LNG船再液化技术对比研究分析

LNG船再液化技术对比研究分析

游叔平

南通中集太平洋海洋工程有限公司     江苏  启东  226251

摘要：本文将围绕再液化系统进行分析讨论，并对氮气膨胀机、涡轮布雷顿等技术进行对比研究，最终得出结论，即涡轮布雷顿技术通过对LNG低温冷却处理，之后喷淋至货舱，以此起到减少货舱压力，调节货舱温度的作用，该技术无论是在安全性、效率方面，还是在安装维护方面都具有明显优势。

关键词：LNG船；混合制冷；再液化技术

引言：LNG船是指专门运输液化天然气的船，在运输环节难免会产生蒸发气，此类气体的处理形式，通常以安装再液化系统为主，通过实现蒸发气的液化来缓解货舱压力，避免天然气的排放。为确保再液化系统的高效使用，保证系统的优化选型，需要站在技术角度对各类再液化技术进行全面比对。

一、再液化系统分析

    目前应用最广泛的LNG船再液化系统可分为以下几种：氮气膨胀机，此类系统的运行原理为布雷顿循环制冷，即通过等熵压缩、等熵膨胀等过程，将氮气作为冷却介质，利用氮气膨胀机使氮气优先完成压力提升，之后借助压缩机的水冷装置以及一级膨胀获取低温冷却介质，再对冷却介质进行冷热交换直至液化，而液化后的天然气最终会回流至货舱。一般情况下，低温蒸发气需要利用加热器进行预热处理，之后才可依次完成增压、冷却、液化、分离。该系统的优势在于安全性高，运行较为灵活，但能耗相对较高；混合制冷，该系统的运行流程为，蒸发气首先经过压缩机增压与冷却，之后通过制冷循环系统实现二次冷却，最终通过制冷剂液化处理完成冷却液化。由于系统采用了天然气级联式液化，能够保证低能耗、高操控性，但缺点也较为明显，即流程过于复杂，需要采用多种设备，且设备维护难度偏高；涡轮布雷顿，该系统由法国液化空气集团所研发的新型LNG船再液化系统，液化天然气在经过液泵增压处理后会经过涡轮布雷顿系统进行低温冷却，使其温度降低至-170度左右，之后喷淋在货舱上，以此减少货舱温度，冷却货舱蒸发气，起到降低货舱压力的作用。该系统原理为逆布雷顿循环，是指借助混合氦气与氮气，利用闭式循环实现混合气体的压缩、冷却、换热以及膨胀，最终用低温冷却LNG。由于涡轮布雷顿系统为全封闭设计，因此既不会产生泄漏，也不会出现污染，其电机轴承属于磁力轴承，无油润滑，也无需进行维护，根据调查显示此类电机轴承的平均寿命高达100000小时。至于涡轮机则采用高转速马达，其功耗更低，且功率易于回收。而电机则使用变频驱动，能够依照再液化实际负荷情况进行转速的自动调节，节能效果更佳。此外，该系统的设备占用空间较小、系统效率最低，已成为现阶段应用最广泛的再液化系统。

二、LNG船再液化技术对比分析

（一）安全性方面

氮气膨胀机由于采用的冷却介质属于惰性气体，因此能够保证极高的安全性，同时液化天然气船通常会将可能出现危险性气体泄漏的装置放置在一个房间，比如LNG压缩机、冷却箱等。将不存在危险气体泄漏的装置布置在相邻房间，比如马达、氮气膨胀机，此类布置方式可以起到缩减气体危险面积的作用。

混合制冷再液化技术主要将丙烷作为冷却介质，采用预冷循环的方式势必要应用大量机械设备，且操作流程较为复杂，容易受环境因素以及人为因素影响，进一步提高泄漏风险的形成几率，同时丙烷气体本身的密度远高于空气，一旦出现泄漏状况，很容易聚集在甲板周围，并从较低位置向周边扩散，如果遇到热源便会产生爆炸事故。此外，混合制冷需要使用易燃气体，此类气体的危险性较高，而制冷剂也需要随时进行充装处理，导致船舶需要储存大量危险制冷剂。同时混合制冷剂的实际组成相对复杂，实现准确配比的难度极高。是目前大部分船东不愿采用混合制冷再液化技术的原因之一。

涡轮布雷顿系统技术主要以氦气、氮气的混合气体作为制冷器，此类气体同样属于惰性气体，能够在低温冷却处理时保证气体始终处于液相，可以与气相环节保持独立，而采用的全封闭设计也能具备极高的安全性，且流程简捷、投入设备相对较少。综上所述，涡轮布雷顿系统技术在安全箱方面优于氮气膨胀机以及混合制冷[1]。

（二）效率方面

氮气膨胀机系统技术的再液化能耗偏高，通常来说蒸发气在增压处理之前需要进行预热，虽然可以利用变频驱动马达有效减少能耗，但相较于整个系统来说，能源消耗问题仍然得不到切实改善。

混合制冷系统再液化技术是以丙烷预冷循环作为应用原理，其系统效率与氮气膨胀机相比可以提高近45%，但根据实际调查显示，该技术的液化流程同样是从气相冷却至液相，因此只有60%左右的冷能可以应用到再液化环节。并且混合制冷系统的本身的电功率低于氮气膨胀机，但与涡轮布雷顿系统技术相比，电功耗仍然偏高，若在30%设计负荷的基础上进行作业，则效率下降幅度明显，即便在备用模式下，电功率仍达到34%左右的额度功率。

涡轮布雷顿系统是以（He/N2）作为制冷剂，压力与上述两种技术相比偏低，而效率则高于单一制冷剂20%左右，在液化过程中可以直接对液相液化天然气实施低温冷却处理，之后喷淋至货舱实现蒸发气的冷却，其中有90%左右的冷能能够作用在液化环节。而涡轮布雷顿系统的电功率与混合制冷系统相比低10%，至于变频马达转速则会根据负荷与操作情况实现自动调节，从而保证功率的最大化。同时在100%负荷范围内，效率恒定不变，对于变工况来说具有极强的适应性，即便在备用模式下电功率也只达到5%左右的额度功率。综上所述，涡轮布雷顿系统的实际效率远超于混合制冷系统以及氮气膨胀机。

（三）可靠性方面

氮气膨胀机系统技术投入使用的时间较长，技术相对成熟，且再液化系统的操作较为便捷，维护方式简易，可以实现自动化运行，设备所占用的空间较小，具有极高的可靠性。

混合制冷系统技术的控制回路众多，大约在17个，而关键控制阀数量为18个，热交换器数量在7个左右，此外系统还包含多个制冷压缩机以及相分离器。由此可知，混合制冷系统的设备数量较多，所需要配置的复制系统较为复杂，虽然制冷剂组分会在一定程度上影响系统实际性能，但仍能保证一定的可靠性。

涡轮布雷顿系统的控制回路在5个左右，关键控制阀数量为4个，同样包含多个热交换器以及1套制冷压缩机，与混合制冷系统相比设备数量相对较少。且系统采用了磁力轴承因此不会出现磨损元件，也不会出现油污，可以保证极长的使用寿命。此外系统的全封闭设计模式也不会出现泄漏，该系统的设计理念新颖，设计结构简单，可靠性极强，且已在LNG加注船上存在大量应用实例。综上所述，涡轮布雷顿系统的可靠性更加优越[2]。

（四）安装维护方面

氮气膨胀机的设备占用空间较大，且数量较多，辅助系统较为复杂，涵盖蒸发气加热装置、压缩机以及氮气发生器与储罐，此类设备安装周期较长，且维护费用占比较大。

混合制冷系统的设备同样需要占用较大空间，1.5t/h的系统占用空间大约为390m3，且运营维护保养频率较高，根据数据显示，每5年的维护保养费用约在200万元左右。

涡轮布雷顿系统的辅助系统只包含冷却水、液化天然气管线以及控制柜，相关设备的安装周期较短，1.6t/h的系统占用空间仅有303m3，且采用的全密封设计也能保证较低的维护频次，每5年的维护费用约在40万元。综上所示，涡轮布雷顿系统的养护更加容易，维护费用更加低廉[3]。

结论：综上所述，通过对再液化系统进行分析讨论，提出LNG船再液化技术在安全性方面、效率方面、可靠性方面、安装维护方面等比对，最终得出涡轮布雷顿液化系统技术的效果最佳，不仅可靠性高，且辅助系统少，不会占用过多空间，能够保证最低的维护费用，值得大范围推广。

参考文献：

[1]胡国强,林文胜.LNG动力船BOG处理方案探讨[J].低温与超导,2020,48(07):5-12.

[2]于新宇.中小型液化气船再液化系统工艺[J].造船技术,2019(03):1-4+7.

[3]童正明,黄瑞睿,侯鹏.乙烯液化气船再液化系统重要参数热力学计算[J].制冷技术,2019,36(02):21-25.