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(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028)
隨著中國(guó)“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(lái)越大[1]。大型LNG運(yùn)輸船由于吃水等限制無(wú)法進(jìn)入內(nèi)河流域,因此需在沿海地區(qū)過(guò)駁到小型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行分銷(xiāo)[2]。隨著中國(guó)LNG進(jìn)口量的增加[3],海上運(yùn)輸將承擔(dān)起越來(lái)越大的運(yùn)輸份額,而隨著國(guó)內(nèi)內(nèi)河LNG接收站的陸續(xù)建成,LNG船對(duì)船過(guò)駁的需求將越來(lái)越旺盛。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)劃,未來(lái)幾年中國(guó)內(nèi)河LNG接收站的轉(zhuǎn)運(yùn)需求量將達(dá)到1 000萬(wàn)t/a,使得LNG的船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)也將越來(lái)越頻繁[4]。
LNG船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)中會(huì)產(chǎn)生BOG,而B(niǎo)OG會(huì)引起船艙內(nèi)壓力升高,如不及時(shí)處理,只能將多余的BOG排入專(zhuān)用燃燒裝置燃燒或排放至大氣中,造成不必要的LNG產(chǎn)品損耗及環(huán)境污染,同時(shí)還會(huì)增加運(yùn)輸船運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的碳排放量。因此,研究LNG船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)中BOG的生成量,并根據(jù)其生成量的影響規(guī)律提出相應(yīng)控制措施及回收方法,對(duì)減少LNG船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中的BOG量有著重要意義。目前,眾多學(xué)者和行業(yè)內(nèi)工程師對(duì)LNG接收站運(yùn)行過(guò)程中的BOG生成量的計(jì)算進(jìn)行了深入研究[5-9],但國(guó)內(nèi)對(duì)LNG船對(duì)船過(guò)駁的研究尚處于起步階段[10],相關(guān)的規(guī)范和操作指南還有待補(bǔ)充和完善。
本文主要針對(duì)不同LNG船型的過(guò)駁作業(yè)中BOG的生成量進(jìn)行研究,分析兩船過(guò)駁作業(yè)中BOG生成量的主要影響因素,在此基礎(chǔ)上,提出合理可行的降低LNG船對(duì)船過(guò)駁期間BOG損耗的解決方案及BOG回收裝置的配置建議。
LNG船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)中的BOG生成量為過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中所產(chǎn)生的全部BOG量與所消耗的BOG量的差值。其中過(guò)駁過(guò)程中BOG產(chǎn)生的主要因素有:系統(tǒng)漏熱、作業(yè)熱輸入、艙壁冷卻[11]。BOG消耗的方式主要有進(jìn)入艙內(nèi)的LNG過(guò)冷產(chǎn)生的冷凝和LNG運(yùn)輸船的燃料消耗。
1.1.1系統(tǒng)漏熱
由于LNG溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度,因此LNG運(yùn)輸船在運(yùn)輸過(guò)程中必然會(huì)從環(huán)境中吸熱,進(jìn)而產(chǎn)生船艙內(nèi)LNG的自然蒸發(fā)。在裝卸載作業(yè)過(guò)程中,低溫的LNG管道也會(huì)產(chǎn)生一定量的漏熱。因此,過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中的系統(tǒng)漏熱分為低溫管路系統(tǒng)的漏熱和LNG船舶的自然漏熱兩部分。其中,管路系統(tǒng)的漏熱按要求不高于25 W/m2;LNG運(yùn)輸船的漏熱按日蒸發(fā)率計(jì)算,而日蒸發(fā)率的主要影響參數(shù)為船艙類(lèi)型及船艙容積。
1.1.2裝載作業(yè)熱輸入
1) LNG卸載泵熱輸入。LNG過(guò)駁過(guò)程中由大型LNG運(yùn)輸船上的卸載泵將LNG從船艙底部抽出,經(jīng)裝卸載總管、軟管及小型LNG運(yùn)輸船總管進(jìn)入貨艙。LNG卸載泵提供的能量主要用于克服卸載管路系統(tǒng)的沿程阻力損失和2艘運(yùn)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(zhuǎn)化為內(nèi)能輸入LNG貨物中,進(jìn)而產(chǎn)生BOG的蒸發(fā)。因此,LNG卸載泵的熱輸入是過(guò)駁作業(yè)中的一項(xiàng)重要因素。控制該熱輸入的主要參數(shù)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(duì)船靠泊卸載作業(yè)過(guò)程中2艘船舶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),目前大多數(shù)FSRU(浮式液化天然氣儲(chǔ)存及再氣化裝置)及LNG加注船采用柔性軟管式的船對(duì)船輸送系統(tǒng)[12],通常軟管漏熱情況依據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型及管徑不同而變化,控制該熱輸入的主要參數(shù)為軟管長(zhǎng)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(yùn)輸船過(guò)駁作業(yè)前,儲(chǔ)艙內(nèi)殘留LNG液面較低,船艙側(cè)壁的金屬和附近保溫層的溫度將會(huì)上升。通常控制艙壁的溫度不高于-140 ℃,以便過(guò)駁作業(yè)時(shí)避免首先開(kāi)展艙壁的預(yù)冷作業(yè)。過(guò)駁作業(yè)中,隨著船艙內(nèi)液位的上升,艙壁的溫度將會(huì)與LNG溫度基本一致,達(dá)到接近-160 ℃。因此,艙壁冷卻過(guò)程中將會(huì)給LNG輸入熱量,帶來(lái)BOG的蒸發(fā)。控制該輸入熱量的主要參數(shù)為船艙類(lèi)型及船艙容積。
1.1.4BOG消耗
1) 燃料消耗。過(guò)駁過(guò)程中裝卸2艘LNG運(yùn)輸船的發(fā)電均采用BOG氣體經(jīng)過(guò)壓縮后作為燃料,這有利于降低過(guò)駁過(guò)程中產(chǎn)生的BOG量,降低船艙內(nèi)的壓力,緩解BOG處理系統(tǒng)的壓力??刂圃撓牧康闹饕獏?shù)為船艙類(lèi)型及船艙容積。
2) 過(guò)冷LNG冷凝。如果小型LNG運(yùn)輸船的操作壓力高于卸載LNG運(yùn)輸船,則過(guò)駁后的LNG進(jìn)入儲(chǔ)艙內(nèi)處于過(guò)冷狀態(tài),具有吸納熱量并冷凝BOG的作用。因此,過(guò)冷狀態(tài)的LNG可降低BOG的生成量,作為過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中的減項(xiàng)??刂圃撐鼰崃康闹饕獏?shù)為裝卸載壓力。
隨著國(guó)際LNG貿(mào)易逐步擴(kuò)大,LNG運(yùn)輸船將向著大型化方向發(fā)展,17.4萬(wàn)~21萬(wàn)m3容量的LNG運(yùn)輸船將成為各沿海LNG接收站資源保供的主流。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)中國(guó)海油沿海LNG船舶加注及“氣化長(zhǎng)江”的戰(zhàn)略布局,1.2萬(wàn)m3的LNG加注船已完成初步設(shè)計(jì),準(zhǔn)備開(kāi)工建造;3萬(wàn)m3的LNG運(yùn)輸船已于2015年建造完成,具備中小型LNG資源轉(zhuǎn)運(yùn)能力。結(jié)合中國(guó)海油LNG實(shí)際業(yè)務(wù)需求,圍繞相關(guān)船型目標(biāo)航線和活動(dòng)區(qū)域,本文以表1中船型為卸載船和裝載船,研究LNG船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中的BOG生成量。
表1 過(guò)駁LNG船型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of LNG transfer ships
基于以上過(guò)駁作業(yè)中的BOG產(chǎn)生的主要因素,總結(jié)出影響B(tài)OG生成量的主要控制參數(shù)為:船型及船容、裝載速率、卸載壓力、裝載壓力。依據(jù)本文中考慮的3種不同LNG船型及對(duì)應(yīng)的不同裝卸載壓力,將計(jì)算工況分為3個(gè)案例(表2),以裝載速率、卸載壓力、裝載壓力為變量對(duì)BOG生成量及再液化裝置配置等問(wèn)題進(jìn)行分析。
表2 BOG生成量計(jì)算工況Table 2 Parameters of BOG calculation
同時(shí),LNG組分也會(huì)影響過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中的BOG生成量[13],本文重點(diǎn)研究船對(duì)船過(guò)駁卸載過(guò)程中操作參數(shù)對(duì)BOG生成量的影響,不針對(duì)LNG組分進(jìn)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(jì)算其產(chǎn)生的BOG值。
表3 典型LNG組分Table 3 Typical LNG components %(mol)
基于表2的計(jì)算工況,建立BOG生成量計(jì)算的理論模型,計(jì)算并分析不同控制參數(shù)下BOG生成量的變化趨勢(shì)。由于船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中的BOG生成量暫未有詳實(shí)的工程數(shù)據(jù),因此將該計(jì)算結(jié)果與LNG接收站卸船工況下的BOG生成量進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了該計(jì)算結(jié)果的合理性及可靠性。
為了更為準(zhǔn)確地考慮裝載速率及裝載壓力對(duì)過(guò)駁作業(yè)中BOG生成量的影響規(guī)律,將LNG運(yùn)輸船過(guò)駁作業(yè)時(shí)的卸載壓力設(shè)為定值15 kPa,在計(jì)算時(shí)考慮過(guò)駁作業(yè)為穩(wěn)定輸送狀態(tài),通過(guò)改變過(guò)駁作業(yè)的裝載速率及裝載壓力,計(jì)算得到不同船型過(guò)駁作業(yè)過(guò)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(shì)相同,且貧氣的BOG結(jié)果數(shù)值均小于同等條件下的富氣結(jié)果數(shù)值。由圖1可知,當(dāng)裝載速率相同時(shí),BOG生成速率隨著裝載壓力的升高而降低;但當(dāng)裝載壓力相同時(shí),BOG生成速率隨著裝載速率的變化卻呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。以案例1為例,當(dāng)裝載壓力小于25 kPa時(shí),BOG生成速錄隨著裝載速率的增大而增大;當(dāng)裝載壓力為25 kPa時(shí),BOG生成速率對(duì)裝載速率的變化不敏感,其數(shù)值幾乎保持不變;當(dāng)裝載壓力大于25 kPa時(shí),BOG生成量則會(huì)隨著裝載速率的增大而降低,當(dāng)裝載速率增大至3 000 m3/h后(富氣),BOG生成速率降至負(fù)值,表示過(guò)駁作業(yè)中單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的BOG全部被消耗,且裝載船液艙內(nèi)的LNG處于過(guò)冷狀態(tài)。
圖1 不同裝載速率及裝載壓力對(duì)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(chǔ)上,計(jì)算過(guò)駁作業(yè)全過(guò)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(guān)系曲線(圖2)??梢钥闯?,相同裝載速率下,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(shí),隨著裝載速率的逐漸增大,其降低趨勢(shì)而呈現(xiàn)先陡降后平緩的趨勢(shì),以案例1為例,當(dāng)裝載壓力大于30kPa時(shí),其BOG總生成量會(huì)隨著裝載速率的增加而逐漸降為負(fù)值。
圖2 不同裝載速率及裝載壓力對(duì)BOG總生成量的影響Fig .2 Effects of different loading rates and loading pressures on total BOG generation
對(duì)比圖1、2中3個(gè)案例,可以看出,當(dāng)卸載船的船艙容量不變,減小裝載船的船艙容量時(shí)(如案例1與案例2對(duì)比),可以得到其BOG生成速率最大值隨之減小,同時(shí)BOG總生成量隨之增加;當(dāng)裝載船的船艙容量不變,減少卸載船的船艙容量時(shí)(如案例2與案例3對(duì)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(gè)案例的計(jì)算結(jié)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(guò)駁作業(yè)中應(yīng)盡量避免該情況發(fā)生。
文中目標(biāo)船型中只有3萬(wàn)m3的LNG運(yùn)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(shì)(圖3)。由于富氣與貧氣的結(jié)果差較為穩(wěn)定,同時(shí)本次分析中數(shù)據(jù)量較大,因此圖3中只體現(xiàn)富氣結(jié)果。
圖3 不同卸載壓力、裝載壓力及裝載速率對(duì)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(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)大致相同。圖3中出現(xiàn)4組不同工況下的BOG計(jì)算結(jié)果曲線幾乎重合的現(xiàn)象,分析得到當(dāng)卸載壓力與裝載壓力差相同時(shí),無(wú)論卸載壓力與裝載壓力的絕對(duì)值大小如何變化,其BOG計(jì)算結(jié)果大致相同。同時(shí),在過(guò)駁作業(yè)中裝載壓力與卸載壓力之差的數(shù)值越大,BOG生成速率及BOG總生成量均隨之減??;反之,當(dāng)裝載壓力與卸載壓力之差的數(shù)值越小(甚至為負(fù)值)時(shí),BOG生成速率及BOG總生成量均隨之增大。因此,在過(guò)駁過(guò)程中應(yīng)盡量保持裝載船處于帶壓狀態(tài),兩船之間的BOG系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單地通過(guò)管道進(jìn)行氣相連接,而應(yīng)配置具備壓力或流量調(diào)節(jié)功能的閥門(mén),以控制BOG由裝載船艙返回卸載船艙的壓力和流量。
在過(guò)駁作業(yè)開(kāi)始時(shí),卸載壓力通常較高,但裝載壓力通常較小,同時(shí)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(wěn)定輸送,因此在初始階段可能會(huì)造成一定量的BOG過(guò)剩,無(wú)法通過(guò)船艙加壓過(guò)冷或船本身發(fā)電而完全消耗掉,因此需要對(duì)裝載船的BOG回收裝置進(jìn)行合理配置。
LNG船的BOG回收途徑主要依靠BOG再液化系統(tǒng),該系統(tǒng)主要分為氮膨脹技術(shù)和深冷液化技術(shù),其中氮膨脹技術(shù)裝置包含BOG壓縮機(jī)、冷劑壓縮膨脹機(jī)、冷箱、N2增壓機(jī)等設(shè)備,深冷裝置包含冷劑壓縮膨脹機(jī)、高速電機(jī)、電磁軸承等設(shè)備。據(jù)以往數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),一套再液化設(shè)備成本可占到LNG船舶造價(jià)的3%~10%,僅處理量1t/h的裝置費(fèi)用就高達(dá)350萬(wàn)美元以上。而中國(guó)在船用低溫設(shè)備的研究方面相對(duì)落后,還未能突破再液化裝置的核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,只能依賴(lài)高價(jià)進(jìn)口。經(jīng)前文分析可知,不同裝載速率、不同裝載壓力會(huì)對(duì)過(guò)駁作業(yè)中BOG的生成量產(chǎn)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(guò)駁作業(yè)中需要處理的BOG量,減少再液化設(shè)備的配置費(fèi)用,降低成本。
本文中主要針對(duì)過(guò)駁作業(yè)過(guò)程中所產(chǎn)生的BOG量來(lái)配置再液化裝置。在過(guò)駁作業(yè)初期,過(guò)駁卸載速率通常較低,而裝載船艙內(nèi)初始?jí)毫Σ桓?,?dǎo)致在此期間內(nèi)生成的BOG量較大;此時(shí)大量的BOG囤積在裝載船艙中會(huì)導(dǎo)致艙內(nèi)壓力升高,同時(shí)卸載速度提高,導(dǎo)致BOG生成量隨之下降,因此在配置BOG再液化裝置時(shí),需要綜合考慮壓力、速率及時(shí)間等因素。針對(duì)本文中的不同船型及工況下BOG生成量的計(jì)算結(jié)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
LNG船對(duì)船過(guò)駁作業(yè)BOG的生成量的主要控制參數(shù)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(duì)于BOG生成量之間的影響關(guān)系與裝載壓力的大小有關(guān),當(dāng)裝載壓力較大時(shí),裝載速率越大則BOG生成量越小,但當(dāng)裝載壓力較小時(shí),裝載速率越大則BOG生成量越大。
在給目標(biāo)裝載船配置船用BOG再液化裝置時(shí),要同時(shí)考慮卸載船的容量及壓力、裝載船可否帶壓運(yùn)營(yíng)、過(guò)駁作業(yè)總時(shí)長(zhǎng)等條件。針對(duì)本文3個(gè)LNG運(yùn)輸船案例,其過(guò)駁操作及回收裝置配置建議為:①3萬(wàn)m3的LNG運(yùn)輸船配置1.5~2.0 t/h的再液化裝置;②1.2萬(wàn)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(tǒng)管線中有配置具備壓力或流量調(diào)節(jié)功能的閥門(mén),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(yùn)輸船設(shè)計(jì)操作壓力應(yīng)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(duì)船過(guò)駁所產(chǎn)生的BOG損耗,還能在接收LNG后的航行過(guò)程中起到冷卻貨物,降低船艙壓力的作用,進(jìn)而滿足下游中小型LNG接收站用戶(hù)的接氣條件要求。