LNG運輸船蒸發氣管理最新動向
2022-12-14 18:25:11
來源：中國船檢
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我有話要說
LNG運輸船在航行中受環境熱量滲入和搖晃等影響，液貨艙和液貨系統中LNG蒸發產生蒸發氣(BOG)，造成液貨艙和液貨系統中壓力上升，《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》(IGC Code)要求LNG運輸船應有保證其液貨艙和液貨系統的壓力和溫度保持在設計限制及載運要求范圍內的能力。
BOG的產生
LNG運輸船液貨艙屬于低壓深冷絕熱容器，但由于液貨艙和液貨系統外部熱量不斷滲入，導致液貨艙內的液相LNG自然蒸發為氣相BOG(圖1)，且無論LNG液貨艙的保溫性能如何，這種熱交換都無法完全避免，LNG運輸船在航行中受風、浪、流等影響的振動搖晃(圖2)，也一定程度上加速了BOG的產生。
圖1 BOG的產生
圖2 液貨艙的振動搖晃
LNG運輸船在海上航行過程中，有時會出現液貨艙內的液體分層現象，這是由于LNG貨物中的氮或其他輕質組分的較早蒸發而改變了液貨艙的密度及溫度組成而導致的。液貨艙內一旦出現液體分層，在外部環境熱輸入以及航行中船舶運動等因素的共同作用下，極易產生液貨艙內液體的翻滾，進而導致液貨艙內下層較熱液體與上層較冷液體混合后釋放大量熱量，進一步加劇BOG的產生(圖3)。LNG液貨艙內蒸氣空間的BOG壓力對液貨艙和全船的安全性至關重要， LNG翻滾更是可能使蒸氣空間壓力瞬時升高，嚴重威脅到液貨艙的完整性和安全。
圖3 LNG翻滾
考慮安全性的同時，單日蒸發率(BOR)是一艘LNG新造運輸船設計和最終交付的重要經濟性參數，BOR一般會寫入新造船技術規格書中。對于BOR的計算，IGC Code給出的設計參數為：對于正常的營運，其最高的環境設計溫度為海水32℃、空氣45℃，對于在特熱或特冷區域營運的船舶，該設計溫度還會作適當的增減并使主管機關滿意。
IGC Code對BOG管理的要求
考慮到BOG升高對液貨艙壓力的潛在風險，IGC Code要求LNG應具有使液貨艙壓力和溫度保持在圍護系統設計限制和/或貨物載運要求范圍內的能力，并給出了4種推薦控制方法(圖4)：
■ 貨物蒸發氣的再液化；
■ 貨物蒸發氣的熱氧化(燃燒)；
■ 壓力積聚(蓄壓)；
■ 液相貨物的制冷。
圖4 IGC Code定義的液貨艙壓力/溫度控制方式
1.貨物蒸發氣的再液化
再液化根據處理技術、工藝形式和處理量等有多種分類形式，IGC Code根據再液化系統的布置形式給出了4種分類，分別為：直接冷卻系統(對氣化的貨物進行壓縮、冷凝并將其輸回到液貨艙)、間接冷卻系統(用制冷劑對貨物或氣化的貨物進行冷卻或冷凝，而不對其壓縮)和混合系統(將氣化的貨物壓縮后，在貨物／制冷劑的熱交換器中加以冷凝，然后再將其輸回到液貨艙)和可能產生包含甲烷的廢氣流再液化系統(在壓力控制操作期間并在設計條件范圍內產生的廢氣應盡實際可行在不向大氣排放的情況下進行處理)，并要求用于再液化的制冷劑能與其接觸到的LNG貨物相容，如使用多種制冷劑并可能互相接觸，則其應彼此相容。
2.貨物蒸發氣的熱氧化(燃燒)
IGC Code規定的貨物蒸發氣的熱氧化簡而言之就是通過燃燒的方式消耗掉BOG，其專用設備叫做氣體燃燒裝置(GCU)。一般來說，GCU在正常工作時應無外部可見火焰；具有一個獨立的上煙道，且煙道排氣溫度須低于535℃，能防止氣體積聚；具有專門的強制通風系統；燃燒室應設計成防止BOG的任何積聚，燃燒器應能在所有設計著火條件下保持穩定的燃燒，在點火不良時，能切斷流向燃燒器的氣體，能從安全可達到的位置手動隔斷BOG燃料供應，在燃燒器熄火后可以通過惰性氣體對燃燒器的供氣管路進行自動和手動驅氣。
雙燃料柴油機、雙燃料鍋爐等燃燒BOG的設備同樣可以理解為貨物蒸發氣的熱氧化消耗裝置。
3.壓力積聚(蓄壓)系統
IGC Code規定的壓力積聚(蓄壓)系統實際上是在圍護系統的絕熱層及設計壓力在其操作時間和溫度下存在適當余量的情況下，不要求附加壓力和溫度控制系統的一種放寬形式。
對當下流行的薄膜型液貨艙來說因其對蒸汽空間壓力較為敏感，在現有技術條件下不容易通過此種方式實現BOG的管理。
4.液相貨物制冷
IGC Code規定散裝LNG貨物液體可由通過安裝在液貨艙內部或液貨艙外表面上的盤管中循環流通的冷卻劑進行制冷。但因LNG沸點較低，采用此種壓力和溫度控制系統的經濟效益不強，因此在LNG運輸船行業中鮮見。
BOG管理技術的發展
1.傳統蒸汽透平主推進裝置通過主鍋爐燃燒BOG
雖然BOG的產生不可避免，但在20世紀傳統的裝備蒸汽透平(圖5)作為主推進裝置的傳統LNG運輸船可以在主鍋爐(圖6)中便利地燃燒BOG,不會產生浪費,并且具有明顯的可靠性。
圖5 蒸汽透平
圖6 主鍋爐
當使用BOG作為燃料時，須將BOG通過燃料供應管路輸送到機艙中，而機艙作為消防劃分中的A類機器處所，本身已具有較高失火風險，因此IGC Code要求當BOG燃料管路進入機艙后須滿足以下兩種布置型式之一：
(1)BOG燃料管采用雙層壁設計(圖7)，同心管之間的空間采用惰性氣體加壓保護，而且惰性氣體壓力須大于內管氣體燃料的壓力。當惰性氣體失壓時，主氣體燃料閥(Master Gas Valve, MGV)自動關閉；
(2)BOG燃料管安裝在設有機械抽風的通風管或管道內(圖8)，通風量至少為30次/h，并保持管道內壓力低于大氣壓。當管路內有燃料時，通風系統應始終保持運轉，如抽風系統不能產生和維持所要求的空氣流量，MGV應自動關閉。通風進口或管道可來自非危險機器處所，通風出口應引至安全位置。
圖7 雙層壁管道
圖8 機械通風管道
2.再液化裝置將BOG冷凝后重新輸送回液貨艙
BOG的再液化構想最早可以追溯到20世紀七八十年代,將液貨艙產生的BOG通過冷凝后重新輸送回液貨艙,以控制液貨艙內貨物溫度與壓力處于設計范圍內。但直到2006年再液化裝置才首次應用到LNG運輸船上，主推進動力裝置仍是傳統蒸汽透平和主鍋爐的組合型式。
隨著21世紀全球LNG貿易的迅速增長，LNG運輸船日趨大型化，受早期建成的LNG碼頭水深的限制，超大型的LNG運輸船不得不維持淺吃水設計，為保證20knot左右的高航速，需要船舶具有強大的推進能力。為此，超大型淺吃水高服務航速船舶一般選擇雙槳和雙尾鰭的布置，雙套推進系統既滿足較大推進功率又增加了冗余度提高了航行安全性。而傳統蒸汽透平和主鍋爐需要占用較大機艙空間，雙機布置并不現實，因此順應產生了帶再液化裝置的二沖程低速柴油機推進系統(DRL)，既實現了雙槳、雙尾鰭布置，又兼顧了BOG的處理。2007年至2010年期間，全球LNG運輸船隊新增超過40艘采用DRL的Q-flex和Q-max LNG運輸船，也將再液化裝置真正引入了LNG運輸船行業，其優點是貨主可以得到更多的LNG貨物，缺點是初期投資較大，且全液化模式下消耗電力較多。
再液化裝置根據再液化處理能力的不同大致可分為全部再液化型、自持式再液化型和部分再液化型：
(1)全部再液化型是將BOG全部液化，理論上可以達到零貨損，但因為處理能力較大，相應電力消耗也較大，因此經濟性較低；
(2)自持式再液化型是靠部分BOG來推動燃氣透平，或讓部分BOG在主鍋爐內燃燒產生蒸汽從而驅動蒸汽透平以提供再液化裝置所需要的動力，同時將剩余BOG再液化，在不消耗船舶主發電機電力能源的情況下實現BOG再液化的自給自足；
(3)部分再液化裝置是將BOG的一部分進行再液化，剩余BOG除用于再液化過程中熱交換之外，作為燃料供給雙燃料柴油機和鍋爐等燃氣消耗設備，是當今國際LNG新造船所配備的主流再液化型式。
再液化裝置根據處理技術的不同大致可分為氮氣膨脹制冷型、混合制冷型和渦輪布雷頓制冷型，三者工藝流程和系統裝置有所不同：
(1)氮氣膨脹制冷型再液化裝置根據逆布雷頓低溫制冷循環原理設計，一般由氣體壓縮機、氮氣制冷壓縮機、冷箱、氮氣分離器、液體返回泵和輔助設備與控制裝置組成，將BOG經氣體壓縮機壓縮后,輸送到冷箱中用低溫液氮冷卻氣相BOG使其冷凝至液相LNG再回流至液貨艙中；
(2)混合制冷型再液化裝置通過氣體壓縮機、海水換熱器、LNG換熱器和輔助設備與控制裝置完成制冷循環,氣相BOG通過LNG換熱器吸收冷量冷凝為液態LNG,通過控制裝置降壓后回流至液貨艙中；
(3)渦輪布雷頓制冷型再液化裝置采用氮氣和氦氣混合氣體作為制冷介質，通過壓縮機等熵壓縮和冷卻器冷卻，經過回熱器降溫之后進入膨脹機內膨脹，獲得低溫制冷量后直接噴淋至液貨艙內將液貨艙內的氣相BOG直接冷凝至液相LNG。我國最新一代LNG新造船將采用該型再液化裝置。
3.技術的革新和排放令推動BOG管理新方案
隨著新的LNG運輸船推進技術的不斷革新(圖9)，原本效率較低的蒸汽透平推進型式逐步淡出LNG運輸船市場，LNG雙燃料推進邁向了新紀元。21世紀前15年，隨著雙燃料四沖程中速柴油機技術的成熟，雙燃料電力推進系統(Dual Fuel Diesel Electric Propulsion, DFDE)一度風靡全球LNG新造船市場，隨著雙燃料二沖程低速柴油機的技術成熟，當下雙燃料主機推進系統成為LNG新造船推進方式的首選，而隨著新技術的不斷成熟和應用，更多的綜合全船的BOG管理模式勢必將演進誕生。
圖9 LNG運輸船推進模式革新
但由于BOG的自然蒸發受制于外部環境溫度、LNG純度、船舶航行的海況等諸多因素影響，因此實際航行中BOG自然蒸發量是不可控的，某些情況下，BOG可能不足以滿足船舶推進及電力的燃料需求，需要將部分LNG貨物強制氣化（Forcing Vaporizing）以填補BOG不足；而船舶在港口機動航行或在錨地時，船舶所需的推進功率減少，又可能出現BOG遠超出船舶推進及電力的燃料需求的情況，這時就需要使用GCU將多余的BOG燃燒消耗掉，甚至在迫不得已的情況下將多余BOG緊急放空(Emergency Venting)。
GCU除可燃燒消耗船舶常規操作多余的BOG之外，還可處理在LNG運輸船營運期間進塢或開艙前液貨艙升溫和惰化操作所排放出的氣體。
LNG營運船在開艙前，須在將液貨艙盡可能清空后首先進行升溫操作。將液貨艙內冷的天然氣(NG)抽出，同換熱器加熱到約80℃后再重新注入管進液貨艙底，注入熱的NG會使液貨艙底殘余的LNG蒸發成BOG，與此同時液貨艙內的溫度和壓力升高，產生的多余的BOG通過GCU燃燒掉，不宜直接排放大氣。
升溫操作之后，開始惰化操作，通過惰性氣體將液貨艙中的BOG可燃氣體置換出，實現液貨艙的惰化。密度較大的惰性氣體通過液貨艙底部進入，將密度較小的BOG從液貨艙頂部排出(圖10)，排出末端氣體實際可能為BOG和惰性氣體的混合物，須通過GCU燃燒處理，不宜直接排放大氣。之后液貨艙就可以通風直到達到人員開艙進入的安全狀態。
圖10 惰化操作
隨著在全球對溫室氣體控制愈趨嚴格，各國主管機關開始加緊對BOG放空的管制，要求除非在緊急情況下，不應接受排放貨物以保持液貨艙的壓力和溫度。因此GCU(將貨物蒸發氣燃燒消耗掉)或再液化裝置(將貨物蒸發氣再液化之后輸送回液貨艙)這兩種設備成為BOG管理的必備之一。
BOG管理展望
綜合以上LNG運輸船BOG管理的技術演化路線可知，BOG管理方案的選擇須兼顧船舶操作、主推進型式、環保規定、新技術的發展應用等一系列相關因素，一艘LNG運輸船上也可能同時安裝有一種或多種能起到BOG管理作用的設備裝置。
LNG運輸船進入我國船舶視野雖然只有20余年，但LNG海上運輸歷史確已60多年，傳統的LNG運輸船僅作為LNG貿易鏈的中間運輸環節，一般執行類似班輪的固定航線，且與LNG購銷合同(Sale and Purchase Agreement, SPA)關聯常常長達20年之久，行業相對固定和封閉，LNG運輸船在貿易鏈中最重要的作用是穩定運輸而非高效進步，因此BOG的管理也在很長一段時間與傳統的蒸汽透平推進模式綁定。
近20年來，隨著船舶技術的不斷進步以及全球環境問題的日趨嚴峻，LNG的使用以及LNG運輸船的技術革新使貨物圍護系統(Cargo Containment System, CCS)也加快了步伐，同時LNG的季節性調運以及短租LNG運輸船的市場操作也屢屢上演，市場要求BOG的管理具備更高效、更靈便、更多樣的選擇。
2020年至今新冠病毒疫情蔓延全球，航運市場也受到了極大影響，在2020年新冠疫情最嚴重之際，全球部分港口受疫情影響一時無法接收LNG，相當一批LNG運輸船一度無法按時卸貨，在待港期間液貨艙內BOG不斷蒸發，再液化裝置這時發揮了重要優勢，盡可能地減少了貨主因BOG蒸發而造成的浪費。渦輪布雷頓制型再液化裝置采用氮氣和氦氣作為冷卻介質，所需系統裝置數量相對較少，在安全性、緊湊性和再液化效率等方面具有一定優勢。我國和韓國LNG新造船廠近年來紛紛采用該型再液化技術，搭配雙燃料主機推進模式，形成了當下較為流行的雙燃料推進熱氧化消耗BOG結合部分再液化的LNG運輸船BOG管理模式。
在2050全球氣候目標、歐洲2030脫碳目標以及我國“碳達峰、碳中和”等環保愿景的大背景下，溫室氣體排放的限制將日益嚴格。GCU作為早期取代主鍋爐消耗BOG的熱氧化手段，因其燃燒后排放CO2至大氣，終將要逐步被新技術、新工藝和新設備取代，當下部分LNG運輸船上安裝的大容量雙燃料鍋爐已達到取代船上安裝GCU的技術條件。
根據近期行業分析，下一步歐洲LNG進口將逐步從俄羅斯管道轉移至美國海運，航行于美歐航線大西洋多變海況的LNG運輸船也必將更加關注BOG的管理。（作者 郭顯亭）
標簽： LNG船
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