LNG加注规程评估与优化

评估现有的液化天然气加注作业操作规程

摘要

国际海事组织2020年规定（IMO 2020）是由国际海事组织制定的一项法规，要求将氮氧化物排放减少80%，并限制海上运输所用燃料中的硫含量为1000 ppm。这迫使远洋船舶必须采用更清洁、可持续的燃料，以减少传统重质燃料油（HFO）所产生的排放。液化天然气（LNG）已成为一种符合新排放标准的有前景且长期可行的解决方案，但船舶使用液化天然气的技术仍处于发展初期。液化天然气的低温特性要求为液化天然气加注作业配备特殊的基础设施和操作规程。然而，文献中提出的程序似乎仅停留在概念或想法层面，缺乏详细的定量评估。本研究利用液化天然气加注系统的Unisim动态模拟（DS）模型，对现有的液化天然气加注操作规程进行了全面评估。当前操作规程中存在的主要缺陷包括：a）惰化和吹扫过程耗时较长；b）频繁进行惰化和吹扫操作导致温室气体排放（甲烷/二氧化碳）增加；c）惰性气体成本较高；d）压力管理不当导致蒸发气（BOG）生成量增加。这些不足将对液化天然气加注系统的安全性和运行成本产生重大影响，尤其是在繁忙的加注港口/设施中。

关键词 ：液化天然气，加注，船用燃料，国际海事组织2020年规定

引言

传统上用于海上运输的船用燃料重油（HFO）会排放大量硫和颗粒物。为了减少远洋船舶的这些排放，国际海事组织（IMO）从2020年1月1日起实施了一项新规定IMO2020（海洋，2008年）。这迫使许多航运公司和监管机构必须提出符合新标准的解决方案。提出的若干替代方案包括：(a) 使用配备洗涤器的HFO，(b) 使用硫含量较低的船用柴油（MDO），以及(c) 使用液化天然气（LNG）等替代燃料。对这些替代方案的深入评估表明，HFO存在洗涤器安装成本高和洗涤后废物处理困难的问题，而生产低硫船用柴油的成本也非常高。另一方面，液化天然气（主要成分为甲烷）是目前可用的最便宜的低碳强度化石燃料，因此成为最有前景且可持续的长期解决方案（丹麦海事局，2012年）。

与重质燃料油不同，液化天然气在低温条件（约1.2个大气压和113 K）下储存在高度真空隔热的大型储罐中（韩和林，2012）。因此，液化天然气在输送过程中需要特殊的处理和程序。因此，开发一种可靠的
液化天然气加注系统对于实现向更清洁燃料的过渡至关重要。尽管LNG作为船用燃料的优势显著，但在实际应用中仍面临诸多挑战，特别是在加注操作的安全性、效率和环境影响方面。现有加注规程普遍依赖于传统的惰化与吹扫流程，以确保管道和储罐在加注前后处于安全状态，防止可燃气体混合物形成。然而，这些流程往往基于经验性做法，缺乏系统性的动态性能评估。

本研究采用Unisim Design Suite中的动态模拟（DS）模块构建了完整的LNG加注系统模型，涵盖储罐、泵、管道、阀门及BOG（蒸发气）回收系统等关键组件。通过设定典型加注场景，对启动、连接、预冷、加注、断开及后续吹扫等各阶段的操作参数进行动态追踪，重点分析压力、温度、相态变化以及气体排放行为。模拟结果揭示了现行规程中若干关键瓶颈。

首先，惰化与吹扫过程普遍采用连续氮气置换法，虽能有效控制氧浓度，但耗时长达2–3小时，严重影响加注作业周转效率。其次，频繁的氮气吹扫不仅推高运营成本（氮气制备与储存费用），还导致大量甲烷随废气排出，加剧温室效应。此外，在压力泄放阶段，由于缺乏有效的BOG回收策略，储罐内蒸腾气体被直接排放至大气或燃烧处理，造成资源浪费并增加碳足迹。

进一步分析表明，优化压力控制策略可显著降低BOG生成速率。例如，在预冷阶段引入分级降压与回流冷却机制，能够减小热冲击并稳定系统压力；在加注完成后采用闭路循环吹扫（即利用低温LNG蒸汽替代纯氮气进行管线清理），可在保证安全性的同时减少惰性气体消耗和甲烷逸散。

综上所述，当前LNG加注操作规程在时间效率、经济性和环保性方面均存在明显短板。基于动态模拟的量化评估为改进现有流程提供了科学依据。未来工作应聚焦于开发智能化、闭环式的加注管理系统，集成实时监测、预测控制与BOG再液化技术，以提升整体加注设施的可持续性与商业竞争力。