Gestione del Boil-Off Gas sulle navi metaniere: ricondensazione rispetto alla compressione

Gestione del Boil-Off Gas sulle navi metaniere: ricondensazione rispetto alla compressione

Il calore penetra nel serbatoio del carico di GNL attraverso l'isolamento. Non si può fermare. Ciò che si ottiene è vapore — boil-off gas (BOG) — che aumenta la pressione all'interno del sistema di contenimento del carico e deve essere gestito continuamente, in ogni viaggio, non solo quando diventa un problema. Se si lascia salire la pressione, si deve sfiatare, si perde carico e, sulle navi moderne, si incorre in una non conformità normativa. In un passaggio a pieno carico, la portata di BOG segue il tasso di evaporazione (BOR):

BOR (kg/h) = [Q_total × (1 − x)] / H_vap

dove Q_total è l'ingresso di calore totale nel sistema del carico (W), x è la frazione di massa liquida e H_vap è il calore latente di vaporizzazione della miscela di GNL (J/kg). Ogni chilogrammo all'ora di BOG non gestito è prodotto perso, combustibile non bruciato o carico del compressore per il quale si è pagata potenza all'albero. Scegliete la rotta di gestione — ricondensazione rispetto al flusso di invio, compressione diretta a combustibile o riliquefazione a bordo — e avrete scelto il vostro costo operativo, la flessibilità del viaggio e quanto la nave si adatta al terminale.

Le tre rotte di gestione

Rotta 1: Compressione del BOG per il combustibile di propulsione o GCU

La rotta più vecchia e semplice. Si comprime il vapore dai serbatoi del carico e lo si invia all'impianto di propulsione principale — turbine a vapore che bruciano direttamente il boil-off sulle navi più vecchie, motori a iniezione di gas ad alta o bassa pressione sui moderni vascelli dual-fuel. Una Gas Combustion Unit (GCU) funge da backup di sicurezza per quando la domanda di propulsione non può consumare tutto il BOG generato.

La sola compressione non recupera il BOG come carico liquido. In navigazione lenta a pieno carico, la domanda di propulsione può essere inferiore al tasso di generazione del BOG; l'eccedenza va alla GCU e quel carico è perso. LNG Industry osserva che i compressori alternativi offrono una migliore parzializzazione per tassi di BOG variabili, mentre le macchine centrifughe sono adatte per operazioni a regime stazionario ad alta produttività, ma presentano una sensibilità al pompaggio che richiede un attento controllo anti-pompaggio.

Rotta 2: Ricondensazione rispetto al flusso di invio

Al terminale di ricezione, le pompe di invio del GNL ad alta pressione spingono il liquido verso i vaporizzatori. La ricondensazione inserisce un tamburo di miscelazione tra le pompe del carico e le pompe ad alta pressione: si comprime il BOG a una pressione intermedia, lo si inietta nel GNL sottoraffreddato proveniente dai serbatoi del carico e il vapore condensa nuovamente in liquido. Da lì il flusso combinato prosegue verso le pompe di invio ad alta pressione.

Efficiente dal punto di vista energetico — a condizione di avere un grande flusso di invio che funga da pozzo freddo. Il dimensionamento del tamburo del ricondensatore e il rapporto tra il flusso di massa del BOG e il flusso di GNL liquido determinano se si ottiene una condensazione completa. Se si riduce la velocità di invio — avvio del terminale, scarico parziale, prelievo lento — il pozzo freddo si restringe. La ricondensazione diventa incompleta. A questo punto è necessario un bypass verso la GCU, oppure si limita il flusso della pompa del carico.

Rotta 3: Riliquefazione a bordo

I sistemi di riliquefazione comprimono il BOG ad alta pressione e lo raffreddano nuovamente alla temperatura di saturazione utilizzando un ciclo di refrigerazione dedicato, restituendo il liquido ai serbatoi del carico. Sono state studiate diverse configurazioni di ciclo.

Un'ulteriore configurazione — la riliquefazione diretta che utilizza il GNL sottoraffreddato come sorgente fredda senza un circuito di refrigerazione dedicato — è stata esaminata in Energy (2020, vol. 199).

Valutazione comparativa

Numeri omessi dalle celle della tabella dove non è disponibile alcun valore della fonte attribuita; descrittori qualitativi utilizzati ovunque.

Decision Framework by Voyage Length and Terminal Type

Tratte brevi a carico con terminali convenzionali

Tratta breve a carico, terminale con un tasso di invio elevato e costante: la ricondensazione è la via da preferire. Il BOG generato durante il transito è destinato al combustibile per la propulsione; una volta che la nave è ormeggiata, il ricondensatore preleva il vapore residuo dallo scarico. Il flusso di invio del terminale è il vostro pozzo freddo e non richiede macchinari di refrigerazione extra. Mantenere la GCU pronta per i tratti in cui il tasso di invio diminuisce.

Tratte lunghe a carico o viaggi spot-charter

Le tratte lunghe a carico — rotte transoceaniche con molto tempo in mare prima di raggiungere un terminale — generano BOG più velocemente di quanto la propulsione possa bruciarlo, e lo slow steaming peggiora la situazione. È qui che la riliquefazione a bordo ripaga i costi di capitale e di energia: preserva il carico che altrimenti la GCU distruggerebbe.

Unità galleggianti di stoccaggio e rigassificazione (FSRUs)

Le FSRUs sono un problema ibrido. Durante l'invio, la ricondensazione contro il flusso ad alta pressione è la rotta dominante, esattamente come in un terminale onshore. Inattivo o a basso invio, il ricondensatore non ha un pozzo freddo e il BOG deve andare alla GCU o a una capacità di riliquefazione supplementare. Se si stanno specificando le apparecchiature FSRU, assicurarsi che il sistema di controllo del ricondensatore possa gestire rapide transizioni del tasso di invio senza escursioni di pressione nei serbatoi del carico.

Illustrative Scenario

Quello che segue è un esempio illustrativo costruito per dimostrare la logica decisionale; non rappresenta una nave o un progetto specifico.

Una nave metaniera di classe Q-Flex è designata per una traversata a carico di circa 21 giorni da un terminale di esportazione in Medio Oriente a un terminale di importazione nel Nord-Ovest Europa che opera a un tasso di invio ridotto a causa della domanda stagionale. La nave è dotata di motori principali a doppia alimentazione e di una GCU, ma non di un impianto di riliquefazione a bordo.

Nella prima settimana, la domanda della propulsione assorbe la maggior parte del BOG. Successivamente, la nave si avvicina al porto di consegna e rallenta per motivi di programmazione, e la domanda della propulsione scende al di sotto del tasso di generazione del BOG. La GCU si attiva per consumare il vapore in eccesso. All'arrivo, il tasso di invio del terminale è insufficiente per fornire un pozzo freddo di ricondensazione completo, quindi una parte del BOG durante lo scarico viene convogliata al sistema del gas combustibile del terminale stesso invece di essere ricondensata.

Il risultato: una perdita di carico misurabile rispetto a una nave dotata di capacità di riliquefazione parziale. La conclusione del quadro decisionale per questa combinazione di rotta e terminale è che un impianto di riliquefazione a bordo — anche se dimensionato per il recupero parziale del BOG piuttosto che per la riliquefazione totale — ridurrebbe il consumo della GCU e preserverebbe il carico nella tratta a velocità ridotta.

Pre-Voyage and Equipment Selection Checklist

• Ottenere il tasso di invio nominale e minimo del terminale ricevente, confrontarlo con il tasso di generazione del BOG previsto durante lo scarico e dimensionare il corpo del ricondensatore e il rapporto liquido-BOG in base a questi dati.
• Stabilire la durata della tratta a carico secondo il profilo di velocità contrattuale; se le ore di funzionamento della GCU in condizioni di slow steaming superano una soglia accettabile, valutare la riliquefazione a bordo.
• Verificare il turndown del compressore rispetto al tasso minimo di BOG previsto (viaggio in zavorra, serbatoi raffreddati) per evitare di operare in surge o riciclare eccessivamente.
• Per la selezione dell'impianto di riliquefazione, confrontare i cicli a refrigerante misto del compressore a temperatura normale rispetto alle rotte di condensazione diretta del GNL sottoraffreddato in base alla temperatura del carico prevista a metà viaggio.
• Confermare che la capacità della GCU copra il massimo tasso di BOG credibile (alta temperatura ambiente, pieno carico, massimo ingresso di calore) come backup di sicurezza, indipendentemente dalla rotta di gestione primaria scelta.
• Rivedere la filosofia di controllo del ricondensatore per rapidi cambiamenti del tasso di invio: il sistema di controllo deve impedire il passaggio di BOG nella linea di invio ad alta pressione.
• Per qualsiasi intervento di manutenzione sui compressori BOG o sull'impianto di riliquefazione: applicare l'isolamento completo di aspirazione e mandata, depressurizzare fino a pressione zero verificata, confermare lo stato di energia zero, applicare LOTO, verificare l'assenza di atmosfera infiammabile con rilevamento gas calibrato e garantire lo sfiato sicuro verso un montante di sfiato approvato o un collettore di torcia prima di aprire il contenimento.
• Allineare la strategia di gestione del BOG con i requisiti IMO applicabili per le navi gasiere e con il Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) approvato della nave.

Conclusion

Nessuna singola rotta di gestione del BOG è ottimale in tutte le condizioni operative. La ricondensazione è la soluzione corretta nei terminali con tassi di invio elevati e costanti e per i traffici a corto raggio dove le finestre di scarico dominano il bilancio del BOG. La compressione per il combustibile da propulsione più il backup della GCU è adeguata per viaggi di media durata su navi dove il profilo della domanda di propulsione segue da vicino la generazione di BOG. La riliquefazione a bordo diventa giustificata dal punto di vista economico e operativo nei lunghi viaggi a carico, nei contratti slow steaming e dove la conservazione del carico è commercialmente critica.

Il passo successivo per ogni team di progetto è modellare la curva di generazione del BOG prevista durante l'intero viaggio — tenendo conto della temperatura ambiente, della temperatura del porto di carico e del profilo di velocità — e sovrapporla alla curva della domanda di combustibile per la propulsione e alla capacità di invio del terminale. Tale modello, piuttosto che una specifica generica delle apparecchiature, dovrebbe guidare la progettazione del sistema di gestione del BOG e il dimensionamento del compressore e dell'impianto di riliquefazione.