劉辰童，何金平，羅文忠，周 毅，蒙學(xué)昊

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452）

液貨艙內(nèi)的 LNG 由于受熱汽化，在船艙內(nèi)生成BOG（boiled-off-gas），造成艙內(nèi)壓力增加。BOG 再液化系統(tǒng)工作時(shí)，由潛液泵將飽和 LNG 輸運(yùn)到深冷裝置，經(jīng)過換熱形成過冷流體，再反輸回貨艙內(nèi)噴淋，貨艙溫度降低，貨艙內(nèi) BOG 冷凝再液化，從而達(dá)到降低和維持貨艙壓力的作用。目前國內(nèi)外對于潛液泵和噴淋裝置在貨艙充填前冷卻等方面早有廣泛應(yīng)用，技術(shù)比較成熟。但對于深冷裝置［1］，我國的研究相對落后，還未能突破再液化裝置的核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化，僅能高價(jià)依賴進(jìn)口。

近幾年，法國 Air Liquide 公司研發(fā)的 TB 系列船用 LNG 深冷裝置在中小型 LNG 運(yùn)輸船再液化市場占有率逐漸提升，以其采用全封閉設(shè)計(jì)，具有無泄漏免維護(hù)、設(shè)備數(shù)量少、安裝簡單、維護(hù)方便等優(yōu)勢，深受船東青睞。其工作原理是將-160 ℃的 LNG 通過設(shè)備深冷至-170 ℃，從而減少 BOG 的產(chǎn)生，其核心技術(shù)包括高速電機(jī)、電磁軸承、低溫壓縮機(jī)等，這些領(lǐng)域一直處于技術(shù)壟斷，國內(nèi)研究較少，亟需實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)突破和國產(chǎn)化。

1 LNG深冷裝置優(yōu)勢和應(yīng)用場景

目前 LNG 船主流的再液化系統(tǒng)分 3 種［2］：氮膨脹再液化裝置、LNG 深冷裝置和混合制冷再液化系統(tǒng)。

圖1為氮膨脹再液化裝置的流程原理圖，冷卻介質(zhì)選用與 LNG 物理特性相近的氮?dú)庾鳛榈蛎浽僖夯b置，占地面積小，響應(yīng)快，運(yùn)行效率高，適用性強(qiáng)，可操作性高，安全性能高，但缺點(diǎn)是功耗高。

圖1 氮膨脹再液化裝置的工作流程圖Fig.1 Flow chart of nitrogen expansion and reliquefaction device

圖2為 LNG 深冷裝置，深冷裝置是新型處理LNG 船蒸發(fā)氣的方式。LNG 經(jīng)過貨艙潛液泵增壓后，首先低溫冷卻，在-161 ℃到-171 ℃左右，通過貨艙里的噴淋塔進(jìn)行噴淋，降低艙內(nèi)溫度，汽化蒸發(fā)氣，以減小貨艙的壓力?；谀娌祭最D循環(huán)，利用冷卻介質(zhì)為氦氣和氮?dú)饣旌蠚怏w，整體流程選用閉環(huán)。

圖2 LNG深冷裝置工作流程圖Fig.2 Flow chart of LNG cryogenic device

圖3為混合制冷再液化系統(tǒng)，蒸發(fā)氣先經(jīng)過蒸發(fā)氣壓縮機(jī)增壓和初步冷卻（冷卻水冷卻），再經(jīng)過丙烷制冷循環(huán)系統(tǒng)二次冷卻，最后經(jīng)過混合制冷劑液化流程冷卻液化。低溫度級循環(huán)將熱量轉(zhuǎn)移給高溫度級循環(huán)，通過換熱器的冷卻，蒸發(fā)氣的溫度逐步降低，并直至液化。

圖3 混合制冷再液化系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Hybrid refrigeration and reliquefaction system

混合制冷再液化系統(tǒng)兼具天然氣聯(lián)式液化流程和混合制冷劑液化流程二者的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)功耗小、操作流暢，目前應(yīng)用技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是流程繁瑣、設(shè)備數(shù)量多、空間利用率低、維護(hù)成本高。

與其他 2 種液化流程相比，LNG 深冷裝置采用噴淋塔將低溫冷卻的 LNG 噴淋到貨艙來降低貨艙溫度和壓力。

2 設(shè)計(jì)應(yīng)用場景和目標(biāo)

在設(shè)計(jì)方案之前需考慮深冷裝置的應(yīng)用場景、液化能力、能耗和占地面積，本次設(shè)計(jì)的深冷裝置主要應(yīng)用于中小型 LNG 船、再液化處理需求為0.5 t/h的小型 LNG 運(yùn)輸船、LNG 加注船，主要用于處理雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)消耗不掉的貨艙自然蒸發(fā)氣，也可以為受注船提供溫度更低的LNG。因此，需要具體設(shè)計(jì)LNG深冷裝置的指標(biāo)，具體見表1。

表1 側(cè)梁的模擬與實(shí)測焊接變形對比Tab.1 Comparison of simulated and measured welding deformation of side beam

表1 LNG深冷裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Design indexes of LNG cryogenic device

LNG組分和冷卻水初始設(shè)計(jì)條件見表2、3。

表2 LNG組分Tab.2 LNG components

表3 冷卻水組分Tab.3 Components of chilled water

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 確定主循環(huán)

設(shè)計(jì)的 LNG 深冷裝置主要用于船上BOG 再液化，船用 BOG 再液化系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

①處理量相對較小，屬于小型液化裝置；

②系統(tǒng)簡單，安裝和維護(hù)方便；

③能夠適應(yīng)船舶航行過程中船體俯仰和滾轉(zhuǎn)晃動(dòng)；

④占地面積小，低成本；

⑤安全性高，存儲介質(zhì)危害性低；

⑥快速啟動(dòng)/停止和靈活性，由船舶穿越不同緯度地區(qū)時(shí)航行速度變化引起；

⑦發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣燃料變化都會(huì)引起存儲介質(zhì)液化工況的變化。

梳理液化流程，膨脹制冷循環(huán)最為適合這一環(huán)境，其原理是利用氣體在膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹并對外做功，從而獲得低溫氣流來制取冷量，實(shí)現(xiàn)了把熱量從低溫物體不斷轉(zhuǎn)移到高溫物體。

膨脹制冷最簡單的循環(huán)就是逆布雷頓循環(huán)，該循環(huán)主要有4個(gè)過程，分別是等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱。如圖4所示，工質(zhì)在室溫下壓縮后，經(jīng)冷卻到達(dá)位置3，然后高壓氣體在逆流換熱器中被返流的冷氣體冷卻到4點(diǎn)，再流入膨脹機(jī)，絕熱膨脹并輸出外功，工質(zhì)溫度降低，制得冷量，過程理論上為等熵膨脹（4~5），在5~6過程中向外界輸出冷量，隨后進(jìn)入逆流換熱器用來冷卻正流高壓熱氣體（6~1）回收冷量，最后在接近室溫下進(jìn)入壓縮機(jī)，至此完成一個(gè)封閉循環(huán)。

圖4 逆布雷頓循環(huán)工作原理圖Fig.4 Principle diagram of reverse Brayton

從效率上說，逆布雷頓循環(huán)效率是不高的。為提高整體效率可以通過增加壓縮機(jī)的數(shù)量和膨脹機(jī)的數(shù)量，但會(huì)提高系統(tǒng)復(fù)雜度和增加成本。所以為簡化系統(tǒng)和保證后期的樣機(jī)研制的成功率，設(shè)計(jì)采用單膨脹機(jī)流程。

3.2 確定膨脹-壓縮一體機(jī)型結(jié)構(gòu)

膨脹制冷循環(huán)中膨脹機(jī)是冷源核心，在制冷的過程中，其還輸出機(jī)械功，因此，膨脹機(jī)一般都會(huì)在軸的另一端帶一個(gè)壓縮葉輪，以平衡膨脹機(jī)輸出功，見圖 5。早期的膨脹-壓縮一體機(jī)采用的是油潤滑的滑動(dòng)軸承，近年來電磁軸承支撐的膨脹-壓縮一體機(jī)逐漸普及，圖5為其基本結(jié)構(gòu)。

圖5 膨脹-壓縮一體機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Fig.5 Basic structure of expander-compressor

除了圖5這種結(jié)構(gòu)外，在超導(dǎo)體制冷和 LNG 液化中還有一種在膨脹-壓縮一體機(jī)［5］中增加一個(gè)高速電機(jī)的機(jī)型。目前法液空、低溫之星和日本前川制造所（MAYEKAWA）都有類似產(chǎn)品。膨脹-壓縮一體機(jī)（Comexpender）與膨脹-電機(jī)-壓縮一體機(jī)（Comexpender with motor）相比，前者壓縮機(jī)的功耗全部來自膨脹機(jī)做功，機(jī)組中的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)聯(lián)合工作，功率具有耦合關(guān)系；后者壓縮機(jī)的功耗來自膨脹機(jī)和電機(jī)共同做功，機(jī)組中的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)功率可以不相同，工作相互獨(dú)立，功率不具耦合關(guān)系。

圖6 膨脹-電機(jī)-壓縮一體機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structure of expander-motor-compressor

考慮到降低后期樣機(jī)研制難度，確定采用膨脹-壓縮一體機(jī)（采用電磁軸承），不含電機(jī)部分，設(shè)計(jì)需要考慮機(jī)組中的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)功率耦合關(guān)系。

3.3 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，確定初步方案如圖7所示。

圖7 初步方案圖Fig.7 Preliminary plan diagram

系統(tǒng)中主要含有主壓縮機(jī)K101，輔壓縮機(jī)K102，膨脹機(jī)K100，冷換熱器LNG100，預(yù)冷換熱器LNG101。其中：①主壓縮機(jī)K101高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁軸承支撐的離心壓縮機(jī)；②輔壓縮機(jī)K102與膨脹機(jī)K100一體，設(shè)置調(diào)節(jié)模塊ADJ-1，保證兩者功率；③LNG100、LNG101為板翅式換熱器，一體化結(jié)構(gòu)；④壓縮機(jī)后設(shè)置管殼式海水換熱器。

物流LNG為泵送過來的飽和態(tài)液化天然氣經(jīng)過過冷換熱器 LNG100與膨脹機(jī)K100出來的制冷介質(zhì)換熱后形成過冷流體 Subcool，然后反輸回貨艙內(nèi)噴淋，降低貨艙溫度，貨艙內(nèi) BOG 冷凝再液化，從而達(dá)到降低和維持貨艙壓力的作用。膨脹機(jī) K100出來的低溫介質(zhì)經(jīng)過過冷換熱器，其溫度仍然較低，為充分利用該設(shè)備，設(shè)置預(yù)冷換熱器 LNG101，將壓縮機(jī) K102 出口的經(jīng)過水冷換熱器 E101 冷卻后的制冷介質(zhì)進(jìn)一步冷卻，然后再進(jìn)入膨脹機(jī) K100膨脹降溫。

4 其他部分設(shè)計(jì)

通過流程計(jì)算和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn) K101 的出口溫度過高，達(dá)到170 ℃，不符合防爆要求 T4 溫度等級的最高表面溫度（低于 135 ℃），因此，需要增加一臺壓縮機(jī)來降低單臺壓縮機(jī)的壓比。

最終確定的總體方案如圖8所示，紅框中的壓縮機(jī)K-101和E-100 被壓縮機(jī)K-101.1、K-101.2 和E-100.1、E-100.2 代替，以減小壓縮機(jī)的壓比，從而減少壓縮機(jī)出口溫度。PID如圖9所示。

圖8 總體方案圖Fig.8 Overall plan diagram

圖9 總體方案PID圖Fig.9 Overall plan PID diagram

4.1 增加儀表

由于冷劑為氣體，為確定其狀態(tài)，需要設(shè)定溫度、壓力和比容3個(gè)量中的兩者才可以，所以壓縮機(jī)、膨脹機(jī)進(jìn)出口都設(shè)置了溫度變送器和壓力變送器，量程依據(jù)仿真計(jì)算值和安全余量確定。

由于喘振回路的影響會(huì)造成過冷和逆流一體式換熱器 HX100的冷劑預(yù)冷進(jìn)口溫度與壓縮機(jī)出口溫度，以及冷劑出口和壓縮機(jī)進(jìn)口溫度不一致，所以HX100 增設(shè)了 2 個(gè)溫度計(jì) TT401.2和 TT402.3。

LNG 進(jìn)出總管和冷卻水進(jìn)出總管都設(shè)有溫度監(jiān)控和壓差監(jiān)控。由于喘振回路的影響，在壓縮回路和膨脹回路各設(shè)置一個(gè)流量監(jiān)控，并采用適合低溫環(huán)境的孔板流量計(jì)。壓縮機(jī)出口設(shè)置有管殼式水冷換熱器，冷劑回路設(shè)置加注口，高速電機(jī)和電磁軸承設(shè)置有水冷降溫。

4.2 壓縮設(shè)計(jì)回路

壓縮回路設(shè)置喘振回路作為調(diào)節(jié)膨脹制冷量的手段之一。為減小設(shè)備進(jìn)出口的管道應(yīng)力，壓縮機(jī)回路都設(shè)置進(jìn)出口軟管聯(lián)接。壓縮機(jī)和膨脹機(jī)內(nèi)間隙較小，入口設(shè)置過濾器，壓縮機(jī)為100 μm，膨脹機(jī)為30 μm。

4.3 壓力保護(hù)設(shè)計(jì)

要對各個(gè)回路設(shè)置壓力保護(hù)，冷劑回路設(shè)置爆破片 PSV10 作為超壓保護(hù)，冷卻水回路設(shè)置有溢流閥 PSV502。

4.4 密封設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)和膨脹機(jī)應(yīng)設(shè)置密封，并用隔離氣隔離。隔離氣采用冷劑本身，既起到密封隔離，也起到高速電機(jī)繞組冷卻的作用，所以從設(shè)備引出后設(shè)置管殼式水冷換熱器冷卻后再進(jìn)入壓縮機(jī)。

4.5 冷劑的選擇

選擇冷劑時(shí)，主要考慮到使用安全性、被液化介質(zhì)的液化溫度、系統(tǒng)的功耗和壓力的影響。

通常船用BOG再液化所用的膨脹制冷循環(huán)選用最為常用的冷劑N2。但本設(shè)計(jì)主要考慮相同壓力下氦氣的沸點(diǎn)比氮?dú)庑〉枚?，采用氮?dú)夂秃饣旌蠚?，可以減少氮?dú)獾姆謮?，使其不容易凝結(jié)，保證透平膨脹機(jī)出口純氣態(tài)，降低透平設(shè)計(jì)難度，進(jìn)而提高透平壽命?！?/p>