LNG运输船蒸发气管理最新动向

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、船舶航行的海况等诸多因素影响，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海况的LNG运输船也必将更加关注BOG的管理。（作者 郭显亭）