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船上的實際應用

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)的設備組成、工作流程及操作模式在LNG船上的應用進行分析；最后，展望了未來LNG船安裝再液化系統(tǒng)的應用趨勢。

［關鍵詞］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。

陸陳康（1964-），男，高級工程師，研究方向：船舶檢驗。

引 言

由于油價上漲及大氣污染日益嚴重，致使新能源LNG需求量逐年增加，全球每年LNG運輸貿易量也急劇增加，LNG船作為運輸貿易主要的貨運手段，當前突出問題是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、氮氣及少量烷烴的低溫氣體［1］。目前LNG船處理BOG主要有兩種方式：一種是將BOG進行燃燒用于全船的能源供應，如將BOG作為主鍋爐燃燒或雙燃料柴油機的燃料；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］，并可簡單歸結為：冷卻介質（一般為氮氣）在壓縮機中被壓縮，然后在膨脹過程得到低溫氮氣（-170℃左右），通過熱交換器來冷卻BOG變?yōu)長NG，其中氮氣循環(huán)量的變化與再液化裝置的熱負荷相對應［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，但需要較大電力負荷；

（2）自持式再液化裝置是靠部分BOG來推動燃氣輪機，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臺燃氣輪機，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船比較實用［5］。

圖1　再液化裝置設備組成

2 全部再液化裝置系統(tǒng)設備組成

目前LNG船上應用較多的是全部再液化裝置，其設備裝置節(jié)省空間、布置緊湊，以BOG壓縮機和馬達為界限分別布置在貨物機械室和貨物馬達室，確保了運轉的可靠性和安全性。以某LNG船為例，該再液化系統(tǒng)主要包括下列設備，如圖1所示：1個氮氣柜，1個氮氣緩沖柜，1個氮氣密封氣緩沖柜，1個氮氣干燥系統(tǒng)，2個氮氣膨脹機，2個三級冷卻器，1個逆流式氮氣熱交換器，2個BOG壓縮機，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］，其中氮氣壓縮機是1臺帶有膨脹機的三級整體齒輪式離心壓縮機，三級壓縮和膨脹由1個馬達帶動，設計更加緊湊，也減少了電動機的功率消耗［5］，并設有2套氮氣壓縮系統(tǒng)和BOG壓縮系統(tǒng)，其冗余性可以確保壓縮機馬達或淡水冷卻裝置故障時再液化系統(tǒng)可靠運行，同時當BOG流量較大時可以運行2臺壓縮機進行再液化，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行流程（下頁圖2）可分為制冷介質（氮氣）循環(huán)和BOG循環(huán)。

3.1 制冷介質循環(huán)（氮氣循環(huán)）

氮氣（約為30℃）進入循環(huán)系統(tǒng)先經壓縮機依次進行一級、二級、三級壓縮及等壓冷卻后產生高壓氮氣，然后經過逆流式熱交換器進行充分的熱交換，最后進入膨脹機進行等熵膨脹，產生-175℃左右的低溫氮氣。低溫氮氣依次經過BOG冷凝器、BOG減溫器和中間冷卻器對BOG進行冷卻降溫，再經過逆流式熱交換器與膨脹前的氮氣進行熱交換并回到氮氣膨脹機的一級壓縮進口，至此氮氣完成一個完整的閉式循環(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）經過揮發(fā)氣管路進入壓縮機，經過一級壓縮后溫度升到-69℃，經中間冷卻器冷卻至約-129℃再次進入壓縮機進行二級壓縮后溫度約為-74℃，經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BOG冷凝器進行冷卻，溫度將降至-170℃左右，此時被極度冷卻的BOG將進入氣液分離單元，分離出來的LNG經氣液分離單元內的返回泵輸回液貨艙，至此BOG循環(huán)結束［7］。

4 再液化裝置的實際應用

在實際循環(huán)過程中，其氮氣循環(huán)主要工況參數(shù)與功率的實測如表1所示。

隨著壓縮機的負荷增加，氮氣的壓力也隨之增加，但冷卻后的溫度并未有太大的變化，說明負荷的增加并未影響實際的制冷量，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壓縮機和氮氣壓縮機的負荷進行調節(jié)，以便獲得足夠的制冷量將BOG冷凝成LNG，從而保持總管內的壓力在正常范圍內。

船舶在正常航行途中，LNG液貨艙主要由貨物維護系統(tǒng)維持低溫狀態(tài)，制造廠初始設計日蒸發(fā)量不超過0.15%，但由于載貨量不同導致船舶在裝載途中產生的晃蕩程度不同、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，載運量多、溫帶航線運營以及船舶初始投入運營，產生的BOG流量少，反之則相反。

表1　氮氣循環(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壓縮機運轉，壓縮后的全部BOG經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壓縮機運轉。

（2）部分再液化模式，由于LNG船初裝貨物時，需要利用氮氣對貨艙進行惰化，導致裝貨后BOG中氮氣含量高，在氣液分離單元中存在較多的氣體（氮氣和BOG的混合氣），這些氣體經廢氣加熱器加熱后被輸送入GCU（Gas Combustion Unit，氣體燃燒裝置）進行燃燒，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，氮氣循環(huán)系統(tǒng)停止工作，只有單臺BOG壓縮機運轉，壓縮后的BOG經BOG加熱器加熱后直接經GCU燃燒。

5 結 論

再液化裝置使用氮氣作為逆布雷頓循環(huán)的冷卻介質，可有效達到深冷制冷要求，其中全部再液化裝置以其節(jié)省空間、布置緊湊，設備可按照兩個循環(huán)分別布置在貨物機械室和貨物馬達室的特點，確保了運轉的可靠性和安全性。在當前全球船市持續(xù)低迷的狀況下，LNG船作為高附加值船舶已受到國內不少船企的關注，而其采用揮發(fā)氣再液化后不僅減少貨損，增加運輸能力，而再液化裝置裝船后具有較強的投資成本優(yōu)勢和良好的營運經濟性?？梢灶A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船上實際設備組成、工作流程和操作模式的介紹，能為國內的同行帶來一定的幫助。

［參考文獻］

［1］ 李亞軍，陳蒙. LNG接受站BOG多階壓縮再液化工藝優(yōu)化分析［J］.化工學報，2013（3）：987-992.

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［3］ 周明順，李博洋. LNG船蒸發(fā)氣再液化經濟性分析［J］.船舶工程， 2009（31）：147-150.

［4］ 黃海波. LNG船配置再液化裝置可行性分析［J］.中國水運，2008（10）：29-30.

［5］ 丁立勛，李斌. 液化天然氣船蒸發(fā)氣再液化方法分析［J］.青島遠洋船員學院學報，2009（30）：51-54.

［6］ EcoRel. How it works［J］. The Cryostar magazine. 2007：2-8.

［7］ 仉大志，張余慶. 再液化裝置在LNG船上的應用［J］.船舶，2007（4）：30-32.

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。

［收稿日期］2015-05-06；［修回日期］2015-06-03

［中圖分類號］U672.6

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0068-04