LNG船上再液化装置概述

1、LNG 船上再液化装置概述摘要：采用带有再液化装置的低速二冲程柴油机作为大型 LNG 船的主推进装置是将来的 一种发展趋势。 本文分析法国 Cryostar 公司 EcoRel 再液化系统的工作原理、 特点和优点， 最后 提出 LNG船再液化装置的选用原则。关键词：LNG 船；再液化装置前言:众所周知,船舶的每一种推进装置都需要至少一台原动机来提供能源。对于现代船舶，原动 机主要有柴油机、蒸汽轮机、燃汽轮机、燃汽轮机 2 电动机和柴油机-电动机等型式。这其中, 以柴油机的使用最为普遍，但是其它型式的原动机也有其特点，在某些类型的船舶中，会有广泛 的应用。从液化天然气(LNG)船问世至今，其动力

2、装置的原动机几乎都选用蒸汽轮机,这主要是因 为LNG 船在航行时货舱中产生的蒸发燃气(BOG)较多，将其送入锅炉中作燃料是一个较为简单 的处理办法。在世界石油危机前，BOG 是无偿使用的，而且蒸汽轮机的输出功率相对较大，可燃 烧低质燃油,维修成本也相对较低。然而蒸汽轮机较低的热效率又促使人们不断研究新型的 LNG 船推进装置，目前全球多家发动机厂家都在对以双燃料柴油机、燃气轮机或低速柴油机取代蒸汽轮机，来作为新一代 LNG 船推进装置的可能性进行研究和探讨。但在近期内传统的双燃 料锅炉-蒸汽轮机装置仍将在 LNG 船的推进装置中占统治地位。本文将重点介绍 LNG 船上再液化装置的具体原理以及相

3、关特点，并对再液化装置的未来 发展趋势进行展望。I.EcoReI.EcoRe 再液化系统的工作原理目前法国 Cryostar 公司的 EcoRel(Economic，Re-liable and Ecologic Reliquefaction system)再液化系统安装在 14 艘 265000m：船上，EcoRel 再液化系统属于间接式全部再液化系统，使用 氮气作为制冷循环的冷却介质来产生冷却作用。制冷装置设于安全的电动机间内，包括三级 氮气压缩机、一个单级膨胀机和逆流换热器等。冷凝器设于货物压缩机间内，蒸发气压缩机 为两级压缩机。在间接热交换器里通过天然气蒸发气后，冷的氮气返回到压缩机。天

4、然气蒸 发气被压缩，然后通过氮气的间接热交换器冷凝，如图1 所示EcoRel 再液化系统是根据闭式氮气逆布雷顿循环来产生需要的低温能量来冷凝蒸发气(BOG)。产生的低温能量与需要再液化的蒸发气的数量成正比，并通过调节氮气循环内循环 的氮气量来调整。冷凝温度受蒸发气的成分和发生冷凝所选择的压力的影响。EcoRel 再液化系统的工作原理见图 22。I.IEeoReI.IEeoRe 蒸发气再液化循环 蒸发气再液化循环全部装在气体危险区域，由一台带中间冷却器的两级蒸发气压缩机、 冷凝器和在每个货舱装有排出集气管的冷凝器 LNG 混合装置组成。通过一台两级蒸发气压缩机从 LNG 液货舱内抽吸蒸发气，在蒸

5、发气压缩机里面蒸发气压 缩到0.4MPa0.5MPa,通过混合设备来控制蒸发气压缩机的吸入口温度。在这个压力下，来 自逆布雷顿低温制冷循环的氮气在冷凝器里面冷凝蒸发气，冷凝后的 LNG 膨胀到舱内压力并 与额外的 LNG 再次混合以避免氮气富气闪发。蒸发气压缩机采用低级压缩机，由两级压缩机组成，每级装有高级锻造铝转子的扩压器 导向叶片，安装在一个共用的高级速度递增的齿轮箱上。此类压缩机与安装在双燃料发动机 电力推进（DFDE，dualfuel diesel electric）的 LNG 船上压缩机很类似，只是在再液化系统中的 压缩机的排出压力要高些。在台架上装有完整的压缩机润滑油和密封气体系统

6、，并且齿轮箱 上装有舱壁和舱壁密封。在台架上安装本安型并带有模板的机旁控制，同时在安全区域装有 遥控操作。两级低级压缩机通过单级或变速马达驱动。1.21.2 布雷顿氮气低温制冷循环氮气制冷循环安装在安全区域内，由一台氮气 “压缩膨胀器 ”、一台大型逆流热交换器和 与蒸发气循环共用的冷凝器组成。在闭式逆布雷顿循环里， 在利用水冷却的中间和后冷却器的三级压缩机中氮气在环境温 度下从1MPa1。5MPa 的低压压缩到 4Mpa6MPa 的高压。氮气气流在逆流板翅式换热器里预 冷，然后氮气气流在低温径流式透平膨胀机内膨胀。膨胀过程进一步冷却氮气，因此氮气的 冷能在冷凝器内与蒸发气换热，吸收蒸发气的热量

7、而升温。然后利用逆流板翅式换热器使得 氮气又恢复到环境温度并进入压缩机吸入口。带中间后冷却器的三级压缩机和一台低温透 平膨胀机称作为一个 “压缩膨胀器 ”，安装在一个共用的齿轮箱上，这个 “压缩膨胀器”是由 Cryostar 公司 1996 年应用在空气分离装置时提出的概念。 为了限制瞬间峰值电流 压缩膨胀器 采用 6MW 的变频电机驱动。为了操作灵活，冷凝器分成两个部分：一个蒸发气减温器和一个冷凝器。蒸发气减温器 是用来保护蒸发气冷凝器发生温度突变，这样布置有利于蒸发气循环回路能快速启动，并且 根据不同的蒸发气组成成分进行灵活的操作。在 Q-max LNG 船上需要再液化的蒸发气（BOG）数

8、量为 7t/h。在假设蒸发气（BOG）压缩机 的进口处气体温度为-100C的情况下，膨胀机需要的功率是 5.2MW，通过膨胀机大约能回收800kW。整套再液化装置提供了过程控制，与 LNG 船上中央综合自动化系统（IAS） 中的全综合机器 控制逻辑一样。2.EcoRel2.EcoRel 再液化系统的特点和优点：2.12.1 EcoReEcoRe 再液化系统的特点如：1） 深冷制冷过程是采用廉价和安全的氮气作为冷剂的逆布雷顿循环；2） BOG 冷凝器位于货物机械室；3） 两级蒸发气压缩机位于舱壁密封的货物机械室内，而驱动电机位于电动机间；4） 仅采用通过舱壁的两根冷管来工艺连接到电动机间的制冷台

9、架；5） 制冷机械台架位于安全的电动机间，包括一个齿轮箱连接的 3 级氮气压缩机和一级膨胀 机以及冷却器台架和逆流热交换器。2.22.2 EcoReEcoRe 再液化系统的优点：1）节省空间，布置紧凑：氮气再循环压缩机和膨胀柳/增压压缩机结合成一个膨胀器，并共用一套润滑油系统安装在安全区域；但操作有一定难度，因而目前极少采用。考虑到改装船的使用年限及散货船经济效益的及时性需求，第 4 种方案不建议采用。2）操作经济：没有通过放气或燃烧气体而损失甲髟能量；3）环保性好，更加符合生态环境和友好的船舶操作：属于全部再液化，所以没有被污染 的甲烷废气需要燃烧或排出；4）可靠性好：装置具有的冗余度和发生

10、故障时的各种防备措施可确保装置可靠地、安全 地进行再液化工作；5）操作安全，船级社形式认可简单：概念简单，确保关键的热交换器提供良好的保护；6）卓越的经验：目前 LNG 船队的三分之二装有 CRYOATAR 公司的船用货物处理系统；7） 可确保运行的经济性：通过喷射泵喷出的 LNG 进行预冷货物蒸发气，充分利用 LNG 的 冷能，可节省相当的电能；8） 安全性好：在危险区域没有布设回液泵和再循环泵。3.3. 再液化循环的选择原则用于 LNG 船的冉液化装置必须有一定的原则要求：1） 运行安全可靠。由于装有再液化装置的液化天然船的液货舱设计压力较低，在再液化 装置出现故障后，为保证船舶安全就必须

11、把货物蒸发气放空，从而造成极大损失和污染，因 此再液化装置一定要安全可靠。此外，液化气船必须装备另外一套完全相同的再液化装置作 为备用，在一套再液化装置出现故障时使用或者在一套装置超负荷时使用备用装置可以分担 掉一部分负荷。2） 耗功低，结构紧凑。由于液化气船大小限制，液化气船的再液化装置规模不允许太大。如果再液化装置的规模过大耗功过多，将导致液化气船为再液化装置提供更多能量，对船舶 电站提出了更高的要求，船舶的运输能力降低，成本增加，延长了投资的回收期。3） 操作方便。由于再液化装置是装备在船上，船上工作人员有限，不可能有过多人员来 操作和维护设备的正常运行，这就要求设备尽可能容易操作。4） 经济性要好。天然气的液化装置属于低温制冷，因此制冷过程中再液化装置的消耗功 率较大，而且装置本身的造价较高，这都有可能增加船舶的投资而影响了运输成本。一般来 说，再液化装置的造价要占到全船造价的 5左右。5） 整套再液化装置要尽可能模块化制造，整体装船。便于设备的安装，有利于缩短建造 周期。6） 船舶电站的影响。有很多再液化系统可能要用到电力驱动，这