再液化系統(tǒng)在LNG船上的實(shí)際應(yīng)用

王 磊 徐 立 陸陳康（中國船級社上海分社 上海200135）

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再液化系統(tǒng)在LNG船上的實(shí)際應(yīng)用

王 磊 徐 立 陸陳康
（中國船級社上海分社 上海200135）

［摘 要］LNG船存在的突出問題是LNG吸收外界熱量揮發(fā)而造成貨損，而利用再液化裝置將揮發(fā)的低溫天然氣（Boil Off Gas，簡稱BOG）重新冷凝液化并輸送回液貨艙是目前LNG船處理BOG的主要方式之一。文中首先介紹了再液化原理及分類；然后對全部再液化系統(tǒng)的設(shè)備組成、工作流程及操作模式在LNG船上的應(yīng)用進(jìn)行分析；最后，展望了未來LNG船安裝再液化系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢。

［關(guān)鍵詞］低溫天然氣；再液化系統(tǒng)；工作流程；操作模式

徐 立（1966-），男，博士后，高級工程師，研究方向：船舶檢驗(yàn)。

陸陳康（1964-），男，高級工程師，研究方向：船舶檢驗(yàn)。

引 言

由于油價上漲及大氣污染日益嚴(yán)重，致使新能源LNG需求量逐年增加，全球每年LNG運(yùn)輸貿(mào)易量也急劇增加，LNG船作為運(yùn)輸貿(mào)易主要的貨運(yùn)手段，當(dāng)前突出問題是LNG吸收外界熱量揮發(fā)造成貨損，揮發(fā)的低溫天然氣（Boil Off Gas，簡稱BOG ），主要成分是甲烷（90%以上）、乙烷、氮?dú)饧吧倭客闊N的低溫氣體［1］。目前LNG船處理BOG主要有兩種方式：一種是將BOG進(jìn)行燃燒用于全船的能源供應(yīng)，如將BOG作為主鍋爐燃燒或雙燃料柴油機(jī)的燃料；另一種是本文即將介紹的利用再液化裝置將BOG重新冷凝液化并輸送回液貨艙［2］。

1 再液化裝置制冷原理及類型

再液化過程是指BOG（-110℃左右）通過低溫制冷讓其變成LNG（-162℃左右）并重新輸送回貨艙的過程，是一個從低溫到更低溫的制冷過程，主要采用的是逆布雷頓循環(huán)制冷原理，由等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱四個過程組成［3］，并可簡單歸結(jié)為：冷卻介質(zhì)（一般為氮?dú)猓┰趬嚎s機(jī)中被壓縮，然后在膨脹過程得到低溫氮?dú)猓?170℃左右），通過熱交換器來冷卻BOG變?yōu)長NG，其中氮?dú)庋h(huán)量的變化與再液化裝置的熱負(fù)荷相對應(yīng)［4］。

再液化裝置一般可分為以下三種類型：全部再液化裝置、自持式再液化裝置和部分再液化裝置。簡述如下：

（1）全部再液化裝置理論上沒有貨物損失，且可以取消對蒸汽動力裝置的使用，但需要較大電力負(fù)荷；

（2）自持式再液化裝置是靠部分BOG來推動燃?xì)廨啓C(jī)，滿足再液化裝置所需的動力，同時讓剩余的BOG再液化，這種裝置需要額外配置1臺燃?xì)廨啓C(jī)，占用較大空間，成本也較高。

（3）部分再液化裝置是將BOG的30%進(jìn)行再液化，其余部分除了用于再液化過程的熱交換之外，可在鍋爐內(nèi)作為燃料被燃燒掉，主要對LNG蒸發(fā)率較高且動力裝置用不完BOG的LNG船比較實(shí)用［5］。

圖1　再液化裝置設(shè)備組成

2 全部再液化裝置系統(tǒng)設(shè)備組成

目前LNG船上應(yīng)用較多的是全部再液化裝置，其設(shè)備裝置節(jié)省空間、布置緊湊，以BOG壓縮機(jī)和馬達(dá)為界限分別布置在貨物機(jī)械室和貨物馬達(dá)室，確保了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和安全性。以某LNG船為例，該再液化系統(tǒng)主要包括下列設(shè)備，如圖1所示：1個氮?dú)夤瘢?個氮?dú)饩彌_柜，1個氮?dú)饷芊鈿饩彌_柜，1個氮?dú)飧稍锵到y(tǒng)，2個氮?dú)馀蛎洐C(jī)，2個三級冷卻器，1個逆流式氮?dú)鉄峤粨Q器，2個BOG壓縮機(jī)，2個中間冷卻器，1個BOG減溫器，1個BOG冷凝器，1個廢氣加熱器和1套氣液分離單元（包含LNG返回泵）［6］，其中氮?dú)鈮嚎s機(jī)是1臺帶有膨脹機(jī)的三級整體齒輪式離心壓縮機(jī)，三級壓縮和膨脹由1個馬達(dá)帶動，設(shè)計更加緊湊，也減少了電動機(jī)的功率消耗［5］，并設(shè)有2套氮?dú)鈮嚎s系統(tǒng)和BOG壓縮系統(tǒng)，其冗余性可以確保壓縮機(jī)馬達(dá)或淡水冷卻裝置故障時再液化系統(tǒng)可靠運(yùn)行，同時當(dāng)BOG流量較大時可以運(yùn)行2臺壓縮機(jī)進(jìn)行再液化，提高再液化的效率。

3 再液化裝置的工作流程

再液化裝置的操作運(yùn)行流程（下頁圖2）可分為制冷介質(zhì)（氮?dú)猓┭h(huán)和BOG循環(huán)。

3.1 制冷介質(zhì)循環(huán)（氮?dú)庋h(huán)）

氮?dú)猓s為30℃）進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)先經(jīng)壓縮機(jī)依次進(jìn)行一級、二級、三級壓縮及等壓冷卻后產(chǎn)生高壓氮?dú)?，然后?jīng)過逆流式熱交換器進(jìn)行充分的熱交換，最后進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行等熵膨脹，產(chǎn)生-175℃左右的低溫氮?dú)狻５蜏氐獨(dú)庖来谓?jīng)過BOG冷凝器、BOG減溫器和中間冷卻器對BOG進(jìn)行冷卻降溫，再經(jīng)過逆流式熱交換器與膨脹前的氮?dú)膺M(jìn)行熱交換并回到氮?dú)馀蛎洐C(jī)的一級壓縮進(jìn)口，至此氮?dú)馔瓿梢粋€完整的閉式循環(huán)。

圖2　再液化裝置的工作流程循環(huán)圖

3.2 BOG循環(huán)

BOG（-110℃左右）經(jīng)過揮發(fā)氣管路進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過一級壓縮后溫度升到-69℃，經(jīng)中間冷卻器冷卻至約-129℃再次進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行二級壓縮后溫度約為-74℃，經(jīng)BOG減溫器冷卻后溫度降為-140℃左右，壓力基本保持不變。在等壓狀態(tài)下，再次經(jīng)BOG冷凝器進(jìn)行冷卻，溫度將降至-170℃左右，此時被極度冷卻的BOG將進(jìn)入氣液分離單元，分離出來的LNG經(jīng)氣液分離單元內(nèi)的返回泵輸回液貨艙，至此BOG循環(huán)結(jié)束［7］。

4 再液化裝置的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際循環(huán)過程中，其氮?dú)庋h(huán)主要工況參數(shù)與功率的實(shí)測如表1所示。

隨著壓縮機(jī)的負(fù)荷增加，氮?dú)獾膲毫σ搽S之增加，但冷卻后的溫度并未有太大的變化，說明負(fù)荷的增加并未影響實(shí)際的制冷量，所以在這個閉式循環(huán)中，起外因作用的是BOG的流量。BOG的流量通過位于總管上的壓力傳感器監(jiān)控，通過控制系統(tǒng)對BOG壓縮機(jī)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便獲得足夠的制冷量將BOG冷凝成LNG，從而保持總管內(nèi)的壓力在正常范圍內(nèi)。

船舶在正常航行途中，LNG液貨艙主要由貨物維護(hù)系統(tǒng)維持低溫狀態(tài)，制造廠初始設(shè)計日蒸發(fā)量不超過0.15%，但由于載貨量不同導(dǎo)致船舶在裝載途中產(chǎn)生的晃蕩程度不同、航線不同（熱帶和溫帶）、液貨艙外表溫度不同以及貨物維護(hù)系統(tǒng)的使用壽命等原因，LNG揮發(fā)量無法正確估算；一般來說，載運(yùn)量多、溫帶航線運(yùn)營以及船舶初始投入運(yùn)營，產(chǎn)生的BOG流量少，反之則相反。

表1　氮?dú)庋h(huán)工況參數(shù)與功率對照表

根據(jù)BOG的流量多少，再液化裝置的操作可以分為以下三種模式：

（1）全部再液化模式：單臺BOG壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮后的全部BOG經(jīng)BOG減溫器和冷凝器冷卻后直接返回液貨艙。如果BOG過量，則使用兩臺BOG壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）部分再液化模式，由于LNG船初裝貨物時，需要利用氮?dú)鈱ω浥撨M(jìn)行惰化，導(dǎo)致裝貨后BOG中氮?dú)夂扛?，在氣液分離單元中存在較多的氣體（氮?dú)夂虰OG的混合氣），這些氣體經(jīng)廢氣加熱器加熱后被輸送入GCU（Gas Combustion Unit，氣體燃燒裝置）進(jìn)行燃燒，氣液分離單元中的LNG則返回至液貨艙。

（3）低流量處理模式，適用于BOG較少的情況，氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)停止工作，只有單臺BOG壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮后的BOG經(jīng)BOG加熱器加熱后直接經(jīng)GCU燃燒。

5 結(jié) 論

再液化裝置使用氮?dú)庾鳛槟娌祭最D循環(huán)的冷卻介質(zhì)，可有效達(dá)到深冷制冷要求，其中全部再液化裝置以其節(jié)省空間、布置緊湊，設(shè)備可按照兩個循環(huán)分別布置在貨物機(jī)械室和貨物馬達(dá)室的特點(diǎn)，確保了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和安全性。在當(dāng)前全球船市持續(xù)低迷的狀況下，LNG船作為高附加值船舶已受到國內(nèi)不少船企的關(guān)注，而其采用揮發(fā)氣再液化后不僅減少貨損，增加運(yùn)輸能力，而再液化裝置裝船后具有較強(qiáng)的投資成本優(yōu)勢和良好的營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。可以預(yù)見越來越多的LNG船將選擇安裝再液化裝置。希望本文對再液化裝置基本原理及分類，以及對LNG船上實(shí)際設(shè)備組成、工作流程和操作模式的介紹，能為國內(nèi)的同行帶來一定的幫助。

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Application of reliquefaction system on LNG ships

WANG Lei XU Li LU Chen-kang
(CCS Shanghai Branch, Shanghai 200135, China)

Abstract:The prominent problem of the liquefied natural gas (LNG) ships is that the volatilization loss of LNG occurs by the absorbing external heat. One of the main solution is to make the volatilized boil off gas (BOG) recondensed and transferred back to the cargo tanks by a reliquefaction system. Firstly, this paper introduces the principle and classification of reliquefaction. Then, it analyzes the equipment components, working process and operation mode of the all-reliquefaction system applied on the LNG ships. It finally presents the application of the reliquefaction system on the LNG ships in future.

Keywords:boil off gas (BOG); reliquefaction system; working process; operation mode

［作者簡介］王 磊（1985-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶檢驗(yàn)。

［收稿日期］2015-05-06；［修回日期］2015-06-03

［中圖分類號］U672.6

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0068-04