中小型液化气船再液化系统工艺

于新宇

(中船第九设计研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

随着海上油气资源的深入开发，国内沿海的LNG接收站陆续建成投产，LNG物流量逐步增长，中小型液化气船在沿海及内河的应用前景十分广阔[1]。

液化气运输船可分为LPG船和LNG船两大系列。液货系统是液化气运输船的关键设备，关系到液化气体的安全储存、装卸。在中小型液化气船设计建造领域，中国目前还停留在依托国外技术和图纸进行施工及制造的模式，在液货系统设计等关键技术方面基本处于空白，与国外存在很大差距。本文就中小型液化气船液货系统核心——蒸发气体(Boil Off Gas，BOG)再液化系统工艺进行研究，力求逐步探索液货系统关键技术。

1 中国天然气供求现状

截至2007年，我国天然气探明储量为4.7万亿m3，占全球天然气探明储量的份额很小，仅约2.5%。截至2010年，我国天然气生产量为945亿m3(6 750万t)，消耗量为1 070亿m3(7 643万t)。预计至2030年，天然气消耗量将达3 310亿m3，粗略折算LNG年需求量达2.36亿t。

中国天然气气源包括陆地气田、海洋气田和进口LNG及PNG(管道天然气，例如从俄罗斯、缅甸等国进口的天然气)，近年来还正在开发页岩气。中国是亚太地区唯一同时进口LNG和PNG的国家，从海外进口LNG只能采用LNG船将LNG运至国内已建及拟建的LNG接收站，再经卸船后送达目的地。

2 国内外中小型液化气船应用及开发概况

中小型液化气船船型按舱容划分：LNG船方面，中型船舱容一般为3万～12万m3，小型船则指3万m3以下的船舶；LPG船方面，中型船指2万m3左右舱容的船舶，小型船指几千立方米舱容的船舶，目前世界上最大的LPG船为8.3万m3，被标为特大型。

国外应用的LNG船主流船型为12.5万m3，最大已达26万m3。截至2012年，全球已交付了361艘LNG新造船，全部为大于12.5万m3的船型。中小型LNG船则主要用于LNG的二程转运、城市调峰应急站与储备库及5万吨级码头以下的接收站之间的运输。

在LPG船的应用方面，2万m3及以上舱容的LPG船主要在国外用于海运贸易，国内应用的LPG船大部分为1万m3以下，用于沿海转运。

液化气船根据可运输液货的品种可分为单一用途船、双用途船和多用途船。单一用途船、双用途船通常舱容大，多用途液化气船通常舱容偏小。

国内在LNG船及LPG船的建造方面已具有一定经验，并已进入液化气运输船的建造大国行列。但是，国内建造的这些液化气运输船的设计与核心技术，包括再液化系统工艺技术，仍基本依靠国外。

3 液化气运输船运输形式

液化气运输船按货物运输方式一般分为全压式、半冷半压式和全冷式3种[2]，如表1所示。

表1 液化气运输船货物运输方式

4 BOG再液化系统工艺

20世纪七八十年代，业界提出了在LNG船上配置BOG再液化系统，使液货舱产生的BOG冷凝后再送回液货舱内，以保证舱内货物温度与压力处于合适范围之内。对使用柴油作为主推进装置动力燃料的船，若动力装置已经采用或拟改成双燃料系统，则可将BOG凝液作为燃料，增加推进系统动力的冗余度[3]。

液化气运输船的BOG再液化系统的开发起步较晚，直至2006年才在LNG船“Jamal”上安装了首个BOG再液化系统，系统自2009年起才开始推广。

4.1 LNG船再液化系统工艺的应用

2006年，LNG船“Jamal”安装了首个船用BOG再液化系统，与之相配的动力装备是传统蒸汽锅炉和汽轮机，液化能力1～3 t/h，降低了航运过程中LNG的气化损失。

2009年，Hamworthy 和 Cryostar 两家公司为Qatargas 2项目提供了14套LNG船用BOG再液化系统。其中，Hamworthy 为8艘Q-Flex级LNG船提供BOG再液化系统，Cryostar为6艘Q-Max级LNG船提供BOG再液化系统。两家公司的再液化系统在设计理念上大体相似，BOG通过压缩机进行两级压缩，然后进入换热器液化。两个系统的制冷量都来自氮气压缩系统，氮气压缩系统包括1台两级压缩机和1台单级膨胀机。同年，挪威科技工业研究院(Sintef)开发的小型LNG船BOG再液化系统在“诺捷创新”号上试用，该船为多用途船，除液化天然气外，还可装载其他多种液化介质。

4.2 LNG船再液化系统工艺

具代表性的LNG船再液化系统工艺介绍如下：

(1) Hamworthy公司的再液化系统工艺

Hamworthy公司生产的再液化系统在船用配套领域居于行业前茅。但是，运行该再液化系统需消耗大量电能，通常由柴油发电机驱动。随着市场需求发展，LNG船的舱容不断变大，BOG产量相应增大，从而不断增大该液化工艺系统的电力需求。

该系统优点:可降低天然气的含氮量；装置的集成度较高，便于现场安装施工；设备体积小；装置的调节幅度较宽，最低50%容量仍可正常运行；装置与液货泵非同时使用，不影响供电总容量；无新增操作人员需求[4]。

工艺流程如图1所示。

图1 Hamworthy再液化系统工艺流程

(2) Cryostar 公司的再液化系统工艺

Cryostar 公司的再液化系统基于焦耳循环理论(以气体为工质的制冷循环，工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热等4个过程)开发，采用氮气作为冷却剂，氮气制冷设备和冷凝设备均分开单独布置。

该系统优点:系统设备体积小；制冷设备集成度高，主要设备使用1套润滑系统，大幅节省使用成本；利用液货的冷能对BOG气体进行预冷，可以降低系统电能消耗，节约能源；BOG气体在封闭系统内100%循环液化，无废气处理需求，环保安全。

工艺流程如图2所示。

图2 Cryostar再液化系统工艺流程

(3) Sintef的再液化系统工艺

Sintef研发了Mini-LNG再液化系统，主要针对小型LNG船的BOG再液化工艺，液化量在10～100 t/d，与Hamworthy和Cryostar两公司的再液化系统的最大区别在于使用的制冷剂为混合制冷剂，BOG经过压缩后先用丙烯预冷，再用混合制冷剂将气体冷却至-140 ℃，闪蒸降压之后进入储罐，降压之后的流体有一部分汽化，须通过再液化装置循环液化。

该系统的优点:选用标准设备，减少设备投资及设备生产时间；安装在钢制框架内，实现装置模块化；采用混合制冷剂，降低能耗；适应设备运行条件及天然气组分的变化。

工艺流程如图3所示。

图3 Mini-LNG再液化系统工艺流程

4.3 LPG船再液化系统工艺

LPG船舱容比LNG船小，目前全球最大的LPG船舱容为8.3万m3，LPG船液货的常温沸点远高于LNG船的液货，液货舱的设计温度一般为-42～-48 ℃[5]。因此，一般再液化装置可用于半冷半压式LPG船，也可用于全冷式LPG船，全压式LPG船不需要设置再液化系统。

(1) 单级压缩直接制冷循环工艺

液货舱中的BOG经压缩机压缩，水冷可使BOG冷凝。该系统中再液化设备平稳工作需要压缩机入口有一定的气压，故该工艺系统对半冷半压式LPG船更为合适。

该系统的优点：系统简单可靠；运营费用低、经济性好。

工艺流程如图4所示。

图4 单级压缩直接制冷循环工艺流程

(2) 两级压缩直接制冷循环工艺

两级压缩制冷循环过程分两次来实现，即液货舱挥发的BOG经过气液分离器后，先用低压压缩机(或压缩机的低压级)压缩到中间压力，然后再用高压压缩机(或压缩机的高压级)压缩到冷凝压力，因此需要用两台压缩机或使用双级压缩机。该制冷循环适用于运送BOG压力低的液化介质，对于半冷半压、全冷式LPG船尤为适用。

该系统的优点：简单可靠，运营维护费用低，经济性好，方便调度操作。

工艺流程如图5所示。

图5 两级压缩直接制冷循环工艺流程

(3) 复叠式直接制冷循环工艺

复叠式制冷循环是将较大的总温差分割成两段或若干段，根据每段的温区选择适宜的制冷剂进行循环，然后将它们叠加起来，用高温级的制冷量承担低温级的冷凝负荷，从而获得较低的制冷温度。该系统是由两个单级压缩制冷循环串联叠加而成的复叠工作循环，两级系统之间通过中间冷却器衔接起来，从而获得较低的温度。该装置本质上是应用单级循环制冷原理，与单级压缩工艺的区别在于中间冷却器使用专业制冷剂，而非开式海水循环。

该系统的优点：设备的液化效能不受外部环境因素影响，工作稳定，制冷再液化能力强；缺点：设备较多，工艺复杂，操作难度大，通常情况下用于全冷式LPG船。

工艺流程如图6所示。

图6 复叠式直接制冷循环工艺流程

5 结 论

天然气是全球公认的绿色能源，具有安全、高效、经济和环保等特点。天然气也是消费量增长最快的能源，占一次性能源的比重将越来越高。中小型液化气船具有装载量小、制造成本低、装卸设备投资小及运作灵活等特点，被广泛应用于液化气的中转。预计未来十几年内，中国主要用于大型LNG接收站与沿海及内陆地区用户之间二程转运的中小型LNG船将超过百艘。

开发具有自主知识产权的液化气运输船，对发展中国造船事业、推进清洁能源的应用具有重大意义。本文通过对比国外主流LNG船和LPG船BOG再液化系统工艺，为中小型液化气船液货系统的整体开发提供理论基础和参考。今后将继续针对中小型液化气船液货系统工艺、装卸系统、主要工艺设备、流阻计算、应力分析、保冷设计等方面进行深入研究。