船運LNG到港計量交接作業及常見問題的解決措施

摘 要

摘要：船運LNG的到港計量交接一直是多方關注的重點。為此，根據大宗LNG國際貿易的特點，參考冷凍液烴取樣、分析和計算的國際現行標準，結合LNG卸貨工藝，介紹了船運LNG到港計量交接的
摘要：船運LNG的到港計量交接一直是多方關注的重點。為此，根據大宗LNG國際貿易的特點，參考冷凍液烴取樣、分析和計算的國際現行標準，結合LNG卸貨工藝，介紹了船運LNG到港計量交接的程序：采用靜態測量的方法對到港LNG的體積進行計量；應用標準的取樣流程對卸貨LNG進行氣化取樣，利用色譜分析法對LNG樣品進行組分分析；通過LNG密度計算、單位質量熱值計算和返艙BOG能量計算來確定到港LNG貿易交接的總熱值，并給出了計算示例；最后對計量操作中經常遇到的樣品缺失、船艙超壓導致的天然氣損失、船型差異、未完成計量前的準備工作便開始進行計量、買賣雙方對買賣合同條款理解的分歧等問題進行了分析，并提出了相應的解決措施。
關鍵詞：LNG船運；到港計量交接；靜態測量；氣化取樣；色譜分析；熱值；獨立第三方檢驗機構
    開發、利用天然氣資源已成為許多國家實施能源結構調整和可持續發展的重點戰略[1～10]。液化天然氣(LNG)作為商品天然氣的一種特殊形式，以其運輸和存儲的便捷性和靈活性在解決全球天然氣資源地域分布不均與市場需求之間的特殊矛盾中發揮了重要的作用[11]。
    LNG船是大宗LNG國際貿易中的主要運載工具。在安全運載的同時，如何能對船運LNG進行準確的計量是買賣雙方、船方及當地政府等所關心的一個重要問題[12]。在長期的船運貿易發展中，LNG計量交接已形成了一套統一的國際標準化流程，筆者就目前普遍存在的LNG目的港船上交貨(DES)的貿易形式，對到港LNG的計量方式、程序、取樣分析及計算方法、常遇到的問題與解決措施等進行了闡述與分析。
1 LNG到港計量交接作業
1.1 計量方式
    從原理上講，LNG與原油、液化石油氣(LPG)等液態石油產品類似，可通過動態和靜態兩種方式進行計量。但由于LNG的超低溫(-162℃)和易揮發等特性，目前尚不能簡單地用流量計對其進行實時動態測量，現行的LNG國際標準僅對靜態計量方式進行了嚴格的約定。LNG到港靜態計量與油品的靜態計量類似，都是通過測量船舶儲罐液位等參數后計算其體積，再利用密度計算其質量，但由于兩者的物理性質、貿易結算方式等存在差異，導致LNG靜態計量所選用的設備和計算方法等均與油品的靜態計量有所不同[13]。
1.2 常用標準及其應用范圍
    目前，全球LNG接收站(包括國內已經投入運營的廣東大鵬LNG、上海LNG和福建LNG接收站)的到港計量交接多采用IS0、ASTM、GPA等制訂的國際標準[14]，常用標準及其應用范圍如表1所示。國家標準GB/T 11062、GB/T 13610等均為同等或非等效采用相應的國際標準；另外，由于國內LNG工業尚處于起步階段且LNG買賣均涉及外方，因此，相關國家標準在實際LNG到港計量交接中尚未得到廣泛的應用[15～16]。

1.3 計量程序
    到港LNG的計量是由獨立檢驗第三方或在獨立檢驗第三方的見證下完成的。歷時50年的發展，LNG到港貿易交接已漸漸地形成了一套完整、精確的計量程序，其計量交接流程圖如圖1所示。
 

1.3.1船艙液位測量
一般LNG船的每個液貨艙都要配備1套主液位測量裝置和1套輔助液位測量裝置。2套測量裝置應該基于兩種不同的工作原理，主液位測量裝置發生故障時使用輔助液位測量裝置。通常每個LNG液貨艙裝有一套雷達液位計作為主液位測量裝置，1套浮子液位計作為輔助液位測量裝置[17]。液位讀數時應至少連續讀取5次，最后取幾次讀數的算術平均值作為LNG液位值，結果應至少精確到0.1mm。
1.3.2氣、液相溫度測量
除了買賣雙方的特殊要求，每個液貨艙都應至少設置5個溫度傳感器，其中1個用于測量蒸發氣(BOG)的溫度，其余用于測量LNG的溫度。艙頂和艙底應各安裝1個溫度傳感器，分別用于連續測量BOG和LNG的溫度。其余的溫度傳感器應該垂直平均分布在艙頂與艙底之間[18]。
1.3.3船艙壓力測量
每個液貨艙都應該配備1個絕對壓力計(用于交接計量計算)和1個相對壓力計(用于實際操作)。船艙壓力取各艙壓力測量值的算術平均值，結果應至少精確到0.01kPa。
1.3.4樣品采集
    LNG到港卸貨一般包括3個階段：卸貨管線預冷、全速卸貨和卸貨泵減速(如需掃艙則開啟掃艙泵進行掃艙)。當LNG達到全速卸貨時，由裝在LNG接收站卸貨總管上的在線取樣裝置進行樣品收集。在線取樣裝置分為連續取樣和非連續取樣兩種，無論哪種取樣裝置的基本原理都是將LNG均勻氣化后加壓勻速導入取樣瓶中[15]。
1.3.5組分分析
    LNG樣品通過氣相色譜分析儀進行組分分析，分析方法包括在線色譜分析與手動取樣分析。LNG樣品組分分析應至少包括C1～C5+、N2、C02、02、H2S與總硫含量的分析[20～26]。色譜載氣與標準氣的選擇應符合相應規范的要求[27]。
1.4 LNG貿易交接
    目前，大宗LNG貿易一般采用熱值為單位進行貿易交接。由于LNG質量受組分、溫度等影響較大，因此，熱值交接是對買賣雙方都較為公平的一種貿易方式。
1.4.1 LNG體積計算
    到港LNG卸貨體積由船艙卸貨前體積減去卸貨后體積得到。
    船艙體積由船艙液位所決定，LNG船貿易交接計量系統(custody transfer measurement system，CTMS)可以自動記錄船艙液位、校正船舶橫傾和縱傾對液位造成的影響并自動核算LNG體積。同時，獨立檢驗第三方也可以通過CTMS在卸貨前、后所打印出的數據單，利用LNG船方提供的艙容一液位對照表直接查取并計算LNG體積，進而對CTMS所自動核算的LNG體積進行校核，最終對比計算得出LNG到港交接體積。CTMS在記錄船艙液位的同時還可以記錄BOG溫度、LNG溫度和船艙壓力等重要參數。
1.4.2 LNG密度計算
利用色譜分析所得到的LNG組分含量，結合CTMS記錄的LNG溫度，采用相應規范所提供的體積校正因子，用Klosek-Mckinley公式[28]即可計算出LNG的密度：
 
式中d為LNG密度，kg/m3；Xi為i組分的摩爾分數，%；Mi為i組分的摩爾質量，g/mol；Vi為i組分的摩爾體積，m3/kmol；K1、K2為體積修正系數，m3/kmol；Xn為氮氣的摩爾分數；Xm為甲烷的摩爾分數。
1.4.3 LNG單位質量高熱值計算
LNG單位質量高熱值可以通過下式[29]進行計算：
 
式中Hm為LNG單位質量高熱值，MJ/kg；Hi為組分的單位質量高熱值，MJ/kg。
1.4.4返艙BOG熱值
LNG到港卸貨期間，為保證船艙壓力穩定，岸上一部分BOG需通過氣相臂返回到船艙中，返氣體積為卸貨體積，返艙BOG熱值可以按照下式進行計算：
 
式中Qgasdisplaced為返艙BOG的熱值，MJ；V1為返艙BOG的體積，m3；Tv為卸貨后船艙內BOG的溫度，℃；p為卸貨后船艙內壓力，10-1kPa。
1.4.5到港卸貨交接總熱值
    LNG船到港卸貨交接的總熱值可劃分為兩部分，一部分為卸貨LNG的熱值，另一部分為返艙BOG的熱值，具體可按照下式進行計算：
    Q=V2dHm-Qgasdisplaced    (4)
式中Q為到港卸貨LNG的總熱值，MJ；V2為到港卸貨LNG的總體積，m3。
目前，國際上存在兩種LNG計量時的參比溫度(15℃與20℃)，應用不同的參比溫度，計量結果也會有所不同。筆者主要以常用的15℃作為參比溫度進行論述分析。LNG國際貿易中多以百萬英熱制單位(MMBtu)作為交接單位，在15℃、101.325kPa條件下，MJ與MMBtu的換算按下式計算：
 
2 計量交接中常遇問題與解決措施
2.1 樣品缺失問題
    取樣裝置出現故障或人為失誤等都會導致卸貨完成后沒有合格的樣品作為最終結算依據。由于卸貨作業已經完成，已無法再次獲取樣品進行分析，此時應由獨立檢驗第三方利用其數據庫資源，查取距離卸貨日期最近的相同裝載港的5艘以上LNG船貨物的組分資料，對其加權平均后作為最終的組分依據進行結算。
2.2 船艙超壓導致天然氣損失
    由于卸貨初期卸料臂(管線)預冷階段會產生大量的BOG，導致船岸LNG儲罐的壓力有所升高，此時，岸方BOG壓縮循環系統為調節整個船岸壓力的主要系統。若壓縮機故障或閥門故障等原因導致船方無法向岸方泄壓，則LNG船艙壓力將迅速升高，此時，為保證LNG船在港作業安全，船方只能采取直接排空或燃燒的方式進行泄壓。獨立檢驗第三方應將此部分卸貨期間損失的天然氣計入檢驗報告，待卸貨完成后，由買賣雙方與獨立檢驗第三方再行商議責任損失承擔方。
2.3 船型差異問題
    目前，LNG船逐步向大型化、經濟化方向發展，近年來建造的Q-FLEX與Q-MAX船的工藝流程等較以往的常規中小型LNG船發生了較大變化。QFLEX與Q-MAX船型的BOG處理系統為液氮冷凝系統，啟停1次的時間約90min，而以往常規中小型LNG船的BOG處理系統為燃料燃燒系統，可隨時啟停。由于計量期間要求BOG處理系統全部關停，而Q-FLEX與Q-MAX船型的BOG壓縮系統啟停1次的時間較長，很容易導致船艙超壓，因此，在實際計量過程中為了保證LNG船在港期間的作業安全，避免產生更大的損失，獨立檢驗第三方應根據實際情況及時計量，以便盡早開啟氣相閥門卸貨，使船艙壓力得以釋放。由于提前計量而未計入BOG系統管道內的天然氣量及其不確定度應由獨立檢驗第三方進行估算后計入檢驗報告，由買賣雙方自行協商責任損失承擔方。
2.4 未完成計量前的準備工作便開始進行計量
    LNG船到港計量分為卸貨前計量與卸貨后計量，計量前LNG船艙應該是一個封閉、穩定、安全的系統。卸貨前計量應在完成船岸通訊連接、關閉BOG處理系統和完成緊急關斷系統(ESD)測試的情況下進行，若未做好充分的準備工作則會導致計量不準確，計量后出現無法正常卸貨導致二次計量。卸貨后計量應在液相卸料臂與氣相卸料臂均吹掃完畢后再進行計量，由于船岸操作理念不同，有些船方習慣于在吹掃完液相臂后即要求進行計量，此時氣相臂中仍有一部分天然氣未參與計量，從而導致計量結果不準確。在實際計量操作中，獨立檢驗第三方應嚴格按照操作程序執行計量作業，避免人為因素干擾計量結果。
2.5 買賣雙方對買賣合同條款理解的分歧
目前，國際與國內簽汀的買賣合同多使用具有法律效力的英文。由于買賣雙方對合同語言的理解不同或操作習慣不同，容易在日常計量交接中產生分歧。在這種情況下，應該由獨立檢驗第三方進行裁決，首先保證安全、按時卸貨，待檢驗報告出具后，若買賣雙方仍存在爭議，再另行討論、解決。
3 貿易交接總熱值的計算示例
以LNG船“Al Nuaman”2010年6月2日抵達深圳大鵬港為例，計算分析到港卸貨LNG的總熱值。其中，參比溫度為15℃、壓力為101.325 kPa。
3.1 LNG體積、液相溫度、氣相溫度和氣相壓力
LNG的體積、液相溫度和氣相溫度均由船上的CTMS系統獲取。
3.2 LNG密度計算
3.2.1到港LNG組成
通過氣相色譜分析，得知到港LNG的氣質組成為：甲烷摩爾分數為93.08%，乙烷摩爾分數為6.77%，丙烷摩爾分數為0.07%，氮氣摩爾分數為0.08%。
3.2.2 Mi、Hi、Vi、K1、K2等參數的確定
Mi、Hi、Vi均可從標準中直接查取，根據買賣合同條款中引用的標準不同，所采用的參數也有所不同。到港LNG各組分的摩爾質量(Mi)與單位質量高熱值(Hi)如表2所示[29]；各組分在不同溫度下的摩爾體積(Vi)如表3所示[28]；體積修正系數K。值如表4所示；體積修正系數K2值如表5所示[30]。
 

3.2.3混合物分子量(M)
   M=∑XiMi=16.043×93.08%+30.070×6.77%+44.097×0.07%+28.013×0.08%=17.022
3.2.4 LNG密度(d)
根據LNG液相平均溫度與混合物分子量(M)，可以在表3～5中利用線性插值法求得相應溫度下各組分的摩爾體積(Vi)與體積修正系數(K1、K2)值，結果見表6。
 

    根據式(1)可計算出LNG密度為439.71kg/m3。
3.3 單位質量高熱值(Hm)計算
    根據式(2)可以求得單位質量高熱值(Hm)為55.058MJ/kg。
3.4 返艙BOG熱值計算
根據式(3)可以求得返艙BOG的熱值為19340134MJ。
3.5 LNG到港交接總熱值計算
    根據式(4)可計算出LNG到港交接總熱值為4968578317MJ(4709020MMBtu)。
4 結束語
    采用靜態測量的方法，結合LNG取樣、分析、計量的現行國際標準，通過實例對船運LNG到港計量交接作業進行了論述，討論了實際操作過程中的常見問題，并提出了相應的解決措施，為國內LNG貿易計量交接提供了參考。由于LNG的到港計量必須與卸貨工藝相結合，因此，在實際操作中獨立檢驗第三方應與工藝操作人員進行充分的溝通，嚴格按照操作規程完成計量工作，做好所有船岸計量系統和分析裝置的標定與校驗工作，準備好相應的應急預案。
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(本文作者：邢輝 張榮旺 中海油氣電集團國際貿易有限公司)