液化天然气船旁靠补货过程中舱内压力控制技术

陈功剑

(中国技术进出口集团有限公司， 北京 100055)

液化天然气（LNG）通常通过LNG 船运输到LNG 接收站或气化站存储，然后用低温泵加压送至下游的工业、居民以及其他用户［1-3］，国内接收站普遍使用16 万m3及以上的全包容大型储罐存储LNG［4-5］。 缅甸则不同，受政府审批、征地、工程建设条件等因素的制约和影响， 采用将长期停靠在码头的LNG 运输船作为储罐，从LNG 运输船向陆地气化站提供LNG 的特有模式。 这种模式需要定期向LNG 船补充LNG， 补充方式为船靠船（STS）。 受仰光河航道的制约，补给船只（也称为Shuttle） 的舱容通常是5 万m3以下的小型LNG船（如1、1.9、2.8 万m3等）。STS 卸载LNG 比常规接收站的卸料操作更复杂，技术要求更严格，尤其是STS 卸料期间LNG 船的舱内天然气蒸发气(BOG) 压力控制是直接影响卸料操作能否成功的关键因素。

1 LNG 船STS 分类及补货操作程序

LNG 的STS 卸料分为旁靠和串靠两种， 这两种卸料方式通常均采用软管连接卸料。 在蝶形码头上已经停靠一条LNG 船时， 采用旁靠方式进行LNG 补给操作。 缅甸某LNG 发电项目LNG 船STS旁靠卸料现场图见图1。

图1 缅甸某LNG 发电项目LNG 船STS 旁靠卸料现场

STS 旁靠主要步骤有碰垫就位、LNG 船靠近、靠船系缆、卸前会议、软管连接、软管吹扫、软管预冷、紧急切断阀（ESD）冷态测试、卸料、排空LNG/BOG、吹扫、脱揽以及两船脱离等。

普通LNG 船的接卸操作主要是通过固定在码头上的卸料臂进行管道对口连接、 吹扫、 预冷、ESD 冷热态测试。 相比普通的LNG 船向陆地LNG储罐卸料，STS 技术难度高，尤其是软管的连接需使用船上吊机，操作风险比卸料臂更大，安全要求更严格。 因此，STS 旁靠卸料时，每一个操作步骤都必须严格执行管理规定。

2 LNG 船STS 旁靠补货时BOG 影响因素分析

LNG 船STS 旁靠补货工况比常规LNG 接收站复杂，LNG 船和另外一个LNG 船 （也可称为shuttle 或LNG 穿梭船）之间进行卸料，同时还要保持LNG 船向陆地气化设施卸料。 缅甸LNG 发电项目中的LNG 船作为LNG 储罐长期停靠在LNG码头， 一方面要连续不断地输出LNG 到陆上的LNG 气化单元，另一方面要定期补充消耗的LNG。LNG 船采用STS 方式补货期间， 需要控制好LNG船、LNG 穿梭船及陆地气化站单元的BOG 压力。关于BOG 产生的原因， 目前已经有各种的分析和计算［6-7］。 参照LNG 接收站的分析方法，结合LNG 船的特点，BOG 产生的原因可以归结为如下几种。

2.1 环境温度影响

LNG 系统需保冷以降低环境温度对系统的影响。 缅甸昼夜温差约15 ℃，需要采取措施最大可能降低环境温度对保冷系统的影响。通常，保冷材料有聚氨酯发泡材料、高密度聚氨酯、泡沫玻璃、弹性玻璃纤维毡及玻璃纤维毡等［8-12］。LNG 船受环境的影响比较复杂， 为了便于估算，LNG 船舱的BOG 蒸发量采用静态方法计算。 静态下BOG 产生量Q 可以按照下面公式进行估算。

式中：ρ 为LNG 密度的数值，单位kg/m3；γ 为LNG 船日蒸发率；V 为LNG 船储罐容积的数值，单位m3。

使用此公式对实际工程中的LNG 船进行估算时， 需要考虑LNG 船使用时间的影响， 尤其是在保温材料使用年限延长或者使用过程发生破坏时，这种影响是不能忽略的。 比如，估算一个已经使用了10 a 的LNG 运输船的BOG 量时，就不能应用一个新投用的LNG 运输船的蒸发率数据进行计算。

2.2 LNG 泵影响

在高压工况使用的LNG 泵和在低压工况使用的LNG 泵在结构上都属于潜液泵。 这种泵的特点是， 对LNG 做功后剩余的功率会转化为热能，这些能量会使一部分LNG 气化产生BOG［13-15］。其中，采用变频方式进行流量控制的潜液泵， 做功之余的功率会转变为电机的热量，加热周围的LNG。 采用回流控制LNG 流量的LNG 潜液泵，除了电机热量外， 回流的LNG 进入船舱后， 在压差作用下也会产生BOG。 因此，不管何种结构形式的LNG 泵，只要泵的叶轮对LNG 做功， 就会产生热量， 从而产生BOG。

2.3 船舱压力影响

LNG 和BOG 在不同压力下可以达到平衡状态。 当LNG 船舱内压力发生变化时， 平衡状态会被打破，此时BOG 饱和温度随之变化，产生的BOG量进而发生变化，直至气相的BOG 压力和LNG 达到新的动态平衡， 这种动态压力平衡对LNG 船舱或储罐日蒸发率的影响十分明显。 因此， 当LNG船舱的压力有变化时，不应忽略BOG 量的变化。

2.4 LNG 液位影响

LNG 液位不同，BOG 在LNG 船舱内的气相空间也不同， 此时BOG 温度分布也会有所不同。 例如，舱内压力保持不变，LNG 液位最低时和LNG 液化最高时, 在LNG 舱内顶部的BOG 温度会不同。因此， 在LNG 温度和BOG 压力不变的情况下，饱和的LNG 和BOG 形成了气液平衡，LNG 液位高时BOG 平均温度比LNG 液位低时BOG 平均温度低。这种情况下，液位低时，由于BOG 温度范围更宽，饱和LNG 和BOG 的平衡更容易被破坏。 与此时同时， 液位比较高的情况下，BOG 平均温度比较低，BOG 更容易过饱和。

3 工程实例数据统计及验证性分析

LNG 船STS 补货期间是产生BOG 最多的工况。 缅甸某LNG 发电项目在STS 期间，气化站共开启5 台BOG 压缩机，每台BOG 压缩机的处理能力为2 000 m3/h（标准状态下，下同）,总的BOG 处理能力约10 000 m3/h，长期停靠在码头的LNG 船的舱容为12.5 万m3，Shuttle 船为小型LNG 船，STS 补货期间船与船的卸料速度控制在800～1 900 m3/h。

3.1 环境温度对BOG 压力影响

2021-12-07 T 4:00 ～12:00，LNG 船STS 补货期间的BOG 压力- 时间曲线见图2。在图2 中，气化站的BOG 压缩机处理能力为9 000 m3/h，LNG船在补舱前的LNG 库存量为54 000 m3， 液位中等，Shuttle 船带过来的LNG 量约为18 000 m3，平均卸货速度1 500 m3/h。

图2 2021-12-07 T 4:00～12:00STS 期间LNG 船BOG 压力-时间曲线

图2 显示，4:00～6:00 时段的BOG 压力呈下降趋势，7:00 后舱内BOG 压力呈现回升的趋势，至平衡后又呈下降趋势。 结合LNG 船工况分析图2 可知，BOG 压力随时间的变化主要是环境温度在夜间和日间的变化引起的。 对于环境温差引起的LNG 舱内BOG 压力持续增加，现场可以通过采取增加BOG 压缩机的处理能力， 或者降低Shuttle 船的卸货速度等措施将BOG 压力调节在可控制范围内。

3.2 STS 卸料速度对BOG 压力影响

3.2.1 实例1

2021-12-04T0:00～16:00，LNG 船STS 期间的BOG 压力- 时间曲线见图3。 气化站的BOG 压缩机处理能力为10 000 m3/h，LNG 船在补舱前的LNG 库存量为44 592 m3，液位中等，Shuttle 船带过来的LNG 量约为23 000 m3，平均卸料速度为1 900 m3/h。

图3 2021-12-04 T 0:00～16:00STS 期间LNG 船BOG 压力-时间曲线

图3 显示，整个过程中BOG 压力呈上升趋势。压缩机在10 000 m3/h 处理能力下已经不能使LNG 船的BOG 压力呈下降趋势。 在STS 的16 h内， 舱内的BOG 压力从27 kPa 上升到了47 kPa，总体升高了20 kPa，平均升高1.25 kPa/h，可见平均卸料速度为1 900 m3/h 时气化站BOG 处理能力已经接近极限。 因此，STS 期间的平均卸料速度应控制在1 900 m3/h 以下。 在极限的卸料速度工况下， 需要密切关注LNG 船舱内的压力， 确保不能超过BOG 的压力报警上限值。

3.2.2 实例2

2021-12-18 T 12:00～2021-12-19 T 9:00，LNG 船在STS 期间的BOG 压力-时间曲线见图4。

图4 2021-12-18 T 12:00～2021-12-19 T 9:00 STS 期间LNG 船BOG 压力-时间曲线

当日，LNG 气化站的BOG 压缩机处理能力为10 000 m3/h，LNG 船在补舱前的LNG 库存量为61 564 m3，液位中等，Shuttle 船带过来的LNG 量约为2 000 m3，平均卸料速度1 000 m3/h。 为了控制BOG 的压力上升速度， 采取了降低卸料速度措施。 由图4 可以知道，在STS 补货的21 h 内，BOG压力从15.5 kPa 上升到31.3 kPa， 总体上升了15.8 kPa，平均上升约0.75 kPa/h。

3.2.3 综合分析

综合分析图3 和图4 可知， 在BOG 压缩机的处理达到极限后， 降低卸料速度控制LNG 船舱BOG 的压力是比较可行的措施。 LNG 卸料速度需要依据开始卸料时LNG 船舱的初始压力选择，如果初始压力低，到报警值的压差范围大，可依据前期总结出的卸料速度与BOG 压力升高速度之间的关系，选择合适的LNG 卸料速度。

3.3 BOG 温度对舱内压力的影响

图5、图6 分别是图3 和图4 做STS 期间对应的BOG 温度-时间曲线。 图中5 中LNG 船原始舱容是44 592 m3，图6 中LNG 原始舱容是61 564 m3。

图5 2021-12-04T0:00～16:00STS 期间LNG 船BOG 温度-时间曲线

图6 2021-12-18T12:00～2021-12-19T9:00STS 期间LNG 船温度-时间曲线

综合分析图5 和图6 可知， 舱内BOG 温度对BOG 的压力控制也有明显的影响。LNG 舱内的LNG液位越高，BOG 气相空间就越少，在BOG 不断地被BOG 压缩机抽送到陆地气化站的情况下，BOG 的热量也被不断带走，BOG 温度因此越低。 与此同时， 在舱内液位高的情况下，BOG 温度达到过饱和，BOG 气体内含有大量的LNG 小液滴，LNG 的再冷凝现象就会出现。

4 结论与建议

通过STS 的旁靠方式向LNG 船补充LNG 的安全性要求非常高， 因此在实施前需要制定一套科学的操作程序和控制措施。 从缅甸某LNG 发电项目实践中不断摸索和总结得到的经验表明，Shuttle 在成功靠泊后，LNG 船旁靠补货过程中的舱内压力控制是非常关键的技术。 LNG 船的舱内压力控制包括，①LNG 船进行STS 作业补货前，应对LNG 船的LNG 温度、密度等关键参数进行确认，尽量使Shuttle 船的LNG 温度、密度差控制在合理范围内，避免产生过量的BOG，从而避免产生翻滚的现象。 ②LNG 船如果保持在较高的液位条件下进行STS，BOG 在舱内会形成过饱和气体，可以在STS 过程中对部分温度较高的BOG 进行降温， 有利于整个舱内的BOG 压力控制。 但如果LNG 船一直保持在高液位， 需要关注LNG 的分层情况，定时对舱内的LNG 进行混合，防止LNG 的分层。 ③LNG 船在保温情况不好且舱内的LNG 液位处于低位，而周围环境温度较高的条件下，环境温度对LNG 舱的影响会比较明显，舱内BOG 会增加， 这时开展STS 补货需要注意气化站压缩机负荷和整个系统的BOG 匹配性。 若LNG 船舱内BOG初始压力高， 需要时刻关注卸料过程中LNG 船舱内BOG 的压力变化情况。