楊靜

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

船舶的航線緯度所對應(yīng)的溫度不同、液貨系統(tǒng)無法做到完全絕熱、船舶的搖晃等因素均會導(dǎo)致液貨系統(tǒng)中熱量的輸入,貨艙內(nèi)將產(chǎn)生一定比率的閃蒸氣(BOG)。BOG的累積會引起艙內(nèi)壓力和溫度的升高,加劇LNG的蒸發(fā),從而進一步影響貨艙圍護系統(tǒng)的安全。與陸用LNG站不同的是,LNG船上產(chǎn)生的BOG無法通過管線直接供給用戶使用,因此一般通過兩種方式處理艙內(nèi)的BOG[1]:一是將BOG直接送到火炬系統(tǒng)中燃燒排放;二是通過泄壓閥直接放空處理。上述兩種方式在經(jīng)濟性和環(huán)境友好性方面有明顯弊端。為此,考慮通過BOG再液化技術(shù)將貨艙中產(chǎn)生的BOG重新冷凝液化,維持貨艙內(nèi)的溫度和壓力。

1 BOG再液化技術(shù)路線

與陸用BOG再液化系統(tǒng)不同的是,船用BOG再液化系統(tǒng)受制于尺寸重量、安裝維護、安全可靠性等諸多因素,混合制冷劑循環(huán)等常用的陸用再液化技術(shù)若應(yīng)用于LNG船上弊端較多。目前LNG船用再液化系統(tǒng)按再液化循環(huán)方式可分為三類:BOG壓縮再液化系統(tǒng)、復(fù)疊式再液化系統(tǒng)和深冷式再液化系統(tǒng)。

1.1 BOG壓縮再液化系統(tǒng)

BOG壓縮再液化系統(tǒng)采用逆布雷頓循環(huán)制冷,其工作原理見圖1。該技術(shù)路線通過BOG壓縮機將貨艙產(chǎn)生的BOG壓縮至一定壓力,經(jīng)過液化換熱器將BOG冷凝為LNG抽回貨艙內(nèi)。

制冷的逆布雷頓循環(huán)回路一般采用氮氣作為制冷工質(zhì),經(jīng)過多級氮氣壓縮機將工質(zhì)壓縮至高壓狀態(tài),經(jīng)回?zé)崞骼鋮s后進入膨脹機內(nèi)膨脹做功并產(chǎn)生冷量,低溫的氮氣通過液化換熱器為BOG提供冷量,后通過回?zé)崞鳛檫M入膨脹機前的氮氣預(yù)冷,實現(xiàn)對其冷量的梯級利用。氮氣經(jīng)回?zé)崞骱笤俅芜M入多級壓縮機組,整個制冷回路為閉式循環(huán)。

1.2 復(fù)疊式再液化系統(tǒng)

復(fù)疊式再液化系統(tǒng)由多個在不同溫度下操作的制冷循環(huán)組合而成,不同溫度下的制冷回路采用的制冷劑也不同[2],其工作原理見圖2。

圖2 復(fù)疊式再液化系統(tǒng)工作原理(圖中數(shù)字為工業(yè)流程順序號)

與BOG壓縮再液化系統(tǒng)不同的是,復(fù)疊式再液化系統(tǒng)中無需膨脹機,BOG通過冷卻器在多個制冷循環(huán)中吸收冷量并被冷凝液化。但由于系統(tǒng)需要多個制冷循環(huán),設(shè)備較多,管路也較為復(fù)雜,因此目前在LNG船上的應(yīng)用較少。

1.3 深冷式再液化系統(tǒng)

深冷式再液化系統(tǒng)的制冷回路與BOG壓縮再液化系統(tǒng)類似,基于逆布雷頓循環(huán)制冷,采用氮氣或氮氦混合氣作為制冷劑。不同的是,其再液化的原理是將貨艙內(nèi)的LNG泵至換熱器中,由制冷循環(huán)中的制冷劑提供冷量,將LNG冷卻至更低溫度再噴淋回貨艙內(nèi),從而降低貨艙的溫度和壓力,維持液貨系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此,深冷式再液化系統(tǒng)無需配置BOG壓縮機,可有效減小再液化撬裝的尺寸和成本。其工作原理見圖3。

圖3 深冷式再液化系統(tǒng)工作原理

深冷式再液化系統(tǒng)普遍采用磁懸浮壓縮膨脹機,由于目前磁懸浮機組的技術(shù)限制,深冷式再液化系統(tǒng)的功率較低,其再液化能力相對較低。

2 BOG再液化系統(tǒng)配置形式

根據(jù)貨艙內(nèi)BOG是否被完全冷凝液化,再液化系統(tǒng)的配置分為全部再液化、自持式再液化和部分再液化三種形式。

2.1 全部再液化

全部再液化配置形式需要將貨艙內(nèi)產(chǎn)生的所有BOG全部液化,其耗電量較大,再液化系統(tǒng)的動力來源于發(fā)電機組,因此對船舶電站的要求較高。

2.2 自持式再液化

自持式再液化配置形式即利用部分BOG在鍋爐中燃燒產(chǎn)生的動力驅(qū)動再液化裝置中的耗功設(shè)備,無需船舶發(fā)電機組提供動力。理論上消耗1/3的BOG可回收剩余2/3的BOG,有較高的節(jié)能價值。

2.3 部分再液化

部分再液化配置形式僅回收貨艙中產(chǎn)生的部分BOG,其余BOG除用于再液化過程中的熱交換外,均送至主鍋爐中被燃燒使用,近年來雙燃料LNG船興起[3],已有部分船舶采取了該配置形式。

3 船用BOG再液化技術(shù)現(xiàn)狀

由于船舶環(huán)境的特殊性,在考慮BOG液化回收效率的同時,還需要注意再液化裝置的尺寸重量以滿足有限的安裝空間,再液化系統(tǒng)需要在船舶航行過程中產(chǎn)生的搖擺和傾斜狀態(tài)下保持穩(wěn)定運行。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,BOG再液化裝置高度集成,系統(tǒng)可靠性增強,并可顯著提升液貨系統(tǒng)安全、降低運營成本、提升能量利用率,越來越多的制造商對該技術(shù)進行了更新迭代并實現(xiàn)了實船應(yīng)用。

3.1 主要制造商的技術(shù)進展

3.1.1 Osaka Gas

2000年,依托于“Oman”LNG工程,Osaka Gas為“Jamal”的LNG船制造了BOG再液化裝置,這是BOG再液化技術(shù)在實船上的首次應(yīng)用。由于當(dāng)時的技術(shù)限制和經(jīng)驗欠缺,該船安裝的是帶有汽輪機的推進系統(tǒng),BOG再液化系統(tǒng)在該船上的液化效率較低,為1 kWh/kg。如果再液化裝置發(fā)生故障,BOG將被運輸至鍋爐中用于生成蒸汽供船舶使用。

BOG通過壓縮機被壓縮后送入冷箱中冷凝為LNG,該系統(tǒng)的BOG兩級壓縮機可在串聯(lián)和并聯(lián)模式間切換。

3.1.2 Tractebel

基于Jamal再液化系統(tǒng)的應(yīng)用,船舶行業(yè)對再液化技術(shù)的認識有了進一步的提高。2004年,Tractebel設(shè)計并制造了基于逆布雷頓循環(huán)的再液化裝置Tractebel Gas Engineering(TGE)。

Tractebel制造的BOG再液化裝置中,氮氣回路的壓縮機總功耗達4 700 kW,膨脹機可回收1 200 kW,而BOG回路中兩臺離心壓縮機的功耗各為330 kW,由于系統(tǒng)中還有其他能耗設(shè)備,裝置的總液化效率為0.75 kWh/kg[4]。

3.1.3 Hamworthy Gas System(HGS)

HGS經(jīng)過長期以來對再液化技術(shù)的不斷探索,目前在再液化技術(shù)水平上已處于國際領(lǐng)先地位。

2008年,HGS與Cryostar聯(lián)合開發(fā)了Mark-III再液化系統(tǒng)。氮氣回路中的三級壓縮機出口的部分工質(zhì)為BOG壓縮機組的入口工質(zhì)進行預(yù)熱,該設(shè)計一方面有效利用了BOG自持冷能,極大降低了冷損耗;另一方面,首次實現(xiàn)了BOG常溫壓縮機的應(yīng)用。BOG壓縮機可以使用常規(guī)的油系統(tǒng),此外,BOG可以在更高壓力下實現(xiàn)冷凝,擴大了再液化技術(shù)的壓力適用范圍。

隨著船用雙燃料發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展,2009年,HGS再一次開發(fā)了新的再液化系統(tǒng)Laby-GI Mark-III,將其搭載于低速二沖程雙燃料LNG船上。BOG回路的前兩級壓縮過程與Mark-III一致,二級BOG壓縮機出口工質(zhì)有兩路支線。當(dāng)處于再液化模式下,BOG通過兩級壓縮后即進入再液化系統(tǒng)中被冷凝液化回貨艙;當(dāng)處于供氣模式下,BOG經(jīng)兩級壓縮后,被機組的后三級壓縮機繼續(xù)壓縮至30 MPa高壓,噴射至雙燃料發(fā)動機內(nèi)供氣。若供氣模式下的BOG待處理量仍過大,可將過量的BOG通過再液化系統(tǒng)冷凝回貨艙,此時供氣模式與再液化模式同時運行。

3.1.4 Cryostar

2008年,除了與HGS聯(lián)合開發(fā)了Mark-III再液化系統(tǒng)外,Cryostar獨立開發(fā)了Ecorel系列再液化技術(shù)并將其應(yīng)用于Qatargas-2項目的一艘Q-Max型LNG船上。該船容量為2.66×105m3,搭載的BOG再液化系統(tǒng)最大處理能力為6 MW,總液化效率為0.857 kW·h/kg。

Ecorel系統(tǒng)首次在BOG壓縮機級間引入了氮氣回路的冷量。膨脹機出口的低溫氮氣經(jīng)BOG液化換熱器換熱后仍持有一定冷量,該流股分為兩路支線,一路與傳統(tǒng)的逆布雷頓制冷循環(huán)一樣,為BOG的冷凝提供冷量;另一路支線為兩級BOG壓縮機的級間提供冷量以減小壓縮機的功耗。Ecorel系統(tǒng)中也配置了氮氣壓力儲罐和旁通管路用于動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的再液化能力。

3.2 復(fù)疊式再液化技術(shù)應(yīng)用

目前,LNG船對復(fù)疊式再液化技術(shù)的應(yīng)用還較少。2009年,Tractebel與Burckhardt聯(lián)合開發(fā)了基于復(fù)疊式再液化技術(shù)的Laby-GI TGE系統(tǒng),以配合容量為(1.7～2.1)×105m3的雙燃料LNG船使用。

該系統(tǒng)使用了更高熱力學(xué)效率的乙烯和丙烯制冷劑循環(huán),液化效率更高。與HGS的Laby-GI Mark-III再液化系統(tǒng)類似,該復(fù)疊式再液化系統(tǒng)的BOG回路中應(yīng)用了Burckhardt提供的往復(fù)式壓縮機,可根據(jù)發(fā)動機的負載向工質(zhì)供給15～30 MPa的壓力。當(dāng)發(fā)動機無BOG需求或貨艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG大于發(fā)動機所需時,再液化系統(tǒng)運行以回收BOG。

3.3 深冷式再液化技術(shù)應(yīng)用

3.3.1 Air liquide

2017年,air liquide首次將深冷式再液化技術(shù)應(yīng)用至希臘船東GasLog的2艘容量為1.74×105m3的LNG船上。2019年,該系統(tǒng)又分別被應(yīng)用于Anthony Veder、Harvey Gulf、Hudong和SHI等不同船東的LNG船上。

air liquide應(yīng)用的深冷式再液化系統(tǒng)Turbo-Brayton Fridge(TBF)制冷循環(huán)回路的壓縮機和膨脹機均使用磁懸浮技術(shù)。磁懸浮壓縮膨脹一體機的應(yīng)用避免了旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的機械接觸,極大提升了部件使用壽命和設(shè)備效率。此外,磁懸浮軸承代替了傳統(tǒng)壓縮膨脹機所需的油性軸承,再液化裝置無需安裝變速齒輪箱等部件,無需配備油系統(tǒng)。

目前TBF系列再液化能力最大可達3 t/h。

3.3.2 Cryostar

早在1988年,Cryostar與SKF合作開發(fā)了世界上第一臺磁懸浮軸承透平膨脹機?；谄浯艖腋∨c低溫技術(shù)的長期積累,Croystar開發(fā)了與之前Ecorel不同的深冷式再液化系統(tǒng)Ecochill。該再液化系統(tǒng)工藝流程和配置形式與TBF系統(tǒng)基本一致,其制冷回路中的壓縮膨脹機也采用了磁懸浮技術(shù)。目前Cryostar提供的Ecochill系列最大再液化能力為2.5 t/h,系統(tǒng)所需功率2 170 kW,總液化能力為0.868 kW·h/kg。

復(fù)疊式由于需要多個制冷循環(huán),系統(tǒng)設(shè)備和管路繁多復(fù)雜,LNG船應(yīng)用較少;BOG壓縮再液化系統(tǒng)因其再液化能力強、BOG回路壓力大的特點被廣泛用于使用低速二沖程柴油機動力系統(tǒng)和雙燃料動力系統(tǒng)的大型LNG船;近年來深冷式再液化技術(shù)因其系統(tǒng)組成簡單、可快速響應(yīng)、安裝維護方便等特點應(yīng)用較多。2000-2019年期間,三種技術(shù)方案的實船應(yīng)用技術(shù)參數(shù)對比見表1。

表1 再液化系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)對比

4 船用BOG再液化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 再液化能力動態(tài)調(diào)節(jié)

目前船用BOG再液化系統(tǒng)的動態(tài)控制主要可分為兩種方式。

第一種是Mark系列等再液化系統(tǒng)采取的以氮氣儲罐閥門調(diào)節(jié)為主、膨脹機進口導(dǎo)葉和旁通調(diào)節(jié)為輔的動態(tài)調(diào)節(jié)方式。氮氣儲罐布置在制冷回路壓縮機組的進出口間,通過儲罐與進出口間的閥門開度控制進入壓縮機組的工質(zhì)的質(zhì)量流量,實現(xiàn)制冷回路冷量輸出的動態(tài)調(diào)節(jié)。此外,通過對膨脹機進口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)可控制膨脹機出口工質(zhì)的溫度。同樣,壓縮機組出口與膨脹機出口間設(shè)置的旁通閥也可實現(xiàn)這一調(diào)節(jié)目標(biāo),從而實現(xiàn)對系統(tǒng)再液化能力的動態(tài)調(diào)節(jié)。

第二種是深冷式再液化系統(tǒng)普遍采用的以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為主,旁通調(diào)節(jié)為輔的動態(tài)調(diào)節(jié)方式。由于深冷式再液化系統(tǒng)的壓縮機和膨脹機均采用磁懸浮技術(shù),通過磁懸浮電機的變頻可實現(xiàn)壓縮膨脹機轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)節(jié),改變逆布雷頓制冷循環(huán)回路的工況(以膨脹機出口的工質(zhì)溫度為目標(biāo)變量),從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷能力。

4.2 壓縮膨脹機組

對BOG壓縮再液化和復(fù)疊式再液化系統(tǒng)而言,BOG回路中的BOG壓縮機以及制冷回路中的氮氣膨脹機都是在低溫下工作,對設(shè)備材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及低溫下的壓縮、膨脹性能都有較高的要求[5]。Mark-III系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了常溫BOG壓縮機在再液化系統(tǒng)中的應(yīng)用,由于該設(shè)計優(yōu)勢明顯,對常溫BOG壓縮機的應(yīng)用和性能優(yōu)化將成為BOG再液化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢之一。

對深冷式再液化系統(tǒng)而言,磁懸浮壓縮膨脹機組的應(yīng)用使得系統(tǒng)可快速高效地通過變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)再液化能力,而磁懸浮電機、電磁軸承和葉輪機械的設(shè)計以及三者間的配合是磁懸浮壓縮膨脹機組設(shè)計的關(guān)鍵。此外,由于膨脹端在低溫條件下工作,若低溫工質(zhì)泄漏至磁懸浮電機腔體中將引起磁懸浮裝置的損壞,因此,密封設(shè)計是磁懸浮壓縮膨脹機組開發(fā)中需要注意的關(guān)鍵點。目前深冷式再液化系統(tǒng)功率和再液化能力較低,開發(fā)適用于再液化系統(tǒng)的大功率磁懸浮電機將是深冷式再液化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。

4.3 多股流換熱器

換熱器的性能是決定系統(tǒng)制冷能力和功耗的關(guān)鍵因素。在再液化系統(tǒng)的制冷循環(huán)回路中,相比于將回?zé)崞骱鸵夯瘬Q熱器單獨布置,使用多股流板翅式換熱器不僅可以提供更大裕度的換熱溫差,提升制冷工質(zhì)的冷能利用率,還可以減小布置空間[5]以滿足船舶上空間受限的要求,其優(yōu)勢顯著。在多股流換熱器設(shè)計過程中,流股間的換熱匹配、通道的分布排列、多物理場的疊加和低溫對材質(zhì)的要求均為不可忽視的重要因素[6]。

5 結(jié)論

1)通過BOG再液化技術(shù)可將LNG船貨艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG冷凝液化回收,維持艙內(nèi)溫度壓力,對增強液貨系統(tǒng)安全、降低運營成本具有顯著意義。

2)BOG壓縮再液化技術(shù)因其再液化能力強、適用壓力范圍大的特點在低速二沖程雙燃料LNG船上應(yīng)用廣泛,而深冷式再液化技術(shù)在系統(tǒng)簡單、響應(yīng)時間和變工況運行方面優(yōu)勢顯著。

3)再液化能力動態(tài)調(diào)節(jié)、壓縮膨脹機組和多股流換熱器的開發(fā)是再液化系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),系統(tǒng)對低溫下設(shè)備材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和性能有較高要求,低溫工況下的密封設(shè)計尤為關(guān)鍵。

通過分析發(fā)現(xiàn),對船用BOG再液化技術(shù)的應(yīng)用存在以下趨勢。

在傳統(tǒng)BOG壓縮再液化系統(tǒng)中添加BOG預(yù)熱換熱器可充分利用BOG的自持冷能,同時BOG回路可使用常溫壓縮機,具有較高應(yīng)用價值。

在BOG壓縮再液化系統(tǒng)中的BOG壓縮末端添加高壓壓縮機可實現(xiàn)再液化模式和供氣模式的切換,隨著雙燃料LNG船的興起,該設(shè)計具有廣闊的應(yīng)用前景。

深冷式再液化系統(tǒng)有其獨特優(yōu)勢,但目前系統(tǒng)規(guī)模較小,再液化能力不高。開發(fā)大功率磁懸浮壓縮膨脹機組以提升系統(tǒng)再液化能力是深冷式再液化系統(tǒng)未來的主要發(fā)展方向。