LNG船对船过驳BOG生成量计算及回收建议

李方遒 李恩道 程 昊 李欣欣 刘淼儿 张晓慧

(中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028)

随着中国“十三五”规划和“气化长江”内河船舶“油改气”政策的推进，内河小型LNG运输船的市场越来越大[1]。大型LNG运输船由于吃水等限制无法进入内河流域，因此需在沿海地区过驳到小型LNG运输船进行分销[2]。随着中国LNG进口量的增加[3]，海上运输将承担起越来越大的运输份额，而随着国内内河LNG接收站的陆续建成，LNG船对船过驳的需求将越来越旺盛。根据国内相关规划，未来几年中国内河LNG接收站的转运需求量将达到1 000万t/a，使得LNG的船对船过驳作业也将越来越频繁[4]。

LNG船对船过驳作业中会产生BOG，而BOG会引起船舱内压力升高，如不及时处理，只能将多余的BOG排入专用燃烧装置燃烧或排放至大气中，造成不必要的LNG产品损耗及环境污染，同时还会增加运输船运营过程中的碳排放量。因此，研究LNG船对船过驳作业中BOG的生成量，并根据其生成量的影响规律提出相应控制措施及回收方法，对减少LNG船对船过驳作业过程中的BOG量有着重要意义。目前，众多学者和行业内工程师对LNG接收站运行过程中的BOG生成量的计算进行了深入研究[5-9]，但国内对LNG船对船过驳的研究尚处于起步阶段[10]，相关的规范和操作指南还有待补充和完善。

本文主要针对不同LNG船型的过驳作业中BOG的生成量进行研究，分析两船过驳作业中BOG生成量的主要影响因素，在此基础上，提出合理可行的降低LNG船对船过驳期间BOG损耗的解决方案及BOG回收装置的配置建议。

1 过驳作业BOG生成量影响因素及参数选取

1.1 过驳作业BOG生成量影响因素

LNG船对船过驳作业中的BOG生成量为过驳作业过程中所产生的全部BOG量与所消耗的BOG量的差值。其中过驳过程中BOG产生的主要因素有：系统漏热、作业热输入、舱壁冷却[11]。BOG消耗的方式主要有进入舱内的LNG过冷产生的冷凝和LNG运输船的燃料消耗。

1.1.1系统漏热

由于LNG温度远低于环境温度，因此LNG运输船在运输过程中必然会从环境中吸热，进而产生船舱内LNG的自然蒸发。在装卸载作业过程中，低温的LNG管道也会产生一定量的漏热。因此，过驳作业过程中的系统漏热分为低温管路系统的漏热和LNG船舶的自然漏热两部分。其中，管路系统的漏热按要求不高于25 W/m2；LNG运输船的漏热按日蒸发率计算，而日蒸发率的主要影响参数为船舱类型及船舱容积。

1.1.2装载作业热输入

1) LNG卸载泵热输入。LNG过驳过程中由大型LNG运输船上的卸载泵将LNG从船舱底部抽出，经装卸载总管、软管及小型LNG运输船总管进入货舱。LNG卸载泵提供的能量主要用于克服卸载管路系统的沿程阻力损失和2艘运输船之间的液位高差。其中克服沿程阻力损失及泵有效做功以外的能量都转化为内能输入LNG货物中，进而产生BOG的蒸发。因此，LNG卸载泵的热输入是过驳作业中的一项重要因素。控制该热输入的主要参数为装载速率、卸载船容积及两船容积差等。

2) LNG软管热输入。为克服船对船靠泊卸载作业过程中2艘船舶之间的相对运动，目前大多数FSRU(浮式液化天然气储存及再气化装置)及LNG加注船采用柔性软管式的船对船输送系统[12]，通常软管漏热情况依据产品类型及管径不同而变化，控制该热输入的主要参数为软管长度及装载速率，本文中软管漏热量取150 W/m。

1.1.3舱壁冷却

小型LNG运输船过驳作业前，储舱内残留LNG液面较低，船舱侧壁的金属和附近保温层的温度将会上升。通常控制舱壁的温度不高于-140 ℃，以便过驳作业时避免首先开展舱壁的预冷作业。过驳作业中，随着船舱内液位的上升，舱壁的温度将会与LNG温度基本一致，达到接近-160 ℃。因此，舱壁冷却过程中将会给LNG输入热量，带来BOG的蒸发。控制该输入热量的主要参数为船舱类型及船舱容积。

1.1.4BOG消耗

1) 燃料消耗。过驳过程中装卸2艘LNG运输船的发电均采用BOG气体经过压缩后作为燃料，这有利于降低过驳过程中产生的BOG量，降低船舱内的压力，缓解BOG处理系统的压力。控制该消耗量的主要参数为船舱类型及船舱容积。

2) 过冷LNG冷凝。如果小型LNG运输船的操作压力高于卸载LNG运输船，则过驳后的LNG进入储舱内处于过冷状态，具有吸纳热量并冷凝BOG的作用。因此，过冷状态的LNG可降低BOG的生成量，作为过驳作业过程中的减项。控制该吸热量的主要参数为装卸载压力。

1.2 目标船型的选择

随着国际LNG贸易逐步扩大，LNG运输船将向着大型化方向发展，17.4万～21万m3容量的LNG运输船将成为各沿海LNG接收站资源保供的主流。同时，为实现中国海油沿海LNG船舶加注及“气化长江”的战略布局，1.2万m3的LNG加注船已完成初步设计，准备开工建造；3万m3的LNG运输船已于2015年建造完成，具备中小型LNG资源转运能力。结合中国海油LNG实际业务需求，围绕相关船型目标航线和活动区域，本文以表1中船型为卸载船和装载船，研究LNG船对船过驳作业过程中的BOG生成量。

表1 过驳LNG船型主要参数Table 1 Main parameters of LNG transfer ships

1.3 计算参数的选取

基于以上过驳作业中的BOG产生的主要因素，总结出影响BOG生成量的主要控制参数为：船型及船容、装载速率、卸载压力、装载压力。依据本文中考虑的3种不同LNG船型及对应的不同装卸载压力，将计算工况分为3个案例(表2)，以装载速率、卸载压力、装载压力为变量对BOG生成量及再液化装置配置等问题进行分析。

表2 BOG生成量计算工况Table 2 Parameters of BOG calculation

同时，LNG组分也会影响过驳作业过程中的BOG生成量[13]，本文重点研究船对船过驳卸载过程中操作参数对BOG生成量的影响，不针对LNG组分进行工况划分，仅选取贫气及富气2种LNG的典型组分(表3)分别计算其产生的BOG值。

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

2 不同控制参数对过驳作业BOG生成量影响分析

基于表2的计算工况，建立BOG生成量计算的理论模型，计算并分析不同控制参数下BOG生成量的变化趋势。由于船对船过驳作业过程中的BOG生成量暂未有详实的工程数据，因此将该计算结果与LNG接收站卸船工况下的BOG生成量进行了对比，验证了该计算结果的合理性及可靠性。

2.1 装载速率及装载压力对BOG生成量的影响

为了更为准确地考虑装载速率及装载压力对过驳作业中BOG生成量的影响规律，将LNG运输船过驳作业时的卸载压力设为定值15 kPa，在计算时考虑过驳作业为稳定输送状态，通过改变过驳作业的装载速率及装载压力，计算得到不同船型过驳作业过程中BOG的生成速率及总生成量(图1、2)。

由图1、2可知，不同装载速率及装载压力下，富气与贫气的变化趋势相同，且贫气的BOG结果数值均小于同等条件下的富气结果数值。由图1可知，当装载速率相同时，BOG生成速率随着装载压力的升高而降低；但当装载压力相同时，BOG生成速率随着装载速率的变化却呈现不同的趋势。以案例1为例，当装载压力小于25 kPa时，BOG生成速录随着装载速率的增大而增大；当装载压力为25 kPa时，BOG生成速率对装载速率的变化不敏感，其数值几乎保持不变；当装载压力大于25 kPa时，BOG生成量则会随着装载速率的增大而降低，当装载速率增大至3 000 m3/h后(富气)，BOG生成速率降至负值，表示过驳作业中单位时间内所产生的BOG全部被消耗，且装载船液舱内的LNG处于过冷状态。

图1 不同装载速率及装载压力对BOG生成速率的影响Fig .1 Effects of different loading rates and loading pressures on BOG generation rate

在BOG生成速率的基础上，计算过驳作业全过程中的BOG总生成量，得到BOG总生成量与装载速率及装载压力的关系曲线(图2)。可以看出，相同装载速率下，BOG总生成量随着装载压力的升高而降低；相同装载压力下，BOG总生成量随着装载速率的增加而降低；同时，随着装载速率的逐渐增大，其降低趋势而呈现先陡降后平缓的趋势，以案例1为例，当装载压力大于30kPa时，其BOG总生成量会随着装载速率的增加而逐渐降为负值。

图2 不同装载速率及装载压力对BOG总生成量的影响Fig .2 Effects of different loading rates and loading pressures on total BOG generation

对比图1、2中3个案例，可以看出，当卸载船的船舱容量不变，减小装载船的船舱容量时(如案例1与案例2对比)，可以得到其BOG生成速率最大值随之减小，同时BOG总生成量随之增加；当装载船的船舱容量不变，减少卸载船的船舱容量时(如案例2与案例3对比)，可以得到其BOG生成速率最大值及BOG总生成量均随之减少。综合分析3个案例的计算结果，可以得到卸载船与装载船之间的船舱容量差越大，其BOG总生成量越高，因此在过驳作业中应尽量避免该情况发生。

2.2 卸载压力对BOG生成量的影响

文中目标船型中只有3万m3的LNG运输船可以变化卸载压力，因此以案例3为例，分析不同卸载压力下，BOG生成情况与装载压力及装载速率的变化趋势(图3)。由于富气与贫气的结果差较为稳定，同时本次分析中数据量较大，因此图3中只体现富气结果。

图3 不同卸载压力、装载压力及装载速率对BOG生成速率及总生成量的影响(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)

由图3可知，在装载压力与装载速率不变的情况下，随着卸载压力的减小，BOG生成速率、BOG总生成量均随之减少，但不同卸载压力的BOG计算结果变化趋势大致相同。图3中出现4组不同工况下的BOG计算结果曲线几乎重合的现象，分析得到当卸载压力与装载压力差相同时，无论卸载压力与装载压力的绝对值大小如何变化，其BOG计算结果大致相同。同时，在过驳作业中装载压力与卸载压力之差的数值越大，BOG生成速率及BOG总生成量均随之减小；反之，当装载压力与卸载压力之差的数值越小(甚至为负值)时，BOG生成速率及BOG总生成量均随之增大。因此，在过驳过程中应尽量保持装载船处于带压状态，两船之间的BOG系统不能简单地通过管道进行气相连接，而应配置具备压力或流量调节功能的阀门，以控制BOG由装载船舱返回卸载船舱的压力和流量。

在过驳作业开始时，卸载压力通常较高，但装载压力通常较小，同时软管输送初始还需缓慢增大流速直到合适的装载流速后稳定输送，因此在初始阶段可能会造成一定量的BOG过剩，无法通过船舱加压过冷或船本身发电而完全消耗掉，因此需要对装载船的BOG回收装置进行合理配置。

3 BOG回收装置配置建议

LNG船的BOG回收途径主要依靠BOG再液化系统，该系统主要分为氮膨胀技术和深冷液化技术，其中氮膨胀技术装置包含BOG压缩机、冷剂压缩膨胀机、冷箱、N2增压机等设备，深冷装置包含冷剂压缩膨胀机、高速电机、电磁轴承等设备。据以往数据统计，一套再液化设备成本可占到LNG船舶造价的3%～10%，仅处理量1t/h的装置费用就高达350万美元以上。而中国在船用低温设备的研究方面相对落后，还未能突破再液化装置的核心技术和关键设备的国产化，只能依赖高价进口。经前文分析可知，不同装载速率、不同装载压力会对过驳作业中BOG的生成量产生很大影响，因此合理地控制装载速率及装卸压力可以尽量降低过驳作业中需要处理的BOG量，减少再液化设备的配置费用，降低成本。

本文中主要针对过驳作业过程中所产生的BOG量来配置再液化装置。在过驳作业初期，过驳卸载速率通常较低，而装载船舱内初始压力不高，导致在此期间内生成的BOG量较大；此时大量的BOG囤积在装载船舱中会导致舱内压力升高，同时卸载速度提高，导致BOG生成量随之下降，因此在配置BOG再液化装置时，需要综合考虑压力、速率及时间等因素。针对本文中的不同船型及工况下BOG生成量的计算结果，建议的小型BOG再液化装置配置如表4所示。

表4 BOG再液化装置配置建议Table 4 Suggestions of BOG re-liquefied installation

4 结论及建议

LNG船对船过驳作业BOG的生成量的主要控制参数包括：卸载船舶容量、装载压力及装载速率。装卸载船舶容量差越大，则BOG的生成量也越大；装载压力与卸载压力差值越大，则BOG的生成量越小；装载速率对于BOG生成量之间的影响关系与装载压力的大小有关，当装载压力较大时，装载速率越大则BOG生成量越小，但当装载压力较小时，装载速率越大则BOG生成量越大。

在给目标装载船配置船用BOG再液化装置时，要同时考虑卸载船的容量及压力、装载船可否带压运营、过驳作业总时长等条件。针对本文3个LNG运输船案例，其过驳操作及回收装置配置建议为：①3万m3的LNG运输船配置1.5～2.0 t/h的再液化装置；②1.2万m3的LNG加注船，配置0.5～1.0 t/h的再液化装置；③装卸船之间的BOG系统管线中有配置具备压力或流量调节功能的阀门，控制BOG由装载船舱返回至卸载船舱的压力和流量;④小型LNG运输船设计操作压力应大于30 kPa，并配置一定处理量的再液化装置。这样不但能够降低LNG船对船过驳所产生的BOG损耗，还能在接收LNG后的航行过程中起到冷却货物，降低船舱压力的作用，进而满足下游中小型LNG接收站用户的接气条件要求。