LNG运输船蒸发气管理最新动向
2022-12-14 18:25:11
来源：中国船检
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国际船舶网
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LNG运输船在航行中受环境热量渗入和摇晃等影响，液货舱和液货系统中LNG蒸发产生蒸发气(BOG)，造成液货舱和液货系统中压力上升，《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》(IGC Code)要求LNG运输船应有保证其液货舱和液货系统的压力和温度保持在设计限制及载运要求范围内的能力。
BOG的产生
LNG运输船液货舱属于低压深冷绝热容器，但由于液货舱和液货系统外部热量不断渗入，导致液货舱内的液相LNG自然蒸发为气相BOG(图1)，且无论LNG液货舱的保温性能如何，这种热交换都无法完全避免，LNG运输船在航行中受风、浪、流等影响的振动摇晃(图2)，也一定程度上加速了BOG的产生。
图1 BOG的产生
图2 液货舱的振动摇晃
LNG运输船在海上航行过程中，有时会出现液货舱内的液体分层现象，这是由于LNG货物中的氮或其他轻质组分的较早蒸发而改变了液货舱的密度及温度组成而导致的。液货舱内一旦出现液体分层，在外部环境热输入以及航行中船舶运动等因素的共同作用下，极易产生液货舱内液体的翻滚，进而导致液货舱内下层较热液体与上层较冷液体混合后释放大量热量，进一步加剧BOG的产生(图3)。LNG液货舱内蒸气空间的BOG压力对液货舱和全船的安全性至关重要， LNG翻滚更是可能使蒸气空间压力瞬时升高，严重威胁到液货舱的完整性和安全。
图3 LNG翻滚
考虑安全性的同时，单日蒸发率(BOR)是一艘LNG新造运输船设计和最终交付的重要经济性参数，BOR一般会写入新造船技术规格书中。对于BOR的计算，IGC Code给出的设计参数为：对于正常的营运，其最高的环境设计温度为海水32℃、空气45℃，对于在特热或特冷区域营运的船舶，该设计温度还会作适当的增减并使主管机关满意。
IGC Code对BOG管理的要求
考虑到BOG升高对液货舱压力的潜在风险，IGC Code要求LNG应具有使液货舱压力和温度保持在围护系统设计限制和/或货物载运要求范围内的能力，并给出了4种推荐控制方法(图4)：
■ 货物蒸发气的再液化；
■ 货物蒸发气的热氧化(燃烧)；
■ 压力积聚(蓄压)；
■ 液相货物的制冷。
图4 IGC Code定义的液货舱压力/温度控制方式
1.货物蒸发气的再液化
再液化根据处理技术、工艺形式和处理量等有多种分类形式，IGC Code根据再液化系统的布置形式给出了4种分类，分别为：直接冷却系统(对气化的货物进行压缩、冷凝并将其输回到液货舱)、间接冷却系统(用制冷剂对货物或气化的货物进行冷却或冷凝，而不对其压缩)和混合系统(将气化的货物压缩后，在货物／制冷剂的热交换器中加以冷凝，然后再将其输回到液货舱)和可能产生包含甲烷的废气流再液化系统(在压力控制操作期间并在设计条件范围内产生的废气应尽实际可行在不向大气排放的情况下进行处理)，并要求用于再液化的制冷剂能与其接触到的LNG货物相容，如使用多种制冷剂并可能互相接触，则其应彼此相容。
2.货物蒸发气的热氧化(燃烧)
IGC Code规定的货物蒸发气的热氧化简而言之就是通过燃烧的方式消耗掉BOG，其专用设备叫做气体燃烧装置(GCU)。一般来说，GCU在正常工作时应无外部可见火焰；具有一个独立的上烟道，且烟道排气温度须低于535℃，能防止气体积聚；具有专门的强制通风系统；燃烧室应设计成防止BOG的任何积聚，燃烧器应能在所有设计着火条件下保持稳定的燃烧，在点火不良时，能切断流向燃烧器的气体，能从安全可达到的位置手动隔断BOG燃料供应，在燃烧器熄火后可以通过惰性气体对燃烧器的供气管路进行自动和手动驱气。
双燃料柴油机、双燃料锅炉等燃烧BOG的设备同样可以理解为货物蒸发气的热氧化消耗装置。
3.压力积聚(蓄压)系统
IGC Code规定的压力积聚(蓄压)系统实际上是在围护系统的绝热层及设计压力在其操作时间和温度下存在适当余量的情况下，不要求附加压力和温度控制系统的一种放宽形式。
对当下流行的薄膜型液货舱来说因其对蒸汽空间压力较为敏感，在现有技术条件下不容易通过此种方式实现BOG的管理。
4.液相货物制冷
IGC Code规定散装LNG货物液体可由通过安装在液货舱内部或液货舱外表面上的盘管中循环流通的冷却剂进行制冷。但因LNG沸点较低，采用此种压力和温度控制系统的经济效益不强，因此在LNG运输船行业中鲜见。
BOG管理技术的发展
1.传统蒸汽透平主推进装置通过主锅炉燃烧BOG
虽然BOG的产生不可避免，但在20世纪传统的装备蒸汽透平(图5)作为主推进装置的传统LNG运输船可以在主锅炉(图6)中便利地燃烧BOG,不会产生浪费,并且具有明显的可靠性。
图5 蒸汽透平
图6 主锅炉
当使用BOG作为燃料时，须将BOG通过燃料供应管路输送到机舱中，而机舱作为消防划分中的A类机器处所，本身已具有较高失火风险，因此IGC Code要求当BOG燃料管路进入机舱后须满足以下两种布置型式之一：
(1)BOG燃料管采用双层壁设计(图7)，同心管之间的空间采用惰性气体加压�；�，而且惰性气体压力须大于内管气体燃料的压力。当惰性气体失压时，主气体燃料阀(Master Gas Valve, MGV)自动关闭；
(2)BOG燃料管安装在设有机械抽风的通风管或管道内(图8)，通风量至少为30次/h，并保持管道内压力低于大气压。当管路内有燃料时，通风系统应始终保持运转，如抽风系统不能产生和维持所要求的空气流量，MGV应自动关闭。通风进口或管道可来自非危险机器处所，通风出口应引至安全位置。
图7 双层壁管道
图8 机械通风管道
2.再液化装置将BOG冷凝后重新输送回液货舱
BOG的再液化构想最早可以追溯到20世纪七八十年代,将液货舱产生的BOG通过冷凝后重新输送回液货舱,以控制液货舱内货物温度与压力处于设计范围内。但直到2006年再液化装置才首次应用到LNG运输船上，主推进动力装置仍是传统蒸汽透平和主锅炉的组合型式。
随着21世纪全球LNG贸易的迅速增长，LNG运输船日趋大型化，受早期建成的LNG码头水深的限制，超大型的LNG运输船不得不维持浅吃水设计，为保证20knot左右的高航速，需要船舶具有强大的推进能力。为此，超大型浅吃水高服务航速船舶一般选择双桨和双尾鳍的布置，双套推进系统既满足较大推进功率又增加了冗余度提高了航行安全性。而传统蒸汽透平和主锅炉需要占用较大机舱空间，双机布置并不现实，因此顺应产生了带再液化装置的二冲程低速柴油机推进系统(DRL)，既实现了双桨、双尾鳍布置，又兼顾了BOG的处理。2007年至2010年期间，全球LNG运输船队新增超过40艘采用DRL的Q-flex和Q-max LNG运输船，也将再液化装置真正引入了LNG运输船行业，其优点是货主可以得到更多的LNG货物，缺点是初期投资较大，且全液化模式下消耗电力较多。
再液化装置根据再液化处理能力的不同大致可分为全部再液化型、自持式再液化型和部分再液化型：
(1)全部再液化型是将BOG全部液化，理论上可以达到零货损，但因为处理能力较大，相应电力消耗也较大，因此经济性较低；
(2)自持式再液化型是靠部分BOG来推动燃气透平，或让部分BOG在主锅炉内燃烧产生蒸汽从而驱动蒸汽透平以提供再液化装置所需要的动力，同时将剩余BOG再液化，在不消耗船舶主发电机电力能源的情况下实现BOG再液化的自给自足；
(3)部分再液化装置是将BOG的一部分进行再液化，剩余BOG除用于再液化过程中热交换之外，作为燃料供给双燃料柴油机和锅炉等燃气消耗设备，是当今国际LNG新造船所配备的主流再液化型式。
再液化装置根据处理技术的不同大致可分为氮气膨胀制冷型、混合制冷型和涡轮布雷顿制冷型，三者工艺流程和系统装置有所不同：
(1)氮气膨胀制冷型再液化装置根据逆布雷顿低温制冷循环原理设计，一般由气体压缩机、氮气制冷压缩机、冷箱、氮气分离器、液体返回泵和辅助设备与控制装置组成，将BOG经气体压缩机压缩后,输送到冷箱中用低温液氮冷却气相BOG使其冷凝至液相LNG再回流至液货舱中；
(2)混合制冷型再液化装置通过气体压缩机、海水换热器、LNG换热器和辅助设备与控制装置完成制冷循环,气相BOG通过LNG换热器吸收冷量冷凝为液态LNG,通过控制装置降压后回流至液货舱中；
(3)涡轮布雷顿制冷型再液化装置采用氮气和氦气混合气体作为制冷介质，通过压缩机等熵压缩和冷却器冷却，经过回热器降温之后进入膨胀机内膨胀，获得低温制冷量后直接喷淋至液货舱内将液货舱内的气相BOG直接冷凝至液相LNG。我国最新一代LNG新造船将采用该型再液化装置。
3.技术的革新和排放令推动BOG管理新方案
随着新的LNG运输船推进技术的不断革新(图9)，原本效率较低的蒸汽透平推进型式逐步淡出LNG运输船市场，LNG双燃料推进迈向了新纪元。21世纪前15年，随着双燃料四冲程中速柴油机技术的成熟，双燃料电力推进系统(Dual Fuel Diesel Electric Propulsion, DFDE)一度风靡全球LNG新造船市场，随着双燃料二冲程低速柴油机的技术成熟，当下双燃料主机推进系统成为LNG新造船推进方式的首选，而随着新技术的不断成熟和应用，更多的综合全船的BOG管理模式势必将演进诞生。
图9 LNG运输船推进模式革新
但由于BOG的自然蒸发受制于外部环境温度、LNG纯度、船舶航行的�？龅戎疃嘁蛩赜跋�，因此实际航行中BOG自然蒸发量是不可控的，某些情况下，BOG可能不足以满足船舶推进及电力的燃料需求，需要将部分LNG货物强制气化（Forcing Vaporizing）以填补BOG不足；而船舶在港口机动航行或在锚地时，船舶所需的推进功率减少，又可能出现BOG远超出船舶推进及电力的燃料需求的情况，这时就需要使用GCU将多余的BOG燃烧消耗掉，甚至在迫不得已的情况下将多余BOG紧急放空(Emergency Venting)。
GCU除可燃烧消耗船舶常规操作多余的BOG之外，还可处理在LNG运输船营运期间进坞或开舱前液货舱升温和惰化操作所排放出的气体。
LNG营运船在开舱前，须在将液货舱尽可能清空后首先进行升温操作。将液货舱内冷的天然气(NG)抽出，同换热器加热到约80℃后再重新注入管进液货舱底，注入热的NG会使液货舱底残余的LNG蒸发成BOG，与此同时液货舱内的温度和压力升高，产生的多余的BOG通过GCU燃烧掉，不宜直接排放大气。
升温操作之后，开始惰化操作，通过惰性气体将液货舱中的BOG可燃气体置换出，实现液货舱的惰化。密度较大的惰性气体通过液货舱底部进入，将密度较小的BOG从液货舱顶部排出(图10)，排出末端气体实际可能为BOG和惰性气体的混合物，须通过GCU燃烧处理，不宜直接排放大气。之后液货舱就可以通风直到达到人员开舱进入的安全状态。
图10 惰化操作
随着在全球对温室气体控制愈趋严格，各国主管机关开始加紧对BOG放空的管制，要求除非在紧急情况下，不应接受排放货物以保持液货舱的压力和温度。因此GCU(将货物蒸发气燃烧消耗掉)或再液化装置(将货物蒸发气再液化之后输送回液货舱)这两种设备成为BOG管理的必备之一。
BOG管理展望
综合以上LNG运输船BOG管理的技术演化路线可知，BOG管理方案的选择须兼顾船舶操作、主推进型式、环保规定、新技术的发展应用等一系列相关因素，一艘LNG运输船上也可能同时安装有一种或多种能起到BOG管理作用的设备装置。
LNG运输船进入我国船舶视野虽然只有20余年，但LNG海上运输历史确已60多年，传统的LNG运输船仅作为LNG贸易链的中间运输环节，一般执行类似班轮的固定航线，且与LNG购销合同(Sale and Purchase Agreement, SPA)关联常常长达20年之久，行业相对固定和封闭，LNG运输船在贸易链中最重要的作用是稳定运输而非高效进步，因此BOG的管理也在很长一段时间与传统的蒸汽透平推进模式绑定。
近20年来，随着船舶技术的不断进步以及全球环境问题的日趋严峻，LNG的使用以及LNG运输船的技术革新使货物围护系统(Cargo Containment System, CCS)也加快了步伐，同时LNG的季节性调运以及短租LNG运输船的市场操作也屡屡上演，市场要求BOG的管理具备更高效、更灵便、更多样的选择。
2020年至今新冠病毒疫情蔓延全球，航运市场也受到了极大影响，在2020年新冠疫情最严重之际，全球部分港口受疫情影响一时无法接收LNG，相当一批LNG运输船一度无法按时卸货，在待港期间液货舱内BOG不断蒸发，再液化装置这时发挥了重要优势，尽可能地减少了货主因BOG蒸发而造成的浪费。涡轮布雷顿制型再液化装置采用氮气和氦气作为冷却介质，所需系统装置数量相对较少，在安全性、紧凑性和再液化效率等方面具有一定优势。我国和韩国LNG新造船厂近年来纷纷采用该型再液化技术，搭配双燃料主机推进模式，形成了当下较为流行的双燃料推进热氧化消耗BOG结合部分再液化的LNG运输船BOG管理模式。
在2050全球气候目标、欧洲2030脱碳目标以及我国“碳达峰、碳中和”等环保愿景的大背景下，温室气体排放的限制将日益严格。GCU作为早期取代主锅炉消耗BOG的热氧化手段，因其燃烧后排放CO2至大气，终将要逐步被新技术、新工艺和新设备取代，当下部分LNG运输船上安装的大容量双燃料锅炉已达到取代船上安装GCU的技术条件。
根据近期行业分析，下一步欧洲LNG进口将逐步从俄罗斯管道转移至美国海运，航行于美欧航线大西洋多变�？龅腖NG运输船也必将更加关注BOG的管理。（作者 郭显亭）
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