá)到過飽和，BOG 氣體內(nèi)含有大量的LNG 小液滴，LNG 的再冷凝現(xiàn)象就會出現(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

通過STS 的旁靠方式向LNG 船補充LNG 的安全性要求非常高， 因此在實施前需要制定一套科學(xué)的操作程序和控制措施。 從緬甸某LNG 發(fā)電項目實踐中不斷摸索和總結(jié)得到的經(jīng)驗表明，Shuttle 在成功靠泊后，LNG 船旁靠補貨過程中的艙內(nèi)壓力控制是非常關(guān)鍵的技術(shù)。 LNG 船的艙內(nèi)壓力控制包括，①LNG 船進(jìn)行STS 作業(yè)補貨前，應(yīng)對LNG 船的LNG 溫度、密度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，盡量使Shuttle 船的LNG 溫度、密度差控制在合理范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生過量的BOG，從而避免產(chǎn)生翻滾的現(xiàn)象。 ②LNG 船如果保持在較高的液位條件下進(jìn)行STS，BOG 在艙內(nèi)會形成過飽和氣體，可以在STS 過程中對部分溫度較高的BOG 進(jìn)行降溫， 有利于整個艙內(nèi)的BOG 壓力控制。 但如果LNG 船一直保持在高液位， 需要關(guān)注LNG 的分層情況，定時對艙內(nèi)的LNG 進(jìn)行混合，防止LNG 的分層。 ③LNG 船在保溫情況不好且艙內(nèi)的LNG 液位處于低位，而周圍環(huán)境溫度較高的條件下，環(huán)境溫度對LNG 艙的影響會比較明顯，艙內(nèi)BOG 會增加， 這時開展STS 補貨需要注意氣化站壓縮機負(fù)荷和整個系統(tǒng)的BOG 匹配性。 若LNG 船艙內(nèi)BOG初始壓力高， 需要時刻關(guān)注卸料過程中LNG 船艙內(nèi)BOG 的壓力變化情況。