中小型液化氣船再液化系統(tǒng)工藝

于新宇

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

隨著海上油氣資源的深入開發(fā)，國內(nèi)沿海的LNG接收站陸續(xù)建成投產(chǎn)，LNG物流量逐步增長，中小型液化氣船在沿海及內(nèi)河的應(yīng)用前景十分廣闊[1]。

液化氣運輸船可分為LPG船和LNG船兩大系列。液貨系統(tǒng)是液化氣運輸船的關(guān)鍵設(shè)備，關(guān)系到液化氣體的安全儲存、裝卸。在中小型液化氣船設(shè)計建造領(lǐng)域，中國目前還停留在依托國外技術(shù)和圖紙進行施工及制造的模式，在液貨系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)方面基本處于空白，與國外存在很大差距。本文就中小型液化氣船液貨系統(tǒng)核心——蒸發(fā)氣體(Boil Off Gas，BOG)再液化系統(tǒng)工藝進行研究，力求逐步探索液貨系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 中國天然氣供求現(xiàn)狀

截至2007年，我國天然氣探明儲量為4.7萬億m3，占全球天然氣探明儲量的份額很小，僅約2.5%。截至2010年，我國天然氣生產(chǎn)量為945億m3(6 750萬t)，消耗量為1 070億m3(7 643萬t)。預(yù)計至2030年，天然氣消耗量將達3 310億m3，粗略折算LNG年需求量達2.36億t。

中國天然氣氣源包括陸地氣田、海洋氣田和進口LNG及PNG(管道天然氣，例如從俄羅斯、緬甸等國進口的天然氣)，近年來還正在開發(fā)頁巖氣。中國是亞太地區(qū)唯一同時進口LNG和PNG的國家，從海外進口LNG只能采用LNG船將LNG運至國內(nèi)已建及擬建的LNG接收站，再經(jīng)卸船后送達目的地。

2 國內(nèi)外中小型液化氣船應(yīng)用及開發(fā)概況

中小型液化氣船船型按艙容劃分：LNG船方面，中型船艙容一般為3萬～12萬m3，小型船則指3萬m3以下的船舶；LPG船方面，中型船指2萬m3左右艙容的船舶，小型船指幾千立方米艙容的船舶，目前世界上最大的LPG船為8.3萬m3，被標為特大型。

國外應(yīng)用的LNG船主流船型為12.5萬m3，最大已達26萬m3。截至2012年，全球已交付了361艘LNG新造船，全部為大于12.5萬m3的船型。中小型LNG船則主要用于LNG的二程轉(zhuǎn)運、城市調(diào)峰應(yīng)急站與儲備庫及5萬噸級碼頭以下的接收站之間的運輸。

在LPG船的應(yīng)用方面，2萬m3及以上艙容的LPG船主要在國外用于海運貿(mào)易，國內(nèi)應(yīng)用的LPG船大部分為1萬m3以下，用于沿海轉(zhuǎn)運。

液化氣船根據(jù)可運輸液貨的品種可分為單一用途船、雙用途船和多用途船。單一用途船、雙用途船通常艙容大，多用途液化氣船通常艙容偏小。

國內(nèi)在LNG船及LPG船的建造方面已具有一定經(jīng)驗，并已進入液化氣運輸船的建造大國行列。但是，國內(nèi)建造的這些液化氣運輸船的設(shè)計與核心技術(shù)，包括再液化系統(tǒng)工藝技術(shù)，仍基本依靠國外。

3 液化氣運輸船運輸形式

液化氣運輸船按貨物運輸方式一般分為全壓式、半冷半壓式和全冷式3種[2]，如表1所示。

表1 液化氣運輸船貨物運輸方式

4 BOG再液化系統(tǒng)工藝

20世紀七八十年代，業(yè)界提出了在LNG船上配置BOG再液化系統(tǒng)，使液貨艙產(chǎn)生的BOG冷凝后再送回液貨艙內(nèi)，以保證艙內(nèi)貨物溫度與壓力處于合適范圍之內(nèi)。對使用柴油作為主推進裝置動力燃料的船，若動力裝置已經(jīng)采用或擬改成雙燃料系統(tǒng)，則可將BOG凝液作為燃料，增加推進系統(tǒng)動力的冗余度[3]。

液化氣運輸船的BOG再液化系統(tǒng)的開發(fā)起步較晚，直至2006年才在LNG船“Jamal”上安裝了首個BOG再液化系統(tǒng)，系統(tǒng)自2009年起才開始推廣。

4.1 LNG船再液化系統(tǒng)工藝的應(yīng)用

2006年，LNG船“Jamal”安裝了首個船用BOG再液化系統(tǒng)，與之相配的動力裝備是傳統(tǒng)蒸汽鍋爐和汽輪機，液化能力1～3 t/h，降低了航運過程中LNG的氣化損失。

2009年，Hamworthy 和 Cryostar 兩家公司為Qatargas 2項目提供了14套LNG船用BOG再液化系統(tǒng)。其中，Hamworthy 為8艘Q-Flex級LNG船提供BOG再液化系統(tǒng)，Cryostar為6艘Q-Max級LNG船提供BOG再液化系統(tǒng)。兩家公司的再液化系統(tǒng)在設(shè)計理念上大體相似，BOG通過壓縮機進行兩級壓縮，然后進入換熱器液化。兩個系統(tǒng)的制冷量都來自氮氣壓縮系統(tǒng)，氮氣壓縮系統(tǒng)包括1臺兩級壓縮機和1臺單級膨脹機。同年，挪威科技工業(yè)研究院(Sintef)開發(fā)的小型LNG船BOG再液化系統(tǒng)在“諾捷創(chuàng)新”號上試用，該船為多用途船，除液化天然氣外，還可裝載其他多種液化介質(zhì)。

4.2 LNG船再液化系統(tǒng)工藝

具代表性的LNG船再液化系統(tǒng)工藝介紹如下：

(1) Hamworthy公司的再液化系統(tǒng)工藝

Hamworthy公司生產(chǎn)的再液化系統(tǒng)在船用配套領(lǐng)域居于行業(yè)前茅。但是，運行該再液化系統(tǒng)需消耗大量電能，通常由柴油發(fā)電機驅(qū)動。隨著市場需求發(fā)展，LNG船的艙容不斷變大，BOG產(chǎn)量相應(yīng)增大，從而不斷增大該液化工藝系統(tǒng)的電力需求。

該系統(tǒng)優(yōu)點:可降低天然氣的含氮量；裝置的集成度較高，便于現(xiàn)場安裝施工；設(shè)備體積?。谎b置的調(diào)節(jié)幅度較寬，最低50%容量仍可正常運行；裝置與液貨泵非同時使用，不影響供電總?cè)萘?；無新增操作人員需求[4]。

工藝流程如圖1所示。

圖1 Hamworthy再液化系統(tǒng)工藝流程

(2) Cryostar 公司的再液化系統(tǒng)工藝

Cryostar 公司的再液化系統(tǒng)基于焦耳循環(huán)理論(以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，工作過程包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱等4個過程)開發(fā)，采用氮氣作為冷卻劑，氮氣制冷設(shè)備和冷凝設(shè)備均分開單獨布置。

該系統(tǒng)優(yōu)點:系統(tǒng)設(shè)備體積小；制冷設(shè)備集成度高，主要設(shè)備使用1套潤滑系統(tǒng)，大幅節(jié)省使用成本；利用液貨的冷能對BOG氣體進行預(yù)冷，可以降低系統(tǒng)電能消耗，節(jié)約能源；BOG氣體在封閉系統(tǒng)內(nèi)100%循環(huán)液化，無廢氣處理需求，環(huán)保安全。

工藝流程如圖2所示。

圖2 Cryostar再液化系統(tǒng)工藝流程

(3) Sintef的再液化系統(tǒng)工藝

Sintef研發(fā)了Mini-LNG再液化系統(tǒng)，主要針對小型LNG船的BOG再液化工藝，液化量在10～100 t/d，與Hamworthy和Cryostar兩公司的再液化系統(tǒng)的最大區(qū)別在于使用的制冷劑為混合制冷劑，BOG經(jīng)過壓縮后先用丙烯預(yù)冷，再用混合制冷劑將氣體冷卻至-140 ℃，閃蒸降壓之后進入儲罐，降壓之后的流體有一部分汽化，須通過再液化裝置循環(huán)液化。

該系統(tǒng)的優(yōu)點:選用標準設(shè)備，減少設(shè)備投資及設(shè)備生產(chǎn)時間；安裝在鋼制框架內(nèi)，實現(xiàn)裝置模塊化；采用混合制冷劑，降低能耗；適應(yīng)設(shè)備運行條件及天然氣組分的變化。

工藝流程如圖3所示。

圖3 Mini-LNG再液化系統(tǒng)工藝流程

4.3 LPG船再液化系統(tǒng)工藝

LPG船艙容比LNG船小，目前全球最大的LPG船艙容為8.3萬m3，LPG船液貨的常溫沸點遠高于LNG船的液貨，液貨艙的設(shè)計溫度一般為-42～-48 ℃[5]。因此，一般再液化裝置可用于半冷半壓式LPG船，也可用于全冷式LPG船，全壓式LPG船不需要設(shè)置再液化系統(tǒng)。

(1) 單級壓縮直接制冷循環(huán)工藝

液貨艙中的BOG經(jīng)壓縮機壓縮，水冷可使BOG冷凝。該系統(tǒng)中再液化設(shè)備平穩(wěn)工作需要壓縮機入口有一定的氣壓，故該工藝系統(tǒng)對半冷半壓式LPG船更為合適。

該系統(tǒng)的優(yōu)點：系統(tǒng)簡單可靠；運營費用低、經(jīng)濟性好。

工藝流程如圖4所示。

圖4 單級壓縮直接制冷循環(huán)工藝流程

(2) 兩級壓縮直接制冷循環(huán)工藝

兩級壓縮制冷循環(huán)過程分兩次來實現(xiàn)，即液貨艙揮發(fā)的BOG經(jīng)過氣液分離器后，先用低壓壓縮機(或壓縮機的低壓級)壓縮到中間壓力，然后再用高壓壓縮機(或壓縮機的高壓級)壓縮到冷凝壓力，因此需要用兩臺壓縮機或使用雙級壓縮機。該制冷循環(huán)適用于運送BOG壓力低的液化介質(zhì)，對于半冷半壓、全冷式LPG船尤為適用。

該系統(tǒng)的優(yōu)點：簡單可靠，運營維護費用低，經(jīng)濟性好，方便調(diào)度操作。

工藝流程如圖5所示。

圖5 兩級壓縮直接制冷循環(huán)工藝流程

(3) 復(fù)疊式直接制冷循環(huán)工藝

復(fù)疊式制冷循環(huán)是將較大的總溫差分割成兩段或若干段，根據(jù)每段的溫區(qū)選擇適宜的制冷劑進行循環(huán)，然后將它們疊加起來，用高溫級的制冷量承擔低溫級的冷凝負荷，從而獲得較低的制冷溫度。該系統(tǒng)是由兩個單級壓縮制冷循環(huán)串聯(lián)疊加而成的復(fù)疊工作循環(huán)，兩級系統(tǒng)之間通過中間冷卻器銜接起來，從而獲得較低的溫度。該裝置本質(zhì)上是應(yīng)用單級循環(huán)制冷原理，與單級壓縮工藝的區(qū)別在于中間冷卻器使用專業(yè)制冷劑，而非開式海水循環(huán)。

該系統(tǒng)的優(yōu)點：設(shè)備的液化效能不受外部環(huán)境因素影響，工作穩(wěn)定，制冷再液化能力強；缺點：設(shè)備較多，工藝復(fù)雜，操作難度大，通常情況下用于全冷式LPG船。

工藝流程如圖6所示。

圖6 復(fù)疊式直接制冷循環(huán)工藝流程

5 結(jié) 論

天然氣是全球公認的綠色能源，具有安全、高效、經(jīng)濟和環(huán)保等特點。天然氣也是消費量增長最快的能源，占一次性能源的比重將越來越高。中小型液化氣船具有裝載量小、制造成本低、裝卸設(shè)備投資小及運作靈活等特點，被廣泛應(yīng)用于液化氣的中轉(zhuǎn)。預(yù)計未來十幾年內(nèi)，中國主要用于大型LNG接收站與沿海及內(nèi)陸地區(qū)用戶之間二程轉(zhuǎn)運的中小型LNG船將超過百艘。

開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液化氣運輸船，對發(fā)展中國造船事業(yè)、推進清潔能源的應(yīng)用具有重大意義。本文通過對比國外主流LNG船和LPG船BOG再液化系統(tǒng)工藝，為中小型液化氣船液貨系統(tǒng)的整體開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和參考。今后將繼續(xù)針對中小型液化氣船液貨系統(tǒng)工藝、裝卸系統(tǒng)、主要工藝設(shè)備、流阻計算、應(yīng)力分析、保冷設(shè)計等方面進行深入研究。