陳功劍

(中國(guó)技術(shù)進(jìn)出口集團(tuán)有限公司， 北京 100055)

液化天然氣（LNG）通常通過(guò)LNG 船運(yùn)輸?shù)絃NG 接收站或氣化站存儲(chǔ)，然后用低溫泵加壓送至下游的工業(yè)、居民以及其他用戶［1-3］，國(guó)內(nèi)接收站普遍使用16 萬(wàn)m3及以上的全包容大型儲(chǔ)罐存儲(chǔ)LNG［4-5］。 緬甸則不同，受政府審批、征地、工程建設(shè)條件等因素的制約和影響， 采用將長(zhǎng)期?？吭诖a頭的LNG 運(yùn)輸船作為儲(chǔ)罐，從LNG 運(yùn)輸船向陸地氣化站提供LNG 的特有模式。 這種模式需要定期向LNG 船補(bǔ)充LNG， 補(bǔ)充方式為船靠船（STS）。 受仰光河航道的制約，補(bǔ)給船只（也稱為Shuttle） 的艙容通常是5 萬(wàn)m3以下的小型LNG船（如1、1.9、2.8 萬(wàn)m3等）。STS 卸載LNG 比常規(guī)接收站的卸料操作更復(fù)雜，技術(shù)要求更嚴(yán)格，尤其是STS 卸料期間LNG 船的艙內(nèi)天然氣蒸發(fā)氣(BOG) 壓力控制是直接影響卸料操作能否成功的關(guān)鍵因素。

1 LNG 船STS 分類及補(bǔ)貨操作程序

LNG 的STS 卸料分為旁靠和串靠?jī)煞N， 這兩種卸料方式通常均采用軟管連接卸料。 在蝶形碼頭上已經(jīng)?？恳粭lLNG 船時(shí)， 采用旁靠方式進(jìn)行LNG 補(bǔ)給操作。 緬甸某LNG 發(fā)電項(xiàng)目LNG 船STS旁靠卸料現(xiàn)場(chǎng)圖見圖1。

圖1 緬甸某LNG 發(fā)電項(xiàng)目LNG 船STS 旁靠卸料現(xiàn)場(chǎng)

STS 旁靠主要步驟有碰墊就位、LNG 船靠近、靠船系纜、卸前會(huì)議、軟管連接、軟管吹掃、軟管預(yù)冷、緊急切斷閥（ESD）冷態(tài)測(cè)試、卸料、排空LNG/BOG、吹掃、脫攬以及兩船脫離等。

普通LNG 船的接卸操作主要是通過(guò)固定在碼頭上的卸料臂進(jìn)行管道對(duì)口連接、 吹掃、 預(yù)冷、ESD 冷熱態(tài)測(cè)試。 相比普通的LNG 船向陸地LNG儲(chǔ)罐卸料，STS 技術(shù)難度高，尤其是軟管的連接需使用船上吊機(jī)，操作風(fēng)險(xiǎn)比卸料臂更大，安全要求更嚴(yán)格。 因此，STS 旁靠卸料時(shí)，每一個(gè)操作步驟都必須嚴(yán)格執(zhí)行管理規(guī)定。

2 LNG 船STS 旁靠補(bǔ)貨時(shí)BOG 影響因素分析

LNG 船STS 旁靠補(bǔ)貨工況比常規(guī)LNG 接收站復(fù)雜，LNG 船和另外一個(gè)LNG 船 （也可稱為shuttle 或LNG 穿梭船）之間進(jìn)行卸料，同時(shí)還要保持LNG 船向陸地氣化設(shè)施卸料。 緬甸L(zhǎng)NG 發(fā)電項(xiàng)目中的LNG 船作為L(zhǎng)NG 儲(chǔ)罐長(zhǎng)期?？吭贚NG碼頭， 一方面要連續(xù)不斷地輸出LNG 到陸上的LNG 氣化單元，另一方面要定期補(bǔ)充消耗的LNG。LNG 船采用STS 方式補(bǔ)貨期間， 需要控制好LNG船、LNG 穿梭船及陸地氣化站單元的BOG 壓力。關(guān)于BOG 產(chǎn)生的原因， 目前已經(jīng)有各種的分析和計(jì)算［6-7］。 參照LNG 接收站的分析方法，結(jié)合LNG 船的特點(diǎn)，BOG 產(chǎn)生的原因可以歸結(jié)為如下幾種。

2.1 環(huán)境溫度影響

LNG 系統(tǒng)需保冷以降低環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的影響。 緬甸晝夜溫差約15 ℃，需要采取措施最大可能降低環(huán)境溫度對(duì)保冷系統(tǒng)的影響。通常，保冷材料有聚氨酯發(fā)泡材料、高密度聚氨酯、泡沫玻璃、彈性玻璃纖維氈及玻璃纖維氈等［8-12］。LNG 船受環(huán)境的影響比較復(fù)雜， 為了便于估算，LNG 船艙的BOG 蒸發(fā)量采用靜態(tài)方法計(jì)算。 靜態(tài)下BOG 產(chǎn)生量Q 可以按照下面公式進(jìn)行估算。

式中：ρ 為L(zhǎng)NG 密度的數(shù)值，單位kg/m3；γ 為L(zhǎng)NG 船日蒸發(fā)率；V 為L(zhǎng)NG 船儲(chǔ)罐容積的數(shù)值，單位m3。

使用此公式對(duì)實(shí)際工程中的LNG 船進(jìn)行估算時(shí)， 需要考慮LNG 船使用時(shí)間的影響， 尤其是在保溫材料使用年限延長(zhǎng)或者使用過(guò)程發(fā)生破壞時(shí)，這種影響是不能忽略的。 比如，估算一個(gè)已經(jīng)使用了10 a 的LNG 運(yùn)輸船的BOG 量時(shí)，就不能應(yīng)用一個(gè)新投用的LNG 運(yùn)輸船的蒸發(fā)率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 LNG 泵影響

在高壓工況使用的LNG 泵和在低壓工況使用的LNG 泵在結(jié)構(gòu)上都屬于潛液泵。 這種泵的特點(diǎn)是， 對(duì)LNG 做功后剩余的功率會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，這些能量會(huì)使一部分LNG 氣化產(chǎn)生BOG［13-15］。其中，采用變頻方式進(jìn)行流量控制的潛液泵， 做功之余的功率會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的熱量，加熱周圍的LNG。 采用回流控制LNG 流量的LNG 潛液泵，除了電機(jī)熱量外， 回流的LNG 進(jìn)入船艙后， 在壓差作用下也會(huì)產(chǎn)生BOG。 因此，不管何種結(jié)構(gòu)形式的LNG 泵，只要泵的葉輪對(duì)LNG 做功， 就會(huì)產(chǎn)生熱量， 從而產(chǎn)生BOG。

2.3 船艙壓力影響

LNG 和BOG 在不同壓力下可以達(dá)到平衡狀態(tài)。 當(dāng)LNG 船艙內(nèi)壓力發(fā)生變化時(shí)， 平衡狀態(tài)會(huì)被打破，此時(shí)BOG 飽和溫度隨之變化，產(chǎn)生的BOG量進(jìn)而發(fā)生變化，直至氣相的BOG 壓力和LNG 達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡， 這種動(dòng)態(tài)壓力平衡對(duì)LNG 船艙或儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率的影響十分明顯。 因此， 當(dāng)LNG船艙的壓力有變化時(shí)，不應(yīng)忽略BOG 量的變化。

2.4 LNG 液位影響

LNG 液位不同，BOG 在LNG 船艙內(nèi)的氣相空間也不同， 此時(shí)BOG 溫度分布也會(huì)有所不同。 例如，艙內(nèi)壓力保持不變，LNG 液位最低時(shí)和LNG 液化最高時(shí), 在LNG 艙內(nèi)頂部的BOG 溫度會(huì)不同。因此， 在LNG 溫度和BOG 壓力不變的情況下，飽和的LNG 和BOG 形成了氣液平衡，LNG 液位高時(shí)BOG 平均溫度比LNG 液位低時(shí)BOG 平均溫度低。這種情況下，液位低時(shí)，由于BOG 溫度范圍更寬，飽和LNG 和BOG 的平衡更容易被破壞。 與此時(shí)同時(shí)， 液位比較高的情況下，BOG 平均溫度比較低，BOG 更容易過(guò)飽和。

3 工程實(shí)例數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及驗(yàn)證性分析

LNG 船STS 補(bǔ)貨期間是產(chǎn)生BOG 最多的工況。 緬甸某LNG 發(fā)電項(xiàng)目在STS 期間，氣化站共開啟5 臺(tái)BOG 壓縮機(jī)，每臺(tái)BOG 壓縮機(jī)的處理能力為2 000 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同）,總的BOG 處理能力約10 000 m3/h，長(zhǎng)期?？吭诖a頭的LNG 船的艙容為12.5 萬(wàn)m3，Shuttle 船為小型LNG 船，STS 補(bǔ)貨期間船與船的卸料速度控制在800～1 900 m3/h。

3.1 環(huán)境溫度對(duì)BOG 壓力影響

2021-12-07 T 4:00 ～12:00，LNG 船STS 補(bǔ)貨期間的BOG 壓力- 時(shí)間曲線見圖2。在圖2 中，氣化站的BOG 壓縮機(jī)處理能力為9 000 m3/h，LNG船在補(bǔ)艙前的LNG 庫(kù)存量為54 000 m3， 液位中等，Shuttle 船帶過(guò)來(lái)的LNG 量約為18 000 m3，平均卸貨速度1 500 m3/h。

圖2 2021-12-07 T 4:00～12:00STS 期間LNG 船BOG 壓力-時(shí)間曲線

圖2 顯示，4:00～6:00 時(shí)段的BOG 壓力呈下降趨勢(shì)，7:00 后艙內(nèi)BOG 壓力呈現(xiàn)回升的趨勢(shì)，至平衡后又呈下降趨勢(shì)。 結(jié)合LNG 船工況分析圖2 可知，BOG 壓力隨時(shí)間的變化主要是環(huán)境溫度在夜間和日間的變化引起的。 對(duì)于環(huán)境溫差引起的LNG 艙內(nèi)BOG 壓力持續(xù)增加，現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)采取增加BOG 壓縮機(jī)的處理能力， 或者降低Shuttle 船的卸貨速度等措施將BOG 壓力調(diào)節(jié)在可控制范圍內(nèi)。

3.2 STS 卸料速度對(duì)BOG 壓力影響

3.2.1 實(shí)例1

2021-12-04T0:00～16:00，LNG 船STS 期間的BOG 壓力- 時(shí)間曲線見圖3。 氣化站的BOG 壓縮機(jī)處理能力為10 000 m3/h，LNG 船在補(bǔ)艙前的LNG 庫(kù)存量為44 592 m3，液位中等，Shuttle 船帶過(guò)來(lái)的LNG 量約為23 000 m3，平均卸料速度為1 900 m3/h。

圖3 2021-12-04 T 0:00～16:00STS 期間LNG 船BOG 壓力-時(shí)間曲線

圖3 顯示，整個(gè)過(guò)程中BOG 壓力呈上升趨勢(shì)。壓縮機(jī)在10 000 m3/h 處理能力下已經(jīng)不能使LNG 船的BOG 壓力呈下降趨勢(shì)。 在STS 的16 h內(nèi)， 艙內(nèi)的BOG 壓力從27 kPa 上升到了47 kPa，總體升高了20 kPa，平均升高1.25 kPa/h，可見平均卸料速度為1 900 m3/h 時(shí)氣化站BOG 處理能力已經(jīng)接近極限。 因此，STS 期間的平均卸料速度應(yīng)控制在1 900 m3/h 以下。 在極限的卸料速度工況下， 需要密切關(guān)注LNG 船艙內(nèi)的壓力， 確保不能超過(guò)BOG 的壓力報(bào)警上限值。

3.2.2 實(shí)例2

2021-12-18 T 12:00～2021-12-19 T 9:00，LNG 船在STS 期間的BOG 壓力-時(shí)間曲線見圖4。

圖4 2021-12-18 T 12:00～2021-12-19 T 9:00 STS 期間LNG 船BOG 壓力-時(shí)間曲線

當(dāng)日，LNG 氣化站的BOG 壓縮機(jī)處理能力為10 000 m3/h，LNG 船在補(bǔ)艙前的LNG 庫(kù)存量為61 564 m3，液位中等，Shuttle 船帶過(guò)來(lái)的LNG 量約為2 000 m3，平均卸料速度1 000 m3/h。 為了控制BOG 的壓力上升速度， 采取了降低卸料速度措施。 由圖4 可以知道，在STS 補(bǔ)貨的21 h 內(nèi)，BOG壓力從15.5 kPa 上升到31.3 kPa， 總體上升了15.8 kPa，平均上升約0.75 kPa/h。

3.2.3 綜合分析

綜合分析圖3 和圖4 可知， 在BOG 壓縮機(jī)的處理達(dá)到極限后， 降低卸料速度控制LNG 船艙BOG 的壓力是比較可行的措施。 LNG 卸料速度需要依據(jù)開始卸料時(shí)LNG 船艙的初始?jí)毫x擇，如果初始?jí)毫Φ?，到?bào)警值的壓差范圍大，可依據(jù)前期總結(jié)出的卸料速度與BOG 壓力升高速度之間的關(guān)系，選擇合適的LNG 卸料速度。

3.3 BOG 溫度對(duì)艙內(nèi)壓力的影響

圖5、圖6 分別是圖3 和圖4 做STS 期間對(duì)應(yīng)的BOG 溫度-時(shí)間曲線。 圖中5 中LNG 船原始艙容是44 592 m3，圖6 中LNG 原始艙容是61 564 m3。

圖5 2021-12-04T0:00～16:00STS 期間LNG 船BOG 溫度-時(shí)間曲線

圖6 2021-12-18T12:00～2021-12-19T9:00STS 期間LNG 船溫度-時(shí)間曲線

綜合分析圖5 和圖6 可知， 艙內(nèi)BOG 溫度對(duì)BOG 的壓力控制也有明顯的影響。LNG 艙內(nèi)的LNG液位越高，BOG 氣相空間就越少，在BOG 不斷地被BOG 壓縮機(jī)抽送到陸地氣化站的情況下，BOG 的熱量也被不斷帶走，BOG 溫度因此越低。 與此同時(shí)， 在艙內(nèi)液位高的情況下，BOG 溫度達(dá)到過(guò)飽和，BOG 氣體內(nèi)含有大量的LNG 小液滴，LNG 的再冷凝現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)STS 的旁靠方式向LNG 船補(bǔ)充LNG 的安全性要求非常高， 因此在實(shí)施前需要制定一套科學(xué)的操作程序和控制措施。 從緬甸某LNG 發(fā)電項(xiàng)目實(shí)踐中不斷摸索和總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)表明，Shuttle 在成功靠泊后，LNG 船旁靠補(bǔ)貨過(guò)程中的艙內(nèi)壓力控制是非常關(guān)鍵的技術(shù)。 LNG 船的艙內(nèi)壓力控制包括，①LNG 船進(jìn)行STS 作業(yè)補(bǔ)貨前，應(yīng)對(duì)LNG 船的LNG 溫度、密度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，盡量使Shuttle 船的LNG 溫度、密度差控制在合理范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生過(guò)量的BOG，從而避免產(chǎn)生翻滾的現(xiàn)象。 ②LNG 船如果保持在較高的液位條件下進(jìn)行STS，BOG 在艙內(nèi)會(huì)形成過(guò)飽和氣體，可以在STS 過(guò)程中對(duì)部分溫度較高的BOG 進(jìn)行降溫， 有利于整個(gè)艙內(nèi)的BOG 壓力控制。 但如果LNG 船一直保持在高液位， 需要關(guān)注LNG 的分層情況，定時(shí)對(duì)艙內(nèi)的LNG 進(jìn)行混合，防止LNG 的分層。 ③LNG 船在保溫情況不好且艙內(nèi)的LNG 液位處于低位，而周圍環(huán)境溫度較高的條件下，環(huán)境溫度對(duì)LNG 艙的影響會(huì)比較明顯，艙內(nèi)BOG 會(huì)增加， 這時(shí)開展STS 補(bǔ)貨需要注意氣化站壓縮機(jī)負(fù)荷和整個(gè)系統(tǒng)的BOG 匹配性。 若LNG 船艙內(nèi)BOG初始?jí)毫Ω撸?需要時(shí)刻關(guān)注卸料過(guò)程中LNG 船艙內(nèi)BOG 的壓力變化情況。