LNG船舶的再液化装置应用

【摘 要】 再液化是从安全和经济上考虑，对冷压式或全冷式液化气体船中的蒸发气体进行处理，减少蒸发的气体积聚，将蒸发气体再次液化回流进舱。现在国际上少量LNG船已经开始安装再液化装置，以减少液货的自然挥发带来的损失。

【关键词】 再液化 蒸发 LNG

1 前言

近些年，随着环保意识的逐渐增强，LNG因其清洁环保等优势在我国能源格局中越来越占有重要地位。相应地，随着中国LNG能源消耗的稳步增长及LNG运输业的兴起， LNG船舶建造技术也在近些年迅速发展起来。在我国2004年沪东中华船厂开工建造中国首艘LNG船舶。近些年，传统型的蒸汽轮机主机LNG船舶因其热效率较低，而逐步被配有再液化装置的传统的低速二冲程主机LNG船以及配备DFDE双燃料发电机的电力推进船舶逐渐取代。相应地，再液化装置在LNG船舶上的应用，逐渐普及。

2 LNG船货舱BOG处理方式简介

LNG船舶由于其运输-162℃液化天然气的原因，存在一个如何处理货舱内的自然挥发气NBOG（Natural Boil Off Gas）的问题。

LNG船舶在运输过程中，货舱内的低温LNG液体会受热挥发成货物蒸汽。虽然LNG船货舱的绝缘层能够有效地将货舱内的液货蒸发率控制在0.15%每天，但是货舱内的液态LNG不可避免的会吸入外界漏入货舱的热量进行蒸发，因此货舱内会源源不断产生自然挥发气（Natural Boil Off Gas， NBOG）。因此挥发出来的NBOG需要适当的处理，以维持货舱的正常舱压。

不同类型动力装置的LNG船舶处理NBOG的方式不同。

LNG船处理货舱BOG的方法可以分为非再液化和再液化两类。

早期蒸汽轮机主机LNG船舶采用的NBOG处理方式为将货舱内挥发出来的天然气引入机舱双燃料锅炉燃烧，产生的蒸汽推动蒸汽轮机主机产生推力。这种方式为非再液化方式。近些年流行的配备DFDE（Dual Fuel Diesel Engine）双燃料发电机的电力推进LNG船舶上，货舱内的NBOG引入机舱双燃料发电机DFDE产生电力，推动电动机主机产生推力。

另外一种处理货舱BOG的方式是再液化。这种LNG船舶动力装置概念是货舱内挥发的NBOG由LNG再液化装置完全液化，再液化的液体再完全引回货舱内。这样，机舱内的主机则可以采用其他商船上广泛采用同时具有悠久历史的低速二冲程主机。

相比较而言，采用再液化装置的LNG船舶具有以下优点：

（1）因为货舱内挥发的BOG不必燃烧掉，因此可以提高所运输液货的量。（2）因为不需要为处理货舱BOG而烦恼，因此机舱内部可以采用传统的低速二冲程主机或者电力推进主机。技术上比较成熟，相关的管理人员资源比较丰富。（3）采用再液化装置的低速二冲程主机或者电力推进主机的动力装置整体热效率都要高于传统的蒸汽轮机主机。（4）相对于传统的蒸汽轮机动力装置而言，可以节约机舱空间，相应提高货舱容量。

3 BOG再液化装置

由于蒸汽轮机主机动力装置整体热效率只有30%左右，因此近些年来为了迎合国际上节能减排的需求，热效率相对较高的传统的大型低速柴油机（动力装置总体热效率可高达近60%，减排近30%）以及电力推进主机有日渐流行的流行的趋势。同时，随着Q-Flex和Q-Max大型LNG船舶的出现，货舱内的挥发BOG总量也急剧增加。相应地，为了有效地处理货舱内的BOG，在这些LNG船舶上BOG再液化装置也越来越多的被应用。2008年，HAMWORTHY公司的MARK I再液化系统在首次在Q-Flex船上得以应用；同年，CRYOSTAR 公司的EcoRel再液化装置首次在Q-Max船上得以应用。

LNG船舶上BOG再液化装置的功能是把货舱内挥发出来过量BOG通过制冷方式，将其温度降低到其沸点（-161.5℃）以下。它是一个从低温到更低温的制冷过程。目前，LNG船舶上应用的再液化方式有三种：

全部再液化。其特点是：理论上不存在货损，可采用高效节能的大型低速柴油机。

自持式再液化。其特点是：利用部分BOG来驱动燃气透平或者送入锅炉产生蒸汽来作为再液化装置的原动力。不需要船舶电网提供电能。实现自持式再液化。

部分再液化。其特点是将部分BOG再液化。剩余的BOG可以作为双燃料柴油机或者双燃料主机的燃料。此种方式适合于BOR高的LNG船舶，在低BOR的LNG船舶上要考虑其设备安装的经济性。

4 LNG船舶上再液化原理

从制冷原理讲，实现气体液化有三种方式：加压、降温以及加压降温结合。LNG船舶上的再液化是通过氮气封闭压缩膨胀循环来实现低温制冷。氮气经过三级压缩后在膨胀机内部进行等熵绝热膨胀，同时对透平膨胀机的轮轴做功，氮气做功消耗的内能带来的直接效果是氮气的温度下降，可以降低到-162℃达到天然气的液化温度-161.5℃。这样，气态的天然气就会被低温的氮气液化。

LNG船舶上应用的典型的再液化设备：

4.1 挪威Hamworthy KSE公司

Hamworthy的再液化设备已经发展到第三代MARK III。同其他主要再液化装置提供商采用的制冷原理一样，该系统采用氮气压缩膨胀原理来实现低温制冷。氮气相对于Hamworthy公司的第一代再液化装置而言，其第三代再液化装置对BOG处理方面采用三级（增加一个压缩机级）压缩然后再送入冷箱中进行冷却液化。这样的结果是BOG在较高的温度和压力下冷凝，因此能耗可以降低近15%。在此解决方案中，货舱来的BOG与再液化后的少量LNG在预冷器进口混合，这样可以对BOG在从货舱到预冷器之间的管路中吸收的热量进行补偿，同时预冷器中可以将BOG压缩机进口的残存液体有效分离从而防止压缩机吸液造成液击。预冷后的BOG在双级离心压缩机内被压缩至4.5bar。压缩后的BOG在低温换热器内被换热器另一侧的低温氮气冷成液态。再液化的LNG送入气液分离器内，再液化后的LNG被送入货舱液体空间，不凝性气体会在这里被分离并引回货舱蒸汽空间或者气体燃烧单元（GCU）。低温换热器和气液分离器集成在一个外敷绝缘的冷箱（Cold Box）内部以减小外界热量漏入。13.5巴的氮气经过三级压缩后压力提升到57巴。压缩过程中产生的热量由冷却器带走。然后高压氮气在冷箱内部被预冷至-110℃，预冷后的高压氮气在透平膨胀机内部膨胀至-163℃以冷却货舱挥发的BOG。透平膨胀机的制冷量通过想系统中注入或抽出氮气来进行调节。此外，膨胀机进口设置有一个进口导向叶片（Inlet Guide Vane， IGV）。通过调整IGV的角度也可以调节进入膨胀机内部的氮气量，从而可以调节膨胀机的制冷量（如图1）。

4.2 法国CRYOSTAR公司的EcoRel再液化装置

法国CRYOSTAR 公司的EcoRel再液化装置工作原理与HAMWORTHY公司的再液化装置相似，其原理为基于布雷顿循环（Brayton cycle）的氮气压缩及绝热膨胀循环。

以氮气为工作介质的透平膨胀机产生冷量，在低温冷却器内部货舱挥发的BOG被冷却成LNG然后送入液货舱。其最大的再液化能力为7Ton/h。货舱来的BOG由两级离心式压缩机进行压缩。每台压缩机进口配置有导流叶片（Deflector Guide Vane， DGV）。BOG由低温氮气进行中间冷却。压缩后的氮气在BOG降温器（板式翅片冷却器）中进行预冷，然后在BOG冷凝器中被再液化。这种设计的优势为，不锈钢换热器可以有效缓冲系统内温度波动，保护铝质BOG冷凝器。在此系统中，如果BOG中氮气含量低，再液化的BOG有稍微的过冷度，因此再液化的液体可以直接返回液货舱而不必经过气液分离器；然而，在BOG中氮气含量高的时候，再液化的BOG需要引入气液分离器内，不凝性氮气返回液货舱或者送入GCU中处理，而再液化的BOG返回液货舱。

氮气经过三级压缩后送入氮气冷却器内预冷，然后送入透平膨胀机内部等熵绝热膨胀做功。膨胀后的低温氮气在BOG冷凝器内部将BOG再液化。EcoRel的制冷量调节机制与Hamworthy公司的Mark I类似，透平膨胀机设置有进口导向叶片IGV和膨胀机的旁通阀，以进行较小制冷量调节。在没有制冷负荷的时候，氮气冷却器的旁通阀打开。在制冷量较大的时候，氮气循环回路内的进行循环的氮气量随负荷增大而增加（如图2）。

5 结语

伴随着国际上LNG运输业的发展，LNG船舶在中国发展势头迅猛，我国正在进入LNG产业井喷式发展的新阶段。我国国内市场上对LNG船舶建造、运营及管理人员的需求日益旺盛，相关人员的培训工作显得日益紧迫，了解LNG产业相关知识尤为重要。本文简单介绍了LNG船舶再液化装置的情况，希望这些内容能给相关LNG船舶工作提供一个有益的借鉴。