小型LNG运输船装船过程BOG产生量的计算

马敏吉 李庆华

无锡厚德石化工程设计有限公司

天然气发展“十三五”规划要求综合考虑液化天然气(以下称“LNG”)资源供应、船用加注需求、港口规划和通航等条件，在沿海港口、湖泊和内河船舶污染物排放超标、环保要求高的水域布局LNG船舶加注站码头，加大船用LNG燃料推广力度，开展LNG江海转运试点。随着“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]。小型LNG运输船运输是管道输配、LNG槽车运输的重要补充手段[2-3]。因此，发展小型LNG运输船运输是天然气市场发展和国家政策推广的必然趋势。

国内大型LNG接收站通常采用大型LNG运输船从国外液化厂远距离运输进口LNG，而小型LNG运输船主要用于将国内大型LNG接收站、LNG储备基地及LNG储存中心等的LNG转运至内海、内河的小型LNG气化站、输配站、调峰站及加注站，实现LNG的气化外输、趸船加注等功能。

目前，国内小型LNG运输船的设计、制造和运输事业发展迅速。江南造船建造的国内首艘30 000 m3LNG船“海洋石油301”轮，配置C型LNG货舱、双燃料电力推进(dual fuel diesel electric，DFDE)系统，完全具备自行靠离泊码头的能力，可大大减少靠离泊作业对于港作拖轮的依赖，有效降低营运成本。大连中远船务建造的国内首艘28 000 m3LNG船“启元”轮顺利完成海试任务，配置C型LNG货舱。江苏南通启东丰顺船舶重工船厂建造的14 000 m3江海直达型LNG运输船，既能在沿海航行，又能进入长江，具备江海直达功能。届时进口的LNG将沿海大型LNG接收站过驳至该船，然后转运至长江，能为长江经济带经济发展提供高效清洁能源，不仅能够推动“气化长江”绿色航运创新工程加快实施、满足长江经济带经济绿色发展的需要，还能彻底解决长江经济带冬季天然气保供问题。

由于LNG运输船装载LNG的来源通常来自于天然气液化厂和LNG接收站，大型LNG运输船和小型LNG运输船在天然气液化厂和LNG接收站码头装船过程中的操作参数具有较大的差异，因此小型LNG运输船装船不能完全照搬借鉴大型LNG运输船的工艺流程和操作模式。此外，根据国内已有小型LNG运输船液货舱形式可知，小型LNG运输船储罐通常为C型独立液货舱，该形式储罐是符合压力容器标准的压力式液舱，一般为圆筒形卧罐或球罐，可承受较高的内压力。大型LNG运输船液货舱储罐通常为低压LNG储罐，操作压力(表压，下同)和设计压力(表压，下同)较低，通常为0.025 MPa。C型独立液货舱与其他类型液货舱相比，操作压力范围广，可达到0.3～0.8 MPa[4]。

小型LNG运输船装船过程BOG产生量受环境条件、LNG原料储罐压力、LNG运输船储罐压力、装船速率等综合因素的影响，本文采用流程模拟软件稳态模块研究小型LNG运输船装船工艺BOG产生量受LNG原料储罐操作压力、运输船储罐操作压力、装船速率等因素的影响变化趋势，总结出影响BOG量产生的主要因素，并利用流程模拟软件动态模块实时模拟小型LNG运输船带压装船过程产生的BOG、压力、温度、流量等参数随时间的变化，在保证装船安全性的前提下，尽可能降低因装船产生的BOG返气对BOG压缩机和再冷凝器等设备运行稳定性的影响，并降低运行操作费用。目前，广泛应用的动态模拟软件主要有Hysys Dynamic、Plus Dynamic和Dynsim，其中Hysys Dynamic应用最为广泛，可用于模拟分析石油化工装置的工艺过程，反映实际生产中流量、温度、压力、产品组成等工艺参数随时间的变化过程及对干扰因素的响应，已被国内外研究机构和工程公司所广泛应用[5-13]。

1 小型LNG运输船装船的稳态模拟

1.1 影响小型LNG运输船装船过程BOG闪蒸量的因素

小型LNG运输船装船过程的主要操作参数如下：

容积10 000 m3；

储罐日蒸发率0.22%；

操作压力范围5～35 kPa；

LNG原料储罐操作压力5～25 kPa；

LNG原料储罐低压LNG泵扬程150 m；

装船开始时储罐内LNG处于饱和状态；

装船速率1400 m3/h；

船舱储罐充装率90%；

LNG组成(摩尔分数)：甲烷99.54%，乙烷0.10%，丙烷0.10%，异丁烷0.10%，氮气0.16%。

小型LNG运输船装船的稳态模型及BOG计算结果如图1所示。

当LNG原料储罐操作压力为10 kPa，LNG运输船储罐压力为5～25 kPa时，装船过程产生的BOG量如表1所示；当LNG运输船储罐操作压力为20 kPa，LNG原料储罐压力为5～25 kPa时，装船过程产生的BOG量如表2所示；当LNG原料储罐和LNG运输船储罐操作压力为5～25 kPa时，装船过程产生的BOG量如图2所示。

表1 小型LNG运输船装船BOG产生量(LNG原料储罐压力 10 kPa)Table 1 BOG flow rate calculation for small LNG carrier loading process(LNG terminal tank pressure 10 kPa)工况编号LNG运输船储罐操作压力/kPaBOG量/(kg·h-1)工况编号LNG运输船储罐操作压力/kPaBOG量/(kg·h-1)1 5.0 4 211.9 13 11.0 1 429.2 2 5.5 3 975.5 14 11.5 1 202.0 3 6.0 3 739.9 15 12.0 977.8 4 6.5 3 510.2 16 12.5 749.4 5 7.0 3 273.9 17 13.0 524.7 6 7.5 3 037.9 18 13.5 300.6 7 8.0 2 805.5 19 14.0 77.5 8 8.5 2 580.0 20 14.5 0.0 9 9.0 2 347.5 21 15.0 0.0 10 9.5 2 116.3 22 15.5 0.0 11 10.0 1 886.3 23 16.0 0.0 12 10.5 1 657.3 24 16.5 0.0

从表1可知，当LNG原料储罐压力为10 kPa时，LNG运输船储罐操作压力最低时产生的BOG量最大，随着运输船储罐操作压力的逐渐增大，装船闪蒸的BOG量逐步降低，当LNG运输船储罐操作压力高于LNG原料储罐操作压力4.5 kPa时，闪蒸产生的BOG量为零。从表2可知，当LNG运输船储罐操作压力为20 kPa，LNG原料储罐压力为5～25 kPa时，装船开始阶段进入LNG运输船的LNG为过冷态，装船过程闪蒸BOG量为零，当LNG运输船储罐操作压力小于LNG原料储罐操作压力约4 kPa时，闪蒸量逐渐出现，且逐渐变大。综上所述，针对上述LNG运输船型，LNG运输船储罐操作压力与LNG原料储罐操作压力的相对差值是决定是否产生BOG的关键参数。

表2 小型LNG运输船装船BOG产生量(LNG运输船储罐压力20 kPa)Table 2 BOG flow rate calculation for small LNG carrier loading process(LNG carrier tank pressure 20 kPa)工况编号LNG原料储罐操作压力/kPaBOG量/(kg·h-1)工况编号LNG原料储罐操作压力/kPaBOG量/(kg·h-1)15.00.0 2215.50.0 25.50.0 2316.0164.5 36.00.0 2416.5382.4 46.50.0 2517.0600.6 57.00.0 2617.5819.0 67.50.0 2718.01 050.5 78.00.0 2818.51 273.1 88.50.0 2919.01 494.2 99.00.0 3019.51 705.9 109.50.0 3120.01 919.4 1110.00.0 3220.52 137.1 1210.50.0 3321.02 354.2 1311.00.0 3421.52 579.9 1411.50.0 3522.02 790.1 1512.00.0 3622.53 000.7 1612.50.0 3723.03 217.9 1713.00.0 3823.53 427.9 1813.50.0 3924.03 654.3 1914.00.0 4024.53 885.8 2014.50.0 4125.04 089.7 2115.00.0 4225.04 089.7

1.2 小型LNG运输船装船时操作压力的选取

LNG接收站操作工况较为复杂，小型LNG运输船在接收站码头装船时接收站可能在进行槽车外输、卸船、气化外输等各种操作，LNG接收站储罐操作压力通常不会为小型LNG运输船装船过程进行专门的调整，相应LNG储罐会维持安全稳定压力下操作，因此,影响小型LNG运输船装船闪蒸的主要可调整参数为装船速率和LNG运输船操作压力。

国内小型LNG运输船主要将沿海大型LNG接收站内的LNG转运至小型LNG气化站、输配站、调峰站及加注站，实现LNG的气化外输、趸船加注等功能。当小型LNG运输船卸载目的地盛装LNG的储罐为大型LNG常压储罐，通常LNG装船时规定运输船的操作压力较低，装载过程产生的大量BOG由LNG接收站来负责处理，此过程产生的BOG量对大型LNG接收站的稳定运行影响较小，但会增加LNG接收站的BOG气体压缩、泵增压等能耗；若选择运输船装船时操作压力较高，装船过程产生的BOG量降低，甚至为零，但运输船至目的地卸载时会产生大量的BOG，此部分BOG量对小型气化站的稳定运行影响巨大，甚至需单独增设BOG处理设施，增加小型气化站能耗。当小型LNG运输船卸载目的地盛装LNG的储罐为小型压力容器储罐、罐箱、趸船储罐时，通常选择LNG运输船装船时操作压力较高，一方面既可以避免装船过程产生大量BOG量，降低LNG接收站能耗；另一方面在卸船过程中也可避免产生大量的BOG，降低目的地的运行能耗。因此，小型LNG运输船装船的操作压力应视LNG接收站和卸载目的地的实际功能定位、操作模式等具体情况进行选择。

2 小型LNG运输船装船的动态模拟

小型LNG运输船卸料完毕后通常会预留一定的物料，一方面用作LNG运输船的动力燃料，另一方面可对LNG船舱进行冷却，通常LNG运输船至装料码头时运输船储罐需进行预冷，以满足LNG接收站的要求。当LNG运输船到达码头时，LNG运输船储罐压力为35 kPa，储罐内剩余100 m3LNG，预计小型LNG运输船装载率为90%，LNG原料储罐操作压力为20 kPa，运输船船舱储罐压力控制点不高于35 kPa。小型LNG运输船装船的动态模型如图3所示。

小型LNG运输船装船过程中船舶储罐压力、温度随着装船时间的变化趋势如图4所示，装船速率、船舶储罐充装率及装船期间BOG产生量随装船时间的变化趋势如图5和图6所示。

从图4可看出，小型LNG运输船开始装船时间为第60 min(3600 s)，LNG运输船到达接收站码头时船舱内处于气液平衡状态。当LNG由低压输送泵输送至LNG运输船储罐时，进料LNG相对于船舱储罐的操作压力为过冷状态，过冷的LNG同船舱储罐气相空间BOG不断接触进行传热和传质，大量的BOG会被冷却甚至冷凝下来，船舱储罐内的操作压力逐渐降低，当装船时间约为110 min(6600 s)时，运输船船舱储罐压力达到最低，约为32 kPa；随着装船过程的继续，运输船船舱储罐压力缓步升高，装船结束时约为33.5 kPa，主要有3个因素导致此过程运输船船舱压力的升高。原有运输船船舱储罐中的BOG未被排出，已有热量积聚在储罐中，导致储罐压力和温度升高；装船过程中LNG注入会导致储罐气相空间迅速降低，导致储罐压力升高；装船过程中低压输送泵功率及装船管线漏热的能量被积聚在储罐中，也会导致LNG储罐的压力升高，但由于进料LNG为过冷状态，导致装船结束时船舱储罐压力仍低于船舶到港时储罐的操作压力。

从图5和图6可看出，随着小型LNG运输船充装率的提高，船舱储罐回气量一直为零，装船过程不但未增加LNG接收站BOG量，反而因体积置换效应降低了LNG原料储罐BOG量，明显降低了接收站BOG的能耗，有利于提高LNG接收站运营方的经济效益。

因此，应视LNG接收站和卸载目的地的实际功能定位、操作模式、合同要求等因素合理选择船舱储罐的操作压力，尽可能实现LNG供应方和购买方双方共赢的效果。

3 结论

本文采用流程模拟软件稳态模块和动态模块分别计算研究了影响小型LNG运输船装船工艺BOG产生量的主要因素，并实时模拟装船过程产生的BOG、压力、温度、流量等参数随时间的变化，形成以下结论：

(1)对于装、卸船操作，影响装卸船过程中BOG产生量的主要因素为LNG运输船储罐操作压力与LNG原料储罐操作压力的相对差值。本文示例装船过程中，LNG运输船储罐操作压力高于LNG原料储罐操作压力4.5 kPa时，闪蒸产生的BOG量为零。卸船过程中，LNG运输船储罐操作压力小于LNG原料储罐操作压力约4 kPa时，闪蒸BOG量为零。

(2)对于小型LNG运输船卸载至小型压力容器储罐、罐箱、趸船储罐的工程项目，LNG运输船装船时操作压力维持较高水平，可避免装船和卸船过程产生大量BOG量，降低总体运行能耗。

(3)采用动态模拟软件计算装船工艺中不同装船速率、船舶储罐初始状态等工况下，LNG运输船储罐压力、BOG产生量以及回气量的实时变化和趋势图，借此优化出适用于实际具体工程项目的储罐操作压力、装船速率等关键操作参数，寻求得到适用于每个项目最小能耗的最佳操作点，为实际装船过程提供技术支持和指导，同时提高操作运行人员的技术水平。