再液化系统在LNG船上的实际应用

王 磊 徐 立 陆陈康（中国船级社上海分社 上海200135）



再液化系统在LNG船上的实际应用

王 磊 徐 立 陆陈康
（中国船级社上海分社 上海200135）

［摘 要］LNG船存在的突出问题是LNG吸收外界热量挥发而造成货损，而利用再液化装置将挥发的低温天然气（Boil Off Gas，简称BOG）重新冷凝液化并输送回液货舱是目前LNG船处理BOG的主要方式之一。文中首先介绍了再液化原理及分类；然后对全部再液化系统的设备组成、工作流程及操作模式在LNG船上的应用进行分析；最后，展望了未来LNG船安装再液化系统的应用趋势。

［关键词］低温天然气；再液化系统；工作流程；操作模式

徐 立（1966-），男，博士后，高级工程师，研究方向：船舶检验。

陆陈康（1964-），男，高级工程师，研究方向：船舶检验。

引 言

由于油价上涨及大气污染日益严重，致使新能源LNG需求量逐年增加，全球每年LNG运输贸易量也急剧增加，LNG船作为运输贸易主要的货运手段，当前突出问题是LNG吸收外界热量挥发造成货损，挥发的低温天然气（Boil Off Gas，简称BOG ），主要成分是甲烷（90%以上）、乙烷、氮气及少量烷烃的低温气体［1］。目前LNG船处理BOG主要有两种方式：一种是将BOG进行燃烧用于全船的能源供应，如将BOG作为主锅炉燃烧或双燃料柴油机的燃料；另一种是本文即将介绍的利用再液化装置将BOG重新冷凝液化并输送回液货舱［2］。

1 再液化装置制冷原理及类型

再液化过程是指BOG（-110℃左右）通过低温制冷让其变成LNG（-162℃左右）并重新输送回货舱的过程，是一个从低温到更低温的制冷过程，主要采用的是逆布雷顿循环制冷原理，由等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热四个过程组成［3］，并可简单归结为：冷却介质（一般为氮气）在压缩机中被压缩，然后在膨胀过程得到低温氮气（-170℃左右），通过热交换器来冷却BOG变为LNG，其中氮气循环量的变化与再液化装置的热负荷相对应［4］。

再液化装置一般可分为以下三种类型：全部再液化装置、自持式再液化装置和部分再液化装置。简述如下：

（1）全部再液化装置理论上没有货物损失，且可以取消对蒸汽动力装置的使用，但需要较大电力负荷；

（2）自持式再液化装置是靠部分BOG来推动燃气轮机，满足再液化装置所需的动力，同时让剩余的BOG再液化，这种装置需要额外配置1台燃气轮机，占用较大空间，成本也较高。

（3）部分再液化装置是将BOG的30%进行再液化，其余部分除了用于再液化过程的热交换之外，可在锅炉内作为燃料被燃烧掉，主要对LNG蒸发率较高且动力装置用不完BOG的LNG船比较实用［5］。

图1　再液化装置设备组成

2 全部再液化装置系统设备组成

目前LNG船上应用较多的是全部再液化装置，其设备装置节省空间、布置紧凑，以BOG压缩机和马达为界限分别布置在货物机械室和货物马达室，确保了运转的可靠性和安全性。以某LNG船为例，该再液化系统主要包括下列设备，如图1所示：1个氮气柜，1个氮气缓冲柜，1个氮气密封气缓冲柜，1个氮气干燥系统，2个氮气膨胀机，2个三级冷却器，1个逆流式氮气热交换器，2个BOG压缩机，2个中间冷却器，1个BOG减温器，1个BOG冷凝器，1个废气加热器和1套气液分离单元（包含LNG返回泵）［6］，其中氮气压缩机是1台带有膨胀机的三级整体齿轮式离心压缩机，三级压缩和膨胀由1个马达带动，设计更加紧凑，也减少了电动机的功率消耗［5］，并设有2套氮气压缩系统和BOG压缩系统，其冗余性可以确保压缩机马达或淡水冷却装置故障时再液化系统可靠运行，同时当BOG流量较大时可以运行2台压缩机进行再液化，提高再液化的效率。

3 再液化装置的工作流程

再液化装置的操作运行流程（下页图2）可分为制冷介质（氮气）循环和BOG循环。

3.1 制冷介质循环（氮气循环）

氮气（约为30℃）进入循环系统先经压缩机依次进行一级、二级、三级压缩及等压冷却后产生高压氮气，然后经过逆流式热交换器进行充分的热交换，最后进入膨胀机进行等熵膨胀，产生-175℃左右的低温氮气。低温氮气依次经过BOG冷凝器、BOG减温器和中间冷却器对BOG进行冷却降温，再经过逆流式热交换器与膨胀前的氮气进行热交换并回到氮气膨胀机的一级压缩进口，至此氮气完成一个完整的闭式循环。

图2　再液化装置的工作流程循环图

3.2 BOG循环

BOG（-110℃左右）经过挥发气管路进入压缩机，经过一级压缩后温度升到-69℃，经中间冷却器冷却至约-129℃再次进入压缩机进行二级压缩后温度约为-74℃，经BOG减温器冷却后温度降为-140℃左右，压力基本保持不变。在等压状态下，再次经BOG冷凝器进行冷却，温度将降至-170℃左右，此时被极度冷却的BOG将进入气液分离单元，分离出来的LNG经气液分离单元内的返回泵输回液货舱，至此BOG循环结束［7］。

4 再液化装置的实际应用

在实际循环过程中，其氮气循环主要工况参数与功率的实测如表1所示。

随着压缩机的负荷增加，氮气的压力也随之增加，但冷却后的温度并未有太大的变化，说明负荷的增加并未影响实际的制冷量，所以在这个闭式循环中，起外因作用的是BOG的流量。BOG的流量通过位于总管上的压力传感器监控，通过控制系统对BOG压缩机和氮气压缩机的负荷进行调节，以便获得足够的制冷量将BOG冷凝成LNG，从而保持总管内的压力在正常范围内。

船舶在正常航行途中，LNG液货舱主要由货物维护系统维持低温状态，制造厂初始设计日蒸发量不超过0.15%，但由于载货量不同导致船舶在装载途中产生的晃荡程度不同、航线不同（热带和温带）、液货舱外表温度不同以及货物维护系统的使用寿命等原因，LNG挥发量无法正确估算；一般来说，载运量多、温带航线运营以及船舶初始投入运营，产生的BOG流量少，反之则相反。

表1　氮气循环工况参数与功率对照表

根据BOG的流量多少，再液化装置的操作可以分为以下三种模式：

（1）全部再液化模式：单台BOG压缩机运转，压缩后的全部BOG经BOG减温器和冷凝器冷却后直接返回液货舱。如果BOG过量，则使用两台BOG压缩机运转。

（2）部分再液化模式，由于LNG船初装货物时，需要利用氮气对货舱进行惰化，导致装货后BOG中氮气含量高，在气液分离单元中存在较多的气体（氮气和BOG的混合气），这些气体经废气加热器加热后被输送入GCU（Gas Combustion Unit，气体燃烧装置）进行燃烧，气液分离单元中的LNG则返回至液货舱。

（3）低流量处理模式，适用于BOG较少的情况，氮气循环系统停止工作，只有单台BOG压缩机运转，压缩后的BOG经BOG加热器加热后直接经GCU燃烧。

5 结 论

再液化装置使用氮气作为逆布雷顿循环的冷却介质，可有效达到深冷制冷要求，其中全部再液化装置以其节省空间、布置紧凑，设备可按照两个循环分别布置在货物机械室和货物马达室的特点，确保了运转的可靠性和安全性。在当前全球船市持续低迷的状况下，LNG船作为高附加值船舶已受到国内不少船企的关注，而其采用挥发气再液化后不仅减少货损，增加运输能力，而再液化装置装船后具有较强的投资成本优势和良好的营运经济性。可以预见越来越多的LNG船将选择安装再液化装置。希望本文对再液化装置基本原理及分类，以及对LNG船上实际设备组成、工作流程和操作模式的介绍，能为国内的同行带来一定的帮助。

［参考文献］

［1］ 李亚军，陈蒙. LNG接受站BOG多阶压缩再液化工艺优化分析［J］.化工学报，2013（3）：987-992.

［2］ 王小尚，刘景俊. LNG接收站BOG处理工艺优化［J］.集输与加工，2014（4）：125-131.

［3］ 周明顺，李博洋. LNG船蒸发气再液化经济性分析［J］.船舶工程， 2009（31）：147-150.

［4］ 黄海波. LNG船配置再液化装置可行性分析［J］.中国水运，2008（10）：29-30.

［5］ 丁立勋，李斌. 液化天然气船蒸发气再液化方法分析［J］.青岛远洋船员学院学报，2009（30）：51-54.

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

［7］ 仉大志，张余庆. 再液化装置在LNG船上的应用［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

［作者简介］王 磊（1985-），男，硕士，高级工程师，研究方向：船舶检验。

［收稿日期］2015-05-06；［修回日期］2015-06-03

［中图分类号］U672.6

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）01-0068-04