LNG運(yùn)輸船在航行中受環(huán)境熱量滲入和搖晃等影響，液貨艙和液貨系統(tǒng)中LNG蒸發(fā)產(chǎn)生蒸發(fā)氣(BOG)，造成液貨艙和液貨系統(tǒng)中壓力上升，《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IGC Code)要求LNG運(yùn)輸船應(yīng)有保證其液貨艙和液貨系統(tǒng)的壓力和溫度保持在設(shè)計(jì)限制及載運(yùn)要求范圍內(nèi)的能力。

BOG的產(chǎn)生

LNG運(yùn)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(tǒng)外部熱量不斷滲入，導(dǎo)致液貨艙內(nèi)的液相LNG自然蒸發(fā)為氣相BOG(圖1)，且無(wú)論LNG液貨艙的保溫性能如何，這種熱交換都無(wú)法完全避免，LNG運(yùn)輸船在航行中受風(fēng)、浪、流等影響的振動(dòng)搖晃(圖2)，也一定程度上加速了BOG的產(chǎn)生。

圖1 BOG的產(chǎn)生

圖2 液貨艙的振動(dòng)搖晃

LNG運(yùn)輸船在海上航行過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)液貨艙內(nèi)的液體分層現(xiàn)象，這是由于LNG貨物中的氮或其他輕質(zhì)組分的較早蒸發(fā)而改變了液貨艙的密度及溫度組成而導(dǎo)致的。液貨艙內(nèi)一旦出現(xiàn)液體分層，在外部環(huán)境熱輸入以及航行中船舶運(yùn)動(dòng)等因素的共同作用下，極易產(chǎn)生液貨艙內(nèi)液體的翻滾，進(jìn)而導(dǎo)致液貨艙內(nèi)下層較熱液體與上層較冷液體混合后釋放大量熱量，進(jìn)一步加劇BOG的產(chǎn)生(圖3)。LNG液貨艙內(nèi)蒸氣空間的BOG壓力對(duì)液貨艙和全船的安全性至關(guān)重要， LNG翻滾更是可能使蒸氣空間壓力瞬時(shí)升高，嚴(yán)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(shí)，單日蒸發(fā)率(BOR)是一艘LNG新造運(yùn)輸船設(shè)計(jì)和最終交付的重要經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，BOR一般會(huì)寫(xiě)入新造船技術(shù)規(guī)格書(shū)中。對(duì)于BOR的計(jì)算，IGC Code給出的設(shè)計(jì)參數(shù)為：對(duì)于正常的營(yíng)運(yùn)，其最高的環(huán)境設(shè)計(jì)溫度為海水32℃、空氣45℃，對(duì)于在特?zé)峄蛱乩鋮^(qū)域營(yíng)運(yùn)的船舶，該設(shè)計(jì)溫度還會(huì)作適當(dāng)?shù)脑鰷p并使主管機(jī)關(guān)滿(mǎn)意。

IGC Code對(duì)BOG管理的要求

考慮到BOG升高對(duì)液貨艙壓力的潛在風(fēng)險(xiǎn)，IGC Code要求LNG應(yīng)具有使液貨艙壓力和溫度保持在圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制和/或貨物載運(yùn)要求范圍內(nèi)的能力，并給出了4種推薦控制方法(圖4)：

■ 貨物蒸發(fā)氣的再液化；

■ 貨物蒸發(fā)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(fā)氣的再液化

再液化根據(jù)處理技術(shù)、工藝形式和處理量等有多種分類(lèi)形式，IGC Code根據(jù)再液化系統(tǒng)的布置形式給出了4種分類(lèi)，分別為：直接冷卻系統(tǒng)(對(duì)氣化的貨物進(jìn)行壓縮、冷凝并將其輸回到液貨艙)、間接冷卻系統(tǒng)(用制冷劑對(duì)貨物或氣化的貨物進(jìn)行冷卻或冷凝，而不對(duì)其壓縮)和混合系統(tǒng)(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(chǎn)生包含甲烷的廢氣流再液化系統(tǒng)(在壓力控制操作期間并在設(shè)計(jì)條件范圍內(nèi)產(chǎn)生的廢氣應(yīng)盡實(shí)際可行在不向大氣排放的情況下進(jìn)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(yīng)彼此相容。

2.貨物蒸發(fā)氣的熱氧化(燃燒)

IGC Code規(guī)定的貨物蒸發(fā)氣的熱氧化簡(jiǎn)而言之就是通過(guò)燃燒的方式消耗掉BOG，其專(zhuān)用設(shè)備叫做氣體燃燒裝置(GCU)。一般來(lái)說(shuō)，GCU在正常工作時(shí)應(yīng)無(wú)外部可見(jiàn)火焰；具有一個(gè)獨(dú)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(zhuān)門(mén)的強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)；燃燒室應(yīng)設(shè)計(jì)成防止BOG的任何積聚，燃燒器應(yīng)能在所有設(shè)計(jì)著火條件下保持穩(wěn)定的燃燒，在點(diǎn)火不良時(shí)，能切斷流向燃燒器的氣體，能從安全可達(dá)到的位置手動(dòng)隔斷BOG燃料供應(yīng)，在燃燒器熄火后可以通過(guò)惰性氣體對(duì)燃燒器的供氣管路進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)驅(qū)氣。

雙燃料柴油機(jī)、雙燃料鍋爐等燃燒BOG的設(shè)備同樣可以理解為貨物蒸發(fā)氣的熱氧化消耗裝置。

3.壓力積聚(蓄壓)系統(tǒng)

IGC Code規(guī)定的壓力積聚(蓄壓)系統(tǒng)實(shí)際上是在圍護(hù)系統(tǒng)的絕熱層及設(shè)計(jì)壓力在其操作時(shí)間和溫度下存在適當(dāng)余量的情況下，不要求附加壓力和溫度控制系統(tǒng)的一種放寬形式。

對(duì)當(dāng)下流行的薄膜型液貨艙來(lái)說(shuō)因其對(duì)蒸汽空間壓力較為敏感，在現(xiàn)有技術(shù)條件下不容易通過(guò)此種方式實(shí)現(xiàn)BOG的管理。

4.液相貨物制冷

IGC Code規(guī)定散裝LNG貨物液體可由通過(guò)安裝在液貨艙內(nèi)部或液貨艙外表面上的盤(pán)管中循環(huán)流通的冷卻劑進(jìn)行制冷。但因LNG沸點(diǎn)較低，采用此種壓力和溫度控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益不強(qiáng)，因此在LNG運(yùn)輸船行業(yè)中鮮見(jiàn)。

BOG管理技術(shù)的發(fā)展

1.傳統(tǒng)蒸汽透平主推進(jìn)裝置通過(guò)主鍋爐燃燒BOG

雖然BOG的產(chǎn)生不可避免，但在20世紀(jì)傳統(tǒng)的裝備蒸汽透平(圖5)作為主推進(jìn)裝置的傳統(tǒng)LNG運(yùn)輸船可以在主鍋爐(圖6)中便利地燃燒BOG,不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi),并且具有明顯的可靠性。

圖5 蒸汽透平

圖9 LNG運(yùn)輸船推進(jìn)模式革新

但由于BOG的自然蒸發(fā)受制于外部環(huán)境溫度、LNG純度、船舶航行的海況等諸多因素影響，因此實(shí)際航行中BOG自然蒸發(fā)量是不可控的，某些情況下，BOG可能不足以滿(mǎn)足船舶推進(jìn)及電力的燃料需求，需要將部分LNG貨物強(qiáng)制氣化（Forcing Vaporizing）以填補(bǔ)BOG不足；而船舶在港口機(jī)動(dòng)航行或在錨地時(shí)，船舶所需的推進(jìn)功率減少，又可能出現(xiàn)BOG遠(yuǎn)超出船舶推進(jìn)及電力的燃料需求的情況，這時(shí)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(guī)操作多余的BOG之外，還可處理在LNG運(yùn)輸船營(yíng)運(yùn)期間進(jìn)塢或開(kāi)艙前液貨艙升溫和惰化操作所排放出的氣體。

LNG營(yíng)運(yùn)船在開(kāi)艙前，須在將液貨艙盡可能清空后首先進(jìn)行升溫操作。將液貨艙內(nèi)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(jìn)液貨艙底，注入熱的NG會(huì)使液貨艙底殘余的LNG蒸發(fā)成BOG，與此同時(shí)液貨艙內(nèi)的溫度和壓力升高，產(chǎn)生的多余的BOG通過(guò)GCU燃燒掉，不宜直接排放大氣。

升溫操作之后，開(kāi)始惰化操作，通過(guò)惰性氣體將液貨艙中的BOG可燃?xì)怏w置換出，實(shí)現(xiàn)液貨艙的惰化。密度較大的惰性氣體通過(guò)液貨艙底部進(jìn)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(shí)際可能為BOG和惰性氣體的混合物，須通過(guò)GCU燃燒處理，不宜直接排放大氣。之后液貨艙就可以通風(fēng)直到達(dá)到人員開(kāi)艙進(jìn)入的安全狀態(tài)。

圖10 惰化操作

隨著在全球?qū)厥覛怏w控制愈趨嚴(yán)格，各國(guó)主管機(jī)關(guān)開(kāi)始加緊對(duì)BOG放空的管制，要求除非在緊急情況下，不應(yīng)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(fā)氣燃燒消耗掉)或再液化裝置(將貨物蒸發(fā)氣再液化之后輸送回液貨艙)這兩種設(shè)備成為BOG管理的必備之一。

BOG管理展望

綜合以上LNG運(yùn)輸船BOG管理的技術(shù)演化路線可知，BOG管理方案的選擇須兼顧船舶操作、主推進(jìn)型式、環(huán)保規(guī)定、新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用等一系列相關(guān)因素，一艘LNG運(yùn)輸船上也可能同時(shí)安裝有一種或多種能起到BOG管理作用的設(shè)備裝置。

LNG運(yùn)輸船進(jìn)入我國(guó)船舶視野雖然只有20余年，但LNG海上運(yùn)輸歷史確已60多年，傳統(tǒng)的LNG運(yùn)輸船僅作為L(zhǎng)NG貿(mào)易鏈的中間運(yùn)輸環(huán)節(jié)，一般執(zhí)行類(lèi)似班輪的固定航線，且與LNG購(gòu)銷(xiāo)合同(Sale and Purchase Agreement, SPA)關(guān)聯(lián)常常長(zhǎng)達(dá)20年之久，行業(yè)相對(duì)固定和封閉，LNG運(yùn)輸船在貿(mào)易鏈中最重要的作用是穩(wěn)定運(yùn)輸而非高效進(jìn)步，因此BOG的管理也在很長(zhǎng)一段時(shí)間與傳統(tǒng)的蒸汽透平推進(jìn)模式綁定。

近20年來(lái)，隨著船舶技術(shù)的不斷進(jìn)步以及全球環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)峻，LNG的使用以及LNG運(yùn)輸船的技術(shù)革新使貨物圍護(hù)系統(tǒng)(Cargo Containment System, CCS)也加快了步伐，同時(shí)LNG的季節(jié)性調(diào)運(yùn)以及短租LNG運(yùn)輸船的市場(chǎng)操作也屢屢上演，市場(chǎng)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(yùn)市場(chǎng)也受到了極大影響，在2020年新冠疫情最嚴(yán)重之際，全球部分港口受疫情影響一時(shí)無(wú)法接收LNG，相當(dāng)一批LNG運(yùn)輸船一度無(wú)法按時(shí)卸貨，在待港期間液貨艙內(nèi)BOG不斷蒸發(fā)，再液化裝置這時(shí)發(fā)揮了重要優(yōu)勢(shì)，盡可能地減少了貨主因BOG蒸發(fā)而造成的浪費(fèi)。渦輪布雷頓制型再液化裝置采用氮?dú)夂秃庾鳛槔鋮s介質(zhì)，所需系統(tǒng)裝置數(shù)量相對(duì)較少，在安全性、緊湊性和再液化效率等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。我國(guó)和韓國(guó)LNG新造船廠近年來(lái)紛紛采用該型再液化技術(shù)，搭配雙燃料主機(jī)推進(jìn)模式，形成了當(dāng)下較為流行的雙燃料推進(jìn)熱氧化消耗BOG結(jié)合部分再液化的LNG運(yùn)輸船BOG管理模式。

在2050全球氣候目標(biāo)、歐洲2030脫碳目標(biāo)以及我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”等環(huán)保愿景的大背景下，溫室氣體排放的限制將日益嚴(yán)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(shù)、新工藝和新設(shè)備取代，當(dāng)下部分LNG運(yùn)輸船上安裝的大容量雙燃料鍋爐已達(dá)到取代船上安裝GCU的技術(shù)條件。

根據(jù)近期行業(yè)分析，下一步歐洲LNG進(jìn)口將逐步從俄羅斯管道轉(zhuǎn)移至美國(guó)海運(yùn)，航行于美歐航線大西洋多變海況的LNG運(yùn)輸船也必將更加關(guān)注BOG的管理。（作者 郭顯亭）