再液化及蒸汽處理系統(tǒng)在大型LNG船上的應(yīng)用

崔 貌， 李紅波， 楊 軼

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

0 引 言

天然氣在環(huán)境大氣壓力下，通過(guò)LNG船以液體形式長(zhǎng)距離運(yùn)輸。在LNG船航行過(guò)程中，不可避免地會(huì)有熱量滲入系統(tǒng)，部分液貨會(huì)揮發(fā)。雖然液貨艙的絕緣層能將乘載的LNG的蒸發(fā)率控制在0.15%左右，但超過(guò)20天自然揮發(fā)的氣體(Natural Boil-Off Gas， NBOG)就大約等于總?cè)萘康?%，隨著NBOG的增多，液貨艙內(nèi)的壓力也會(huì)隨之上升[1]。為將液貨艙內(nèi)的壓力維持在大氣壓水平，必須處理液貨艙內(nèi)的NBOG。在一般情況下，蒸發(fā)氣(Boil-Off Gas， BOG)的處理方法主要有兩種：一是以蒸汽輪機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置的LNG船，將BOG作為主機(jī)或鍋爐的燃料；二是安裝某種形式的再液化裝置，將超壓的BOG重新冷凝液化后再送回到液貨艙中[2]。

本文以某船廠建造的配備瓦錫蘭再液化系統(tǒng)的某大型雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)(Dual-Fuel Diesel Electric， DFDE)LNG船為研究載體，探討其再液化及蒸汽處理系統(tǒng)的組成和用途。

1 蒸汽處理系統(tǒng)

蒸汽處理系統(tǒng)的主要作用是保證液貨艙艙壓能夠維持在正常操作極限內(nèi)，同時(shí)保證在任何艙壓和LNG組分下均可為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需壓力和溫度下的燃料。燃料可以是NBOG或由液貨艙中的LNG強(qiáng)制汽化而來(lái)的氣體，也可以是這兩種來(lái)源的混合氣。操作者可根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)的需要進(jìn)行選擇，不過(guò)為了避免艙壓過(guò)高，首選是NBOG。

蒸汽處理系統(tǒng)主要包括：2臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)、1臺(tái)氣液分離器和1臺(tái)強(qiáng)制汽化器。

蒸汽處理系統(tǒng)的原理如圖1所示，主要設(shè)備是LD BOG壓縮機(jī)。NBOG、強(qiáng)制汽化的LNG或這二者的混合氣先通過(guò)加熱器加熱，再經(jīng)過(guò)LD BOG壓縮機(jī)送至雙燃料發(fā)電機(jī)。如果需要的話，可以先用預(yù)加熱器加熱氣體。如果預(yù)加熱器不能提供足夠的熱量，可再用蒸汽加熱器加熱。氣體經(jīng)過(guò)LD BOG壓縮機(jī)升壓至雙燃料發(fā)電機(jī)要求的壓力，再經(jīng)過(guò)冷卻器的冷卻，溫度可以維持在40 ℃左右。

圖1 蒸汽系統(tǒng)原理圖

如果雙燃料發(fā)電機(jī)需要的燃?xì)饬慷嘤谝贺浥撟匀粨]發(fā)的BOG量，可通過(guò)強(qiáng)制汽化器提供額外的燃?xì)饬?。在這種工況下，液貨艙中的LNG被LNG供給泵打出液貨艙；再經(jīng)強(qiáng)制汽化器汽化后與BOG混合，溫度控制在-100 ℃左右；然后送至加熱器，加熱至35 ℃，再送至壓縮機(jī)。

LNG船裝載DFDE，同時(shí)還配備再液化系統(tǒng)，蒸汽處理系統(tǒng)具體可分為以下幾種操作模式：

(1) 從1臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)到DFDE;

(2) 從1臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)到DFDE和再液化系統(tǒng)；

(3) 從1臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)到DFDE和氣體燃燒單元(Gas Combustion Unit, GCU)；

(4) 從1臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)到DFDE、再液化系統(tǒng)和GCU；

(5) 從2臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)到DFDE和GCU;

(6) 從1臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)到DFDE，另外1臺(tái)到再液化系統(tǒng)；

(7) 從1臺(tái)LD BOG壓縮機(jī)到DFDE，另外1臺(tái)到GCU；

(8) LD BOG壓縮機(jī)不啟動(dòng)；

(9) 將LNG作為燃料供應(yīng)。

其中，在第8種操作模式下，BOG只能自然流動(dòng)到GCU或再液化系統(tǒng)。自然流動(dòng)是指不啟動(dòng)壓縮機(jī)，僅依靠液貨艙與再液化氣液分離器的壓差，使BOG通過(guò)壓縮機(jī)的旁通管路流至再液化系統(tǒng)中。

2 再液化系統(tǒng)

再液化系統(tǒng)的主要作用是通過(guò)將BOG液化來(lái)控制液貨艙艙壓，避免其壓力過(guò)高。當(dāng)產(chǎn)生的BOG量過(guò)多，除了給主機(jī)消耗以外還有剩余時(shí)，再液化系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)。特別是船舶低速航行，DFDE消耗的BOG量小時(shí)，系統(tǒng)需要提供足夠的冷量來(lái)處理70%的NBOG。

再液化系統(tǒng)包括BOG循環(huán)和氮?dú)庋h(huán)，主要包括：氮?dú)馀蛎洐C(jī)、預(yù)加熱器、蒸汽加熱器、板翅式換熱器、再液化LBOG汽液分離器、氮?dú)赓A存罐、氮?dú)鈮嚎s機(jī)。

2.1 BOG循環(huán)

BOG循環(huán)(見(jiàn)圖2)是一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)，包括預(yù)加熱器、板翅式換熱器和再液化氣液分離器。聚集在揮發(fā)氣總管中的BOG經(jīng)過(guò)預(yù)加熱器中氮?dú)獾募訜幔瑴囟冗_(dá)到36 ℃；再經(jīng)過(guò)LD BOG壓縮機(jī)的壓縮，壓力從103 kPa上升至700～800 kPa；而溫度又在冷卻器的作用下降至45 ℃；再送到熱量交換器中冷凝至-160 ℃，以達(dá)到再液化的目的。LNG和一些不能壓縮的氣體將在分離器中分離，其中液體會(huì)在分離器與液貨艙壓差的作用下被打回液貨艙，而氣體會(huì)回到液貨艙或送至GCU燃燒。在通常情況下，分離器與液貨艙之前的壓差是足夠的，但是液體在自然流動(dòng)狀態(tài)下則需要用LNG返回泵打回液貨艙。

圖2 BOG循環(huán)

在滿載航行時(shí)，船上的具體情況可能與設(shè)計(jì)情況有所不同，主要有以下幾個(gè)方面：(1)環(huán)境溫度不同使得BOG的蒸發(fā)率和(或)BOG的溫度發(fā)生變化；(2)航次不同，BOG的成分也不同；(3)在壓載或滿載航行時(shí)，船的整體溫度不同；(4)揮發(fā)氣中氮?dú)庀呐c否影響氣體成分。這些則可通過(guò)再液化能力的調(diào)整來(lái)控制。

2.2 氮?dú)庋h(huán)

再液化系統(tǒng)的低溫是由一個(gè)封閉的氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)產(chǎn)生的，其原理是逆布雷頓循環(huán)[3]。系統(tǒng)包括3級(jí)壓縮過(guò)程，每級(jí)壓縮中都有一個(gè)冷卻器。經(jīng)過(guò)3級(jí)壓縮后的氣體，壓力由1 020 kPa左右上升至4 350 kPa。此時(shí)氣體分兩部分：一部分氣體會(huì)送至預(yù)加熱器，熱量用于加熱BOG，自身溫度會(huì)降至-50 ℃，然后送至板翅式換熱器中繼續(xù)冷卻；另一部分則直接送至板翅式換熱器中，用于熱量交換。從換熱器出來(lái)的氣體溫度在-110 ℃左右，再經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)膨脹作用后，溫度可達(dá)-165 ℃，壓力在105 MPa。這種低溫氣體會(huì)被送至板翅式換熱器中與BOG進(jìn)行熱量交換，為BOG的液化提供需要的冷量。換熱之后的氮?dú)鉁囟壬仙?5 ℃左右，并回到LD BOG壓縮機(jī)的一級(jí)壓縮入口，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

圖3 氮?dú)庋h(huán)

再液化能力范圍是0%～100%，其中0%意味著對(duì)再液化系統(tǒng)作旁通處理。在這種工況下，再液化系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量?jī)H可消除周?chē)h(huán)境向管子或設(shè)備滲入的熱量。在航行中的某個(gè)工況下，需要的再液化能力主要取決于蒸發(fā)氣總管的壓力，而再液化能力的控制是由改變氮?dú)庋h(huán)中的質(zhì)量流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。壓縮機(jī)處理的氣體量是一定的，只要改變氮?dú)庋h(huán)中氮?dú)獾膲毫Γ涂筛淖兊獨(dú)獾拿芏?，從而改變循環(huán)中的質(zhì)量流量。改變循環(huán)中氮?dú)獾膲毫?，則是通過(guò)氮?dú)赓A存罐來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)需要提高再液化能力時(shí)，就需要提高一級(jí)壓縮機(jī)的入口壓力，氮?dú)鈺?huì)從貯存罐流到壓縮機(jī)的一級(jí)入口；當(dāng)需要降低再液化能力時(shí)，經(jīng)過(guò)3級(jí)壓縮過(guò)的高壓氮?dú)獗悴辉賲⑴c熱量交換，而是流到貯存罐中。

如果BOG中氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)超過(guò)16.8%，那么BOG只能被部分液化。未液化的氣體中有很大一部分是氮?dú)?，其?huì)被送至GCU燃燒，或返回至液貨艙。若需回液貨艙的話，氮?dú)庑枰谥鳈C(jī)燒氣模式下消耗，避免氮?dú)庠谝贺浥搩?nèi)的積累，影響LNG的成分。

再液化系統(tǒng)工作模式如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著LNG市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，LNG船的數(shù)量將與日俱增，船型也將不斷更新，我國(guó)已進(jìn)入LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新階段。本文簡(jiǎn)單介紹了LNG船再液化及蒸汽處理系統(tǒng)的情況，可為廣大船舶工作者在后續(xù)LNG船再液化及蒸汽處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面提供參考。

圖4 再液化系統(tǒng)工作模式