再液化及蒸汽处理系统在大型LNG船上的应用

2020-01-01李红波

造船技术 2019年6期

崔貌，李红波，杨轶

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

0 引言

天然气在环境大气压力下，通过LNG船以液体形式长距离运输。在LNG船航行过程中，不可避免地会有热量渗入系统，部分液货会挥发。虽然液货舱的绝缘层能将乘载的LNG的蒸发率控制在0.15%左右，但超过20天自然挥发的气体(Natural Boil-Off Gas， NBOG)就大约等于总容量的3%，随着NBOG的增多，液货舱内的压力也会随之上升[1]。为将液货舱内的压力维持在大气压水平，必须处理液货舱内的NBOG。在一般情况下，蒸发气(Boil-Off Gas， BOG)的处理方法主要有两种：一是以蒸汽轮机、双燃料发动机或燃气轮机作为动力装置的LNG船，将BOG作为主机或锅炉的燃料；二是安装某种形式的再液化装置，将超压的BOG重新冷凝液化后再送回到液货舱中[2]。

本文以某船厂建造的配备瓦锡兰再液化系统的某大型双燃料电力推进系统(Dual-Fuel Diesel Electric， DFDE)LNG船为研究载体，探讨其再液化及蒸汽处理系统的组成和用途。

1 蒸汽处理系统

蒸汽处理系统的主要作用是保证液货舱舱压能够维持在正常操作极限内，同时保证在任何舱压和LNG组分下均可为双燃料发动机提供所需压力和温度下的燃料。燃料可以是NBOG或由液货舱中的LNG强制汽化而来的气体，也可以是这两种来源的混合气。操作者可根据推进系统的需要进行选择，不过为了避免舱压过高，首选是NBOG。

蒸汽处理系统主要包括：2台LD BOG压缩机、1台气液分离器和1台强制汽化器。

蒸汽处理系统的原理如图1所示，主要设备是LD BOG压缩机。NBOG、强制汽化的LNG或这二者的混合气先通过加热器加热，再经过LD BOG压缩机送至双燃料发电机。如果需要的话，可以先用预加热器加热气体。如果预加热器不能提供足够的热量，可再用蒸汽加热器加热。气体经过LD BOG压缩机升压至双燃料发电机要求的压力，再经过冷却器的冷却，温度可以维持在40 ℃左右。

图1 蒸汽系统原理图

如果双燃料发电机需要的燃气量多于液货舱自然挥发的BOG量，可通过强制汽化器提供额外的燃气量。在这种工况下，液货舱中的LNG被LNG供给泵打出液货舱；再经强制汽化器汽化后与BOG混合，温度控制在-100 ℃左右；然后送至加热器，加热至35 ℃，再送至压缩机。

LNG船装载DFDE，同时还配备再液化系统，蒸汽处理系统具体可分为以下几种操作模式：

(1) 从1台LD BOG压缩机到DFDE;

(2) 从1台LD BOG压缩机到DFDE和再液化系统；

(3) 从1台LD BOG压缩机到DFDE和气体燃烧单元(Gas Combustion Unit, GCU)；

(4) 从1台LD BOG压缩机到DFDE、再液化系统和GCU；

(5) 从2台LD BOG压缩机到DFDE和GCU;

(6) 从1台LD BOG压缩机到DFDE，另外1台到再液化系统；

(7) 从1台LD BOG压缩机到DFDE，另外1台到GCU；

(8) LD BOG压缩机不启动；

(9) 将LNG作为燃料供应。

其中，在第8种操作模式下，BOG只能自然流动到GCU或再液化系统。自然流动是指不启动压缩机，仅依靠液货舱与再液化气液分离器的压差，使BOG通过压缩机的旁通管路流至再液化系统中。

2 再液化系统

再液化系统的主要作用是通过将BOG液化来控制液货舱舱压，避免其压力过高。当产生的BOG量过多，除了给主机消耗以外还有剩余时，再液化系统就会启动。特别是船舶低速航行，DFDE消耗的BOG量小时，系统需要提供足够的冷量来处理70%的NBOG。

再液化系统包括BOG循环和氮气循环，主要包括：氮气膨胀机、预加热器、蒸汽加热器、板翅式换热器、再液化LBOG汽液分离器、氮气贮存罐、氮气压缩机。

2.1 BOG循环

BOG循环(见图2)是一个独立的循环，包括预加热器、板翅式换热器和再液化气液分离器。聚集在挥发气总管中的BOG经过预加热器中氮气的加热，温度达到36 ℃；再经过LD BOG压缩机的压缩，压力从103 kPa上升至700～800 kPa；而温度又在冷却器的作用下降至45 ℃；再送到热量交换器中冷凝至-160 ℃，以达到再液化的目的。LNG和一些不能压缩的气体将在分离器中分离，其中液体会在分离器与液货舱压差的作用下被打回液货舱，而气体会回到液货舱或送至GCU燃烧。在通常情况下，分离器与液货舱之前的压差是足够的，但是液体在自然流动状态下则需要用LNG返回泵打回液货舱。

图2 BOG循环

在满载航行时，船上的具体情况可能与设计情况有所不同，主要有以下几个方面：(1)环境温度不同使得BOG的蒸发率和(或)BOG的温度发生变化；(2)航次不同，BOG的成分也不同；(3)在压载或满载航行时，船的整体温度不同；(4)挥发气中氮气消耗与否影响气体成分。这些则可通过再液化能力的调整来控制。

2.2 氮气循环

再液化系统的低温是由一个封闭的氮气循环系统(见图3)产生的，其原理是逆布雷顿循环[3]。系统包括3级压缩过程，每级压缩中都有一个冷却器。经过3级压缩后的气体，压力由1 020 kPa左右上升至4 350 kPa。此时气体分两部分：一部分气体会送至预加热器，热量用于加热BOG，自身温度会降至-50 ℃，然后送至板翅式换热器中继续冷却；另一部分则直接送至板翅式换热器中，用于热量交换。从换热器出来的气体温度在-110 ℃左右，再经过膨胀机膨胀作用后，温度可达-165 ℃，压力在105 MPa。这种低温气体会被送至板翅式换热器中与BOG进行热量交换，为BOG的液化提供需要的冷量。换热之后的氮气温度上升至35 ℃左右，并回到LD BOG压缩机的一级压缩入口，开始下一个循环。

图3 氮气循环

再液化能力范围是0%～100%，其中0%意味着对再液化系统作旁通处理。在这种工况下，再液化系统产生的冷量仅可消除周围环境向管子或设备渗入的热量。在航行中的某个工况下，需要的再液化能力主要取决于蒸发气总管的压力，而再液化能力的控制是由改变氮气循环中的质量流量来实现的。压缩机处理的气体量是一定的，只要改变氮气循环中氮气的压力，就可改变氮气的密度，从而改变循环中的质量流量。改变循环中氮气的压力，则是通过氮气贮存罐来实现的。当需要提高再液化能力时，就需要提高一级压缩机的入口压力，氮气会从贮存罐流到压缩机的一级入口；当需要降低再液化能力时，经过3级压缩过的高压氮气便不再参与热量交换，而是流到贮存罐中。

如果BOG中氮气的摩尔分数超过16.8%，那么BOG只能被部分液化。未液化的气体中有很大一部分是氮气，其会被送至GCU燃烧，或返回至液货舱。若需回液货舱的话，氮气需要在主机烧气模式下消耗，避免氮气在液货舱内的积累，影响LNG的成分。

再液化系统工作模式如图4所示。