制冷液化技术在LNG船上的应用

徐 帅，施方乐

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

作为一种绿色、清洁、高热值的能源，天然气的需求量呈现快速增长的趋势，供需缺口逐渐扩大。因此，从国外进口天然气资源，调整能源结构，弥补能源短缺，满足日益加快的国民经济发展对新兴能源的需求，成为我国实施能源战略的重要决策[1]。液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船是进口天然气最主要的运输工具，配备有专门储藏LNG的货舱，并安装有特殊的绝热系统，尽量减少外界热量的传入，从而减少货舱内LNG的蒸发。但是，在此防护措施下仍会有热量穿过绝热系统进入货舱，使货舱内的LNG蒸发。对此，在LNG船上安装合适的再液化装置是一种可行的方法。

再液化装置型式多样，通过调研发现，氮气膨胀制冷液化技术、混合制冷液化技术和直接制冷液化技术是目前主要采用的3种技术。

1 氮气膨胀制冷液化技术

氮气膨胀制冷液化技术采用布雷顿循环原理，亦称焦耳循环或气体制冷机循环，以气体为介质，包含等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热等4个工作过程[2]，氮气在该工艺流程中不发生相态改变。历史上首台气体制冷机以空气作为介质，称为空气制冷机[3]。除了空气以外，也可根据不同的使用目的，将CO2、氮气和氦气等气体作为介质。

LNG船上的再液化装置普遍采用氮气膨胀制冷液化技术。这种技术简单，容易实现。氮气膨胀制冷液化典型原理图见图1。

图1 氮气膨胀制冷液化典型原理图

氮气膨胀制冷液化技术包括货物循环和氮气循环2个循环，其中：货物循环的主要设备包括蒸发气压缩机、蒸发气中间冷却器、蒸发气减温器和蒸发器冷凝器；氮气循环的主要设备包括氮气膨胀机（见图2）、氮气热交换器和氮气中后冷却器。

图2 氮气膨胀机

2008年以来，采用氮气膨胀制冷液化技术的再液化装置在诸多实船上得到应用，例如在韩国建造的49艘LNG船、在日本建造的3艘LNG船和在我国建造的8艘LNG船上都安装有采用氮气膨胀制冷液化技术的再液化装置，运行记录显示良好，获得船东的肯定。此外，制冷剂氮气在该装置工作过程中不发生相变，控制简单。但是，这种技术的效率较低、耗电量较大。在此背景下，新的制冷液化技术就应运而生，混合制冷液化技术和直接制冷液化技术是其中的代表。

2 混合制冷液化技术

混合制冷液化技术采用二级制冷液化设计，由2个制冷循环组成，即混合制冷剂系统和丙烷系统。货舱内的蒸发气首先经过船上的蒸发气压缩机压缩至 0.65MPa，然后在一级制冷循环中冷却至-10℃，最后在二级制冷循环中冷却至-160℃，返回至货舱。在整个制冷液化过程中，提高二级制冷控制，使系统稳定运行，不受外界温度变化的影响，保证系统满足负荷平稳、能耗降低和及时响应货舱蒸发气控制的要求。

混合制冷液化技术典型原理图见图3。

图3 混合制冷液化技术典型原理图

混合制冷剂系统的主要设备[4]包括混合制冷剂压缩机（见图4）、滑油分离筒、滑油冷却器、滑油滤器和滑油泵、混合制冷剂预冷却器和后冷却器、混合制冷剂分离器、混合制冷剂膨胀筒、蒸发气冷凝器和废气排放分离器。

图4 混合制冷剂压缩机

丙烷系统的主要设备包括丙烷压缩机、滑油分离筒、滑油冷却器、滑油滤器和滑油泵、丙烷冷凝器、丙烷经济器、气液分离筒、蒸发气预冷却器和丙烷储藏罐。

该技术是船用新技术，具有能耗低、耗电量小、便于模块化集成整合、安装方便和造价低等优势。2016年在韩国建造的某17.4万m3LNG船上安装了4t/h的蒸发气制冷液化系统，一旦通过实船营运检验，未来会有更多的船舶选择采用混合制冷液化技术。

3 直接制冷液化技术

直接制冷液化技术采用逆布雷顿循环原理，逆布雷顿循环是采用气体作为介质的制冷循环，通过压缩机等熵压缩，经过后冷却器冷却、回热器降温，在透平膨胀机内等熵绝热膨胀并对外做功，获得低温气流，由此制取冷量。直接制冷液化技术典型原理图见图5。直接制冷液化技术的主要设备包括透平压缩机、热交换器和马达磁性轴承控制柜等。包括透平压缩机的制冷液化模块见图6。

图5 直接制冷液化技术典型原理图

图6 包括透平压缩机的制冷液化模块

尽管该技术是船用新技术，但具有结构紧凑、占地面积小、便于在船上布置、能耗相对低、耗电量较小和造价较低等优势。2017年壳牌船东的某6500m3LNG加注船上安装了0.5t/h的蒸发气制冷液化系统，运行情况良好，获得船东的好评。此外，在韩国建造的2艘17.4万m3LNG船上也安装了1.2t/h的蒸发气制冷液化系统。

4 结 语

在 LNG船的制冷液化系统中，目前主要采用氮气膨胀制冷液化、混合制冷液化和直接制冷液化等 3种技术，其中：氮气膨胀制冷液化技术发展比较早，应用较多，但设备比较多，占地面积较大，维护保养复杂；混合制冷液化技术是由陆用转到船用的技术，效率较高，采购成本较低；直接制冷液化技术是最新开发的系统，配置简单，占地面积较小，维护保养容易，容量较小。

综合考虑各种因素，可在大型LNG船上安装混合制冷液化系统或直接制冷液化系统，在小型LNG船上安装直接制冷液化系统。