C型货舱液化天然气运输船压力控制实例与探讨

单学永，周 毅，李 萌，杨 静，蒙学昊

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452)

0 引 言

某LNG运输船设计配置了C型货舱，根据设计核算，无需配备再液化装置和气体燃烧装置，可以依靠C型货舱的储压特性和双燃料-电力推进装置进行货舱的压力控制[1-2]。目前该船已投入实际营运，在国内主要进行二程转运和调峰。在其营运作业过程中，货舱压力控制一直备受关注[3]。

为了更好地了解船舶的营运状态、辅助船舶的营运策略、提升船舶的经济性与安全性，该船进行了数字化智能化改造，依托于该船原有的自动化系统[4]加装了数据采集和卫星数据回传设备，使得LNG货舱、航行和机舱数据得以被实时采集和回传。

笔者收集了该LNG船多个航次的营运数据，对采集的实船货物系统数据特别是船舶实际营运过程中的货舱压力数据进行了分析统计，总结了装货航行工况、装货停泊工况、未装货(少量残存)航行、未装货(少量残存)停泊工况下货罐的实际压力变化情况，发现该船在实际营运的过程中特别是停泊工况下存在货舱压力超标的风险。结合航行于双燃料机燃气消耗的数据，分析了货罐压力的诸多影响因素，探讨了该船在主要营运航线作业过程中压力控制的方法，并给出了该航线的一些压力控制要点。

1 舱压控制基本要求

该LNG运输船配备了4个双页C型罐货舱，总舱容约30000m3。根据罐体结构强度设计要求和货主对于收到LNG特性的要求，货罐的压力控制需满足以下要求：①安全阀的设置不超过4.5bara(本文采用绝对压力，1bar＝0.1MPa)；②由于接收站要求的货物最高温度为-157℃，根据饱和压力与温度的关系，载货航行时货舱压力不得超过1.42bara。

由于该船未配备再液化装置和气体燃烧装置，故压力控制方式仅限于以下几种：①双燃料发动机燃烧BOG作为动力，同时也控制货舱压力；②C型货罐储压；③超过安全阀设置值泄放(非正常工况)。一般来说，该船正常营运时采用方式1，短期停泊期间采用方式2，故障工况采用或自动选择方式3。

2 典型航次压力变化趋势解读

图1展现了该LNG船一个完整并且典型的营运航次，整个航次营运的过程涵盖了船舶空载(少量LNG残存)停泊工况(等待装货)、接通LNG通岸接口工况、开始装货工况、装货完毕等待开航工况、装货航行工况、装货停泊工况(等待卸货)、卸货工况、未装货(少量残存)航行工况。其中装货航行工况、装货停泊工况、未装货(少量残存)航行、未装货(少量 残存)停泊工况时间较长，存在一定的压力超标风险，故分析每个工况的货舱压力如下。

图1 典型航次货舱压力-航速变化 Fig.1 Variation of cargo tank pressure-navigation speed in typical voyage

2.1 装货后去程航行工况

图1为货舱装载货物的体积与货舱的压力情况及该LNG船营运的航速。船舶从A港装满LNG货物后开航时，由于气相回岸管路断开连接不久，罐内新产生BOG＜消耗，故罐内压力有一个突然降低的过程。BOG的产生与消耗稳定平衡后罐内的压力缓慢上升。靠岸时由于港口航道的要求一般运行在燃油模式，燃气消耗为0，罐内压力又有一个突然上升的过程。

图2为一个装货航行工况的压力升高与容积增加情况的样本。根据该船大量数据分析统计，装货航行工况稳定平衡时罐内压力上升的平均速率为2.95mbar/h(最高4.54mbar/h)，而体积百分比上升的速率只有不到0.005%，故正常航行(运行在燃气模式下)不会有货罐压力或液位超标问题。

图2 装货航行工况的货舱压力和舱容变化 Fig.2 Variation of cargo tank pressure and tank capacity under load navigation condition

2.2 装货停泊工况

该船载货停泊后，在卸货之前要经过2次紧急切断(ESD)测试才被允许通岸卸货。ESD测试时，发电机运行在燃油模式，故2次测试时压力升高曲线较陡，但2次测试之间在进行管路预冷时压力上升较 平缓。

通岸后，由于与岸端管路建立压力平衡和热量的涌入，罐内压力又有一个陡升的过程。

图3为一个装货停泊工况的压力升高与容积增加情况的样本。根据该船大量数据分析统计，装货停泊时由于燃气耗量少，除去ESD测试与连岸接通受岸端影响后，罐内压力上升的平均速率约为稳定航行时的 10倍，平均为 29.90mbar/h(最高45.61mbar/h)，未卸货1d罐内的压力上升0.72bar，而平均体积百分比上升的速率0.006%。由图3可以看出，装货停泊工况如持续的时长增加存在一定的超压风险。

图3 装货停泊工况的货舱压力和舱容变化 Fig.3 Variation of cargo tank pressure and tank capacity under load berthing condition

2.3 卸货后(少量残存)返程航行工况

该船以货舱BOG作为燃料，因此，卸货完毕后货舱会留存少量LNG作为下一次装货之前的燃料。卸货后返程时，船舶驶离B港(卸货港)过程一般运行在燃油模式，压力上升较快。BOG的产生与消耗稳定平衡后，罐内的压力缓慢上升。

未装货(少量残存)时的压力上升速度高于满载时压力上升的速度，且受海况的影响明显。

图4为的一个卸货后(少量残存)返程航行工况的样本。根据该船大量数据分析统计，未装货(少量残存)航行时罐内压力上升的平均速率为6.17mbar/h(最高16.02mbar/h，如台风天)，故未装货(少量残存)航行通常不会有货罐压力超标问题。

图4 卸货后(少量残存)返程航行工况货舱压力变化 Fig.4 Variation of cargo tank pressure during return voyage after unloading(a small amount of residue)

2.4 卸货后(少量残存)返程停泊工况

在等待卸货的过程中，由于双燃料机的负荷较小，罐内压力上升较快。

图5为一个卸货后(少量残存)返程停泊工况的样本。根据该船大量数据分析统计，未装货(少量残存)停泊时罐内压力上升的平均速率为21.90mbar/h (最高29.03mbar/h)，未装货(少量残存)停泊工况如果持续时间较长容易有超压问题。

图5 卸货后(少量残存)返程停泊工况货舱压力变化及预测 Fig.5 Variation and prediction of cargo tank pressure during return berthing after unloading(a small amount of residual)

3 基于实船数据的货舱压力影响因素分析

货罐压力上升除了和船舶的营运工况有关，还与货罐的装载率、双燃料机消耗等货物系统的操作因素有关。通过智能系统采集并回传了货舱装载率和双燃料机消耗相关的参数，笔者通过数据分析将货舱压力和货舱压力的升高情况结合货罐的装载率和双燃料机消耗数据分别做了综合分析。

3.1 装载率对货舱压力的影响

装载率直接影响货舱的温度和货舱内的气体体积，进而影响到货舱的压力和压力的发展情况。一般来说，货舱装载率低时压力升高较快。具体的相互影响作用需要热平衡计算得出。本文采用数据分析的方法进行归纳，通过多个航次(样本)的数据对比，观察不同装载率对于货舱压力增速的影响。

图6选择多个满载停泊航次比较其不同货舱装货率下的货舱压力升高速率。样本二货罐装载率较低，压力上升较快。这里选择停泊工况而非航行工况主要是为了减少海况影响，由于双燃料机模式切换频繁，该趋势不明显。

图6 多个航次的满载工况货舱装载率数据对比 Fig.6 Comparison of cargo tank loading rate data under full load conditions for multiple voyages

对于空载(少量残余)停泊工况，货舱装载率少，压力升高较快的趋势较为明显。图7中样本四、样本九货罐残余较多，压力上升速度明显小于其他样本。样本八由于台风的关系其趋势不一致。

图7 多个航次的压载工况货舱装载率数据对比 Fig.7 Comparison of cargo tank loading rate data under ballast conditions for multiple voyages

根据以上分析，在船舶停泊阶段有货舱压力超标风险，特别是在空载(少量残存)工况下，如果条件允许，可以考虑通过增加货舱的残存率来控制压力。

3.2 双燃料机消耗对货舱压力的影响

本船没有火炬塔和其他消耗，也没有再液化装置，故用于船舶推进和全船供电的双燃料机消耗为本船BOG消耗的最大用户，双燃料机消耗燃气的多少直接影响着货舱的压力。下面具体分析双燃料机功率和燃料气消耗量对于货舱压力的影响。

如图8所示，对于装货工况，在不考虑环境较大变化的前提下，在货罐装载率为90%～95%时根据大量数据拟合显示，燃气模式下主机负荷保持在约4500kW，燃气消耗约为700kg/h，基本可以使得舱内恒压。

图8 装货工况货舱压力与双燃料机消耗之间的关系 Fig.8 Relationship between cargo tank pressure and of dual-fuel engine consumption under load conditions

如图9所示，对于回程空载(货舱少量残存)工况，在不考虑环境较大变化的前提下，货罐一般的装载率＜3%。根据大量数据拟合显示，燃气模式下主机负荷保持在约 7000kW，燃气消耗在约1100kg/h，基本可以使得舱内恒压。

图9 停泊工况货舱压力与双燃料机消耗之间的关系 Fig.9 Relationship between cargo tank pressure and dual-fuel engine consumption under berthing conditions

综上，对于正在航行中的船舶，可以通过加速的途径加大双燃料机消耗来控制货舱压力。

4 C型货舱BOG压力控制探讨

通过对以上工况的数据分析，根据该C型货舱LNG运输船在各工况的压力变化历史趋势进行压力到达最大值时间预测如表1所示。

根据前述分析和表1预测时间，认为该C型货舱LNG运输船在各工况的货舱压力情况和对应的控制应对措施可以概括如下：根据数据统计分析结果，燃气模式下该船在A港(装货港)至B港(卸货港)的典型航程的装货航行不会导致压力超标，无需采取额外的压力控制措施；装货停泊工况即使初始压力为大气压，超过允许接收货温对应的饱和压力也仅需要14h，故装货停泊工况的时长需尽可能减少，可以选择船舶延长航行时间多绕行的方式来减少装货停泊的时长；未装货(少量残存)航行工况在理论上不存在超压问题，无需采取额外的压力控制措施；未装货(少量残存)停泊工况如初始压力为大气压，上升至安全阀打开需要约160h，但由于未装货(少量残存)停泊工况初始压力都比较大，故一般等不到160h舱压就会上升至安全阀设定压力，此时应延长航行时间来减少停泊时间。

表1 货舱压力变化趋势及压力到达最大值时间预测 Tab.1 Trend of pressure in cargo tank and prediction of time reaching maximum pressure

结合以上工况，作为该船的压力控制手段，在不添加辅助压力控制设备的前提下，可以通过增加货物装载率、增加双燃料机消耗和控制停泊时间来减少压力超标的风险，进而减少货损、保障经济性。

5 结 论

本文通过数据分析的手段统计分析了装货航行工况、装货停泊工况、未装货(少量残存)航行、未装货(少量残存)停泊工况的货舱压力变化情况。发现停泊工况存在比较严重的压力超标情况，需要对货舱压力进行控制。控制的方式包括但不限于控制货物装载率、增加双燃料机消耗和控制停泊时间。

通过对该船的大量实际营运数据的分析发现，货罐压力的实际营运情况与设计理想情况有较大差异，实际工作中由于环境温度、货舱绝缘状态、船舶运行海况等因素使得货舱压力仍有超标风险。C型货舱LNG运输船在实际营运过程中几乎无法全部复现理想条件和验证其设计状态指标。因此，对于LNG船舶营运和货舱的压力控制策略的制定，船东应采取设计理论与实际营运数据分析相结合的方式。通过数字化智能化系统获得实船营运数据，了解实船的压力变化历史趋势并对其未来趋势进行预测，从而深度了解该船货舱的特性，提出针对性的压力控制方案，为提升营运管理水平和最大化获得经济效益提供数据支撑。■