Durante el 2017, aproximadamente un 31% de todo el gas consumido a nivel mundial fue transportado internacionalmente. Como un 65 % fue transportado vía gasoductos ( 21% del total) y algo de 35 % fue trasladado mediante el transporte del Gas Natural Licuado (GNL) (10 % del total) [1].
La mayoría del gas transportado vía gasoductos fue desde Rusia hasta Noruega y Europa Occidental y desde Canadá hacia los Estado Unidos. La región de mayor índice de importación fue la cuenca del Pacífico, principalmente Japón y Corea del Sur. Casi todo el GNL fue suministrado por el Medio Oriente, Australia, Indonesia, y Malasia.
Como se muestra en la Figura 1, el GNL es comúnmente la primera selección para los volúmenes extensos en modalidad de transporte, cuando las distancias son grandes, y cuando el suplidor y comprador son separado por un océano.
Figura 1. Opciones para el Transporte del Gas Natural
La Figura 2 muestra la eficiencia de transporte total para el gas natural [2]. Nótese que, la misma para el GNL es de un 90%. Esto se relaciona a unos 10 % para el consumo de combustible para los propósitos del transporte más licuefacción.
Note también lo empinado de la curva de los sistemas de gasoductos tendiendo desde 100% de eficiencia a distancia 0 hasta un 65% a los 800 km (4971 millas). Esto es esencialmente los requerimientos del gas combustible para la compresión a lo largo de la vía.
Figura 2. Eficiencia Nominal para el transporte del gas natural [2]
El GNL es típicamente almanseño en tanques aislados para mantenerlo en fase líquida durante periodos extensos. Como resultado de la transferencia de calor del contorno hacia los tanques una porción del GNL tiende a evaporase, lo cual se denomina el gas de despojo (GDD). En adición a este fenómeno, la referencia [3] discuto otros mecanismos posibles para el despojo del GNL tales como:
- El chapoteo de la carga: Moción líquida
- Enfriamiento de los tanques.
- Condiciones de Carga y Descarga del GNL.
- Alivio de presión en los tanques de Carga.
Si el GDD no es eliminado del tanque de almacenamiento, la presión de éste aumenta. Este es diseñado, sin embargo, para sostener estas presiones elevadas; diseños típicos es de 29 kPag (4.2 lpcm) y temperatura de diseño de -170 °C (-274 °F). Para el manejo de este fenómeno en los tanques del GNL la referencia [4] propone las siguientes alternativas para localidades costa – fuera:
- Presión adecuada de diseño de tanque
- Re-licuefacción
- Oxidación térmica e.i. combustión del GDD mediante un Sistema de quemado
- Compresión
- Compartición de combustibles e.i. diésel + GDD quemado en una unidad de combustible-dual.
La descripción de las citadas alternativas es presentada en la referencia [4]. Como ejemplo la descripción de compartir el combustible es extraída y presentada acá:
“De manera de poder igualar la generación del GDD con el consumo de combustible de las máquinas para una carga dada, compartir combustible puede aplicarse. Máquinas de combustibles duales son capaces de operar tanto con diésel así como con gas, lo cual puede emplearse para igualar las variaciones en tanto la cantidad así como la calidad del gas. Con la operación normal del gas, un 1 – 5 % del combustible piloto es requerido para darle ignición al gas. Con compartición del combustible, la cantidad del gas puede ser variado entre un 15 % y 85%, con el resto siendo diésel [4].”
Como es observado en la Figura 3, referencia [4] también presenta un Sistema simplificado para el manejo del GDD cuando se emplean unas máquinas de dos y cuatro golpes. El consumo ideal debe empatarse con la descarga del mismo gas de descarga (GDD), resultando en un balance de cero. Esto es similar a una unidad de recuperación de vapores (VRU/URV) aplicada para los tanques de condensado de los hidrocarburos así como los crudos.
Figura 3. Diagrama de bloques para un GDD manejando un Tanquero del GNL [4]
En continuación de los Previos del Mes de Agosto y Octubre (PDMs) [5,6], este estudio fue ejecutado para investigar la composición e Índice Wobbe (IW/WI) del GDD en un tanquero del GNL. Esta composición y su IW son importantes en el proceso de compartición de combustible. Un ponderado del GDD de 0.15% del total del GNL de carga para un GNL de mezcla ligera/liviana conteniendo (1%), metano (96%), etano (2%), y propano (1%), en base molar fue considerado. Las composiciones de cada componente en el GNL, y el GDD fueron determinados ensayando dos series de cómputos de punto de burbuja: uno a una presión especifica de 108 kPa (15.7 lpca), y otra a una temperatura especificada de -162 °C (-259.6 °F) y la composición resultante del GDD y GNL en el tanque. Los cómputos involucraron el equilibrio fásico liquido-vapor (ELV/VLE) y los balances de más de los componentes. El programa de diseño UniSim Design [7] y la ecuación de estado Peng – Robinson del paquete termodinámico fueron empleados para los cómputos del punto de burbuja.
Método 1: GDD a Presión Constante de 108 kPa (15.7 lpca)
Basado en la siguiente data, presunciones e información específica, un balance de materiales y cómputos EVL paso-a-paso fueron ejecutados reflejando un periodo de 10 días.
- Tiempo de Cómputo, un día
- Capacidad de almacenamiento del GNL, 170,000 m3 (6,004,372 pie3)
- Tanque aislado de almacenamiento del GNL
- GDD, 0.15 % vol por día basado en el volumen inicial del GNL
- Densidad del GNL durante el diferencial de tiempo es constante
- Composición del GNL durante el diferencial de tempo es constante
- Composición Inicial: %molar: N2=1; C1 =96; C2 =2; C3 =1
Las fracciones molares de cada componente del GDD y el remanente en el tanque de almacenamiento, temperatura de burbuja, el IW (WI) fueron calculadas y presentadas gráficamente en las siguientes secciones.
Las Figuras 4 y 5 presentan las fracciones molares del CH4 y N2 en el GDD y el GNL remanente cada día como función del viaje marítimo. Nótese que la fracción molar del N2 varía desde 0.22 hasta 0.167 y es considerable, típicamente el límite superior es 0.20.
Figura 4. Variaciones de la fracción molar del CH4 en el GNL y el GDD en los días de viaje
Figura 5. Variación de la fracción molar del N2 y GDD durante los días de viaje
La Figura 6 presenta el IW del GDD como función de los días de viaje, EL IW típicamente posee valores entre 45 a 52 MJ/m3est (1200 to 1400 Btu/pcs). De manera que, el GDD puede ser mezclado con un combustible de mayor contenido energético para cumplir con las especificaciones IW. Mayor detalle puede ser encontrado en la referencia [4].
Figura 6. Variación del IW del GDD dentro de los días de transporte marítimo
Las variaciones de la temperatura del punto burbuja del GNL de almacenaje a una presión constante de 108 kPa (15.7 lpca) como función de los días del viaje marítimo se ven en la Figura 7. Nótese la temperatura de esta función aumenta en unos 0.8 °C (1.5 °F). Esta temperatura es impactada por los componentes livianos. Mientras que la producción del GDD continua la fracción molar del N2 del GNL se reduce de 0.01 hasta 0.007 lo cual impone un leve aumento en la temperatura de burbujeo.
La Figura 8 también presenta las fracciones molares del N2 y CH4 en el almacenamiento del GNL y el GDD.
Figura 7. Variación de la temperatura del tanque de almacenaje con los días de transporte
Figura 8. Variación del N2 y el CH4 en el GNL y GDD con los días de transporte marítimo
Método 2: GDD a Temperatura Constante -162 °C (-259.6 °F)
Basada en la data específica y las presunciones similares a las del método 1, los cómputos EVL, y balance de masa fueron logrados para los primeros 10 días de un supuesto viaje del tanquero. Los resultados de la simulación incluyen: las fracciones molares y cantidades de cada componente en el GDD y el remanente GNL, presión de burbuja, y el IW del GDD. Los resultados se presentan en la las Figuras A1 al A5 del Apéndice A.
La Figura A4 del Apéndice A indica que a temperatura constante, posterior a los 10 días de viaje marítimo la presión de burbuja se merma levemente en unos 7 kPa, de118.5 to 111.6 kPa (1 lpca, de 17.2 a 16.2 lpca). Posterior a los 10 días completos, la fracción molar del N2 en el GNL se reduce de 0.01 hasta 0.007 lo cual incide en la reducción ligera del punto de burbuja.
La Figura 9 indica la variación en % molar del GNL y el GDD cuando se analiza mediante los métodos de presión y temperatura constante. La diferencia entre el % molar del N2 del GNL aplicando los dos métodos es ligera, y la máxima diferencia entre el N2 del GDD es de 1 % molar.
Figura 9. Variación del %molar del N2 en el GNL, y el GDD; presión constante GDD, vs. temperatura constante GDD
Método 3: GDD a Temperatura Constante -162 °C (-259.6 °F) para Viaje de 1-Dia Validación
Para revisar la validez y certeza del tiempo diferencial de un día, este fue ajustado a 2.4 horas y los cómputos completados para un viaje de duración de un día (10 pasos incrementales). Basado en la data específica y otras presunciones similares al Caso No. 2, los cómputos de EVL y balance de materiales fueron ejecutados para un viaje de duración de un día. Los resultados de simulación incluyendo la fracción molar de cada componente en el GDD y el GNL remanente, la presión de burbuja y el IW del GDD se presentan en la Figuras B1 al B5 del Apéndice B. Buena comparación fue obtenida entre el primer día del viaje de 10 días y el computo de pasos incrementales de 2.4 horas equivalentes a un día. Esto confirma que la presunción de un tiempo incremental de un día para este tipo de computo es válido y aceptable.
RESUMEN
El GDD de un tanquero del GNL puede ser aplicado para abastecer de combustible las máquinas de la nave, así como las auxiliares, o para generar vapor. Sin embargo, un buen estimado de la composición e IW se requieren para para compartir este combustible y proporcionar combustible de maquina adecuado. Basado en el trabajo de este PDM, se pude concluir lo siguiente:
- Dependiendo en el nivel del N2 en el GNL el IW solo puede no cumplir con los requerimientos para las máquinas de la nave o las auxiliares. Para un viaje de 10 dias el IW vario entre unos 36.5 hasta 39.8 MJ/ m3 (979 a 1069 Btu/pcs), ver las Figuras 6 y B3. El GDD puede ser mezclado con un combustible de mayor carga energética para cumplir con las especificaciones del IW.
- Bajo condiciones ideales de los dos métodos del GDD a presión o temperatura constante,
- la variación de la temperatura/presión del punto de burbuja de la carga fue algo de 8 °C (1.5 °F) o unos 7 kPa (1 lpc), (Figuras 7, B4 y C4). La diferencia entre el % molar del N2 y el GNL en ambos métodos es mínima y la máxima diferencia entre el GDD y el % molar del GDD y el % molar del N2 en los dos métodos es algo de 1 % (Figura 9).
- las propiedades del GDD vario linealmente como función de los días de viaje marítimo.
- el tiempo diferencial de un día es adecuado para llevar a cabo los computes EVL y los balances de masa.
Tanqueros modernos del GNL tales como el Q-flex ( 210,000 m3 GNL) y el Q-max (266,000) m3 GNL) son diseñados con un sistema de recuperación del GDD, empleando el sistema Hammworthy de ciclo de nitrógeno para el proceso de licuefacción. Los cargadores modernos aplican combustible diésel MAN B&W 7S70 ME-C de dos ciclos y baja revolución el cual es controlado por sistemas electrónicos. Esta configuración evita las pérdidas del GDD en los citado tanquero modernos.
Para informarse adicionalmente sobre casos similares y como minimizer los problemas operacionales, le sugermioms su asistencia a nuestras sesiones técnicas G4 (Gas Conditioning and Processing), G5 (Practical Computer Simulation Applications in Gas Processing), G29 LNG (Short Course : Technology and the LNG Chain), and G4 LNG (Gas Conditioning and Processing-LNG Emphasis)
By: Mahmood Moshfeghian, Ph.D.
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References
1. BP Statistical Review of World Energy 2018
2. AA Amos, Special Report International Gas Trade: Drive to Lower Transportation Costs.” Oil and Gas Journal Volume 98, Issue 20, Pages 62-67, 15 May 2000
3. GTT (Gas Transportation Technigaz), Boil-off Clarifications, https://www.gtt.fr/en/media-center/gtt-inside/boil-off-clarifications, Jun 2019
4. B. Nygard, “Boil-Off Gas handling onboard LNG fueled ships,” https://www.wartsila.com/twentyfour7/in-detail/boil-off-gas-handling-onboard-lng-fuelled-ships, June 2019
5. KS McGregor and FE Ashford, “https://www.petroskills.com/blog/entry/00_totm/aug19-fac-a-primer-on-lng#.XWSVruNKjcc,” PetroSkills tip of the month, Aug 2019
6. KS McGregor and FE Ashford, “https://www.petroskills.com/blog/entry/00_totm/oct19-fac-useful-lng-conversions#.XacteJJKjcc /,” PetroSkills tip of the month, Oct 2019
7. UniSim Design R443, Build 19153, Honeywell International Inc., 2017
Apéndice A
Método 2: GDD a Temperatura Constante -162 °C (-259.6 °F)
- Tiempo incremental, un día
- Capacidad de almacenamiento del GNL, 170,000 m3 (6,004,372 pie3)
- Tanque de almacenamiento del GNL aislado
- Caudal del GDD, 0.15 % Vol por día basado en el volumen inicial del GNL
- Densidad del GNL durante el periodo incremental es constante
- Composición del GDD durante el tiempo incremental es constante
- Composición del GNL Inicial, % molar: N2=1; C1 =96; C2 =2; C3 =1
Figura A1. Variación de la fracción molar del CH4 en el GNL y GDD con días de viaje
Figura A2. Variación de la fracción molar del N2 en el GNL y GDD con días de viaje
Figura A3. Variación del IW en el GDD con días de viaje
Figura A4. Variación de la presión del tanque de contención con días de viaje
Figura A5. Variación de la fracción molar del N2 y CH4 en el GNL y GDD con días de viaje
Apéndice B
Método 2: GDD a Temperatura Constante -162 °C (-259.6 °F)
- Tiempo incremental, 2.4 horas
- Capacidad de almacenamiento del GNL, 170,000 m3 (6,004,372 pie3)
- Tanque de almacenamiento del GNL aislado
- Caudal del GDD, 0.15 % Vol por día basado en el volumen inicial del GNL
- Densidad del GNL durante el periodo incremental es constante
- Composición del GDD durante el tiempo incremental es constante
- Composición del GNL Inicial, % molar: N2=1; C1 =96; C2 =2; C3 =1
Figura B1. Variación de la fracción molar del CH4 en el GNL y GDD con días de viaje: tiempo incremental de 24 hrs vs tiempo incremental de 2.4 hrs
Figura B2. Variación de la fracción molar del CH4 en el GNL y GDD con días de viaje: tiempo incremental de 24 hrs vs tiempo incremental de 2.4 hrs
Figura B3. Variación del IW en el GDD con viaje en hrs: tiempo incremental de 24 hrs vs tiempo incremental de 2.4 hrs
Figura B4. Variación de la presión del tanque de contención con viaje en hrs: tiempo incremental de 24 hrs vs tiempo incremental de 2.4 hrs
Figura B5. Variación de la fracción molar del N2 y el CH4 en el GNL y GDD con días de viaje: tiempo incremental de 24 hrs vs tiempo incremental de 2.4 hrs
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