一種船用LNG深冷方案設計

劉辰童，何金平，羅文忠，周 毅，蒙學昊

（中海油能源發展采油服務公司 天津 300452）

液貨艙內的 LNG 由于受熱汽化，在船艙內生成BOG（boiled-off-gas），造成艙內壓力增加。BOG 再液化系統工作時，由潛液泵將飽和 LNG 輸運到深冷裝置，經過換熱形成過冷流體，再反輸回貨艙內噴淋，貨艙溫度降低，貨艙內 BOG 冷凝再液化，從而達到降低和維持貨艙壓力的作用。目前國內外對于潛液泵和噴淋裝置在貨艙充填前冷卻等方面早有廣泛應用，技術比較成熟。但對于深冷裝置［1］，我國的研究相對落后，還未能突破再液化裝置的核心技術和關鍵設備的國產化，僅能高價依賴進口。

近幾年，法國 Air Liquide 公司研發的 TB 系列船用 LNG 深冷裝置在中小型 LNG 運輸船再液化市場占有率逐漸提升，以其采用全封閉設計，具有無泄漏免維護、設備數量少、安裝簡單、維護方便等優勢，深受船東青睞。其工作原理是將-160 ℃的 LNG 通過設備深冷至-170 ℃，從而減少 BOG 的產生，其核心技術包括高速電機、電磁軸承、低溫壓縮機等，這些領域一直處于技術壟斷，國內研究較少，亟需實現核心技術突破和國產化。

1 LNG深冷裝置優勢和應用場景

目前 LNG 船主流的再液化系統分 3 種［2］：氮膨脹再液化裝置、LNG 深冷裝置和混合制冷再液化系統。

圖1為氮膨脹再液化裝置的流程原理圖，冷卻介質選用與 LNG 物理特性相近的氮氣作為氮膨脹再液化裝置，占地面積小，響應快，運行效率高，適用性強，可操作性高，安全性能高，但缺點是功耗高。

圖1 氮膨脹再液化裝置的工作流程圖Fig.1 Flow chart of nitrogen expansion and reliquefaction device

圖2為 LNG 深冷裝置，深冷裝置是新型處理LNG 船蒸發氣的方式。LNG 經過貨艙潛液泵增壓后，首先低溫冷卻，在-161 ℃到-171 ℃左右，通過貨艙里的噴淋塔進行噴淋，降低艙內溫度，汽化蒸發氣，以減小貨艙的壓力。基于逆布雷頓循環，利用冷卻介質為氦氣和氮氣混合氣體，整體流程選用閉環。

圖2 LNG深冷裝置工作流程圖Fig.2 Flow chart of LNG cryogenic device

圖3為混合制冷再液化系統，蒸發氣先經過蒸發氣壓縮機增壓和初步冷卻（冷卻水冷卻），再經過丙烷制冷循環系統二次冷卻，最后經過混合制冷劑液化流程冷卻液化。低溫度級循環將熱量轉移給高溫度級循環，通過換熱器的冷卻，蒸發氣的溫度逐步降低，并直至液化。

圖3 混合制冷再液化系統工作流程圖Fig.3 Hybrid refrigeration and reliquefaction system

混合制冷再液化系統兼具天然氣聯式液化流程和混合制冷劑液化流程二者的優點，系統功耗小、操作流暢，目前應用技術成熟，缺點是流程繁瑣、設備數量多、空間利用率低、維護成本高。

與其他 2 種液化流程相比，LNG 深冷裝置采用噴淋塔將低溫冷卻的 LNG 噴淋到貨艙來降低貨艙溫度和壓力。

2 設計應用場景和目標

在設計方案之前需考慮深冷裝置的應用場景、液化能力、能耗和占地面積，本次設計的深冷裝置主要應用于中小型 LNG 船、再液化處理需求為0.5 t/h的小型 LNG 運輸船、LNG 加注船，主要用于處理雙燃料發動機消耗不掉的貨艙自然蒸發氣，也可以為受注船提供溫度更低的LNG。因此，需要具體設計LNG深冷裝置的指標，具體見表1。

表1 側梁的模擬與實測焊接變形對比Tab.1 Comparison of simulated and measured welding deformation of side beam

表1 LNG深冷裝置的設計指標Tab.1 Design indexes of LNG cryogenic device

LNG組分和冷卻水初始設計條件見表2、3。

表2 LNG組分Tab.2 LNG components

表3 冷卻水組分Tab.3 Components of chilled water

3 設計方案

3.1 確定主循環

設計的 LNG 深冷裝置主要用于船上BOG 再液化，船用 BOG 再液化系統具有如下特點：

①處理量相對較小，屬于小型液化裝置；

②系統簡單，安裝和維護方便；

③能夠適應船舶航行過程中船體俯仰和滾轉晃動；

④占地面積小，低成本；

⑤安全性高，存儲介質危害性低；

⑥快速啟動/停止和靈活性，由船舶穿越不同緯度地區時航行速度變化引起；

⑦發動機天然氣燃料變化都會引起存儲介質液化工況的變化。

梳理液化流程，膨脹制冷循環最為適合這一環境，其原理是利用氣體在膨脹機內進行絕熱膨脹并對外做功，從而獲得低溫氣流來制取冷量，實現了把熱量從低溫物體不斷轉移到高溫物體。

膨脹制冷最簡單的循環就是逆布雷頓循環，該循環主要有4個過程，分別是等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱。如圖4所示，工質在室溫下壓縮后，經冷卻到達位置3，然后高壓氣體在逆流換熱器中被返流的冷氣體冷卻到4點，再流入膨脹機，絕熱膨脹并輸出外功，工質溫度降低，制得冷量，過程理論上為等熵膨脹（4~5），在5~6過程中向外界輸出冷量，隨后進入逆流換熱器用來冷卻正流高壓熱氣體（6~1）回收冷量，最后在接近室溫下進入壓縮機，至此完成一個封閉循環。

圖4 逆布雷頓循環工作原理圖Fig.4 Principle diagram of reverse Brayton

從效率上說，逆布雷頓循環效率是不高的。為提高整體效率可以通過增加壓縮機的數量和膨脹機的數量，但會提高系統復雜度和增加成本。所以為簡化系統和保證后期的樣機研制的成功率，設計采用單膨脹機流程。

3.2 確定膨脹-壓縮一體機型結構

膨脹制冷循環中膨脹機是冷源核心，在制冷的過程中，其還輸出機械功，因此，膨脹機一般都會在軸的另一端帶一個壓縮葉輪，以平衡膨脹機輸出功，見圖 5。早期的膨脹-壓縮一體機采用的是油潤滑的滑動軸承，近年來電磁軸承支撐的膨脹-壓縮一體機逐漸普及，圖5為其基本結構。

圖5 膨脹-壓縮一體機的基本結構Fig.5 Basic structure of expander-compressor

除了圖5這種結構外，在超導體制冷和 LNG 液化中還有一種在膨脹-壓縮一體機［5］中增加一個高速電機的機型。目前法液空、低溫之星和日本前川制造所（MAYEKAWA）都有類似產品。膨脹-壓縮一體機（Comexpender）與膨脹-電機-壓縮一體機（Comexpender with motor）相比，前者壓縮機的功耗全部來自膨脹機做功，機組中的壓縮機和膨脹機聯合工作，功率具有耦合關系；后者壓縮機的功耗來自膨脹機和電機共同做功，機組中的壓縮機和膨脹機功率可以不相同，工作相互獨立，功率不具耦合關系。

圖6 膨脹-電機-壓縮一體機的基本結構Fig.6 Basic structure of expander-motor-compressor

考慮到降低后期樣機研制難度，確定采用膨脹-壓縮一體機（采用電磁軸承），不含電機部分，設計需要考慮機組中的壓縮機和膨脹機功率耦合關系。

3.3 總體方案設計

根據以上分析，確定初步方案如圖7所示。

圖7 初步方案圖Fig.7 Preliminary plan diagram

系統中主要含有主壓縮機K101，輔壓縮機K102，膨脹機K100，冷換熱器LNG100，預冷換熱器LNG101。其中：①主壓縮機K101高速電機驅動電磁軸承支撐的離心壓縮機；②輔壓縮機K102與膨脹機K100一體，設置調節模塊ADJ-1，保證兩者功率；③LNG100、LNG101為板翅式換熱器，一體化結構；④壓縮機后設置管殼式海水換熱器。

物流LNG為泵送過來的飽和態液化天然氣經過過冷換熱器 LNG100與膨脹機K100出來的制冷介質換熱后形成過冷流體 Subcool，然后反輸回貨艙內噴淋，降低貨艙溫度，貨艙內 BOG 冷凝再液化，從而達到降低和維持貨艙壓力的作用。膨脹機 K100出來的低溫介質經過過冷換熱器，其溫度仍然較低，為充分利用該設備，設置預冷換熱器 LNG101，將壓縮機 K102 出口的經過水冷換熱器 E101 冷卻后的制冷介質進一步冷卻，然后再進入膨脹機 K100膨脹降溫。

4 其他部分設計

通過流程計算和優化，發現 K101 的出口溫度過高，達到170 ℃，不符合防爆要求 T4 溫度等級的最高表面溫度（低于 135 ℃），因此，需要增加一臺壓縮機來降低單臺壓縮機的壓比。

最終確定的總體方案如圖8所示，紅框中的壓縮機K-101和E-100 被壓縮機K-101.1、K-101.2 和E-100.1、E-100.2 代替，以減小壓縮機的壓比，從而減少壓縮機出口溫度。PID如圖9所示。

圖8 總體方案圖Fig.8 Overall plan diagram

圖9 總體方案PID圖Fig.9 Overall plan PID diagram

4.1 增加儀表

由于冷劑為氣體，為確定其狀態，需要設定溫度、壓力和比容3個量中的兩者才可以，所以壓縮機、膨脹機進出口都設置了溫度變送器和壓力變送器，量程依據仿真計算值和安全余量確定。

由于喘振回路的影響會造成過冷和逆流一體式換熱器 HX100的冷劑預冷進口溫度與壓縮機出口溫度，以及冷劑出口和壓縮機進口溫度不一致，所以HX100 增設了 2 個溫度計 TT401.2和 TT402.3。

LNG 進出總管和冷卻水進出總管都設有溫度監控和壓差監控。由于喘振回路的影響，在壓縮回路和膨脹回路各設置一個流量監控，并采用適合低溫環境的孔板流量計。壓縮機出口設置有管殼式水冷換熱器，冷劑回路設置加注口，高速電機和電磁軸承設置有水冷降溫。

4.2 壓縮設計回路

壓縮回路設置喘振回路作為調節膨脹制冷量的手段之一。為減小設備進出口的管道應力，壓縮機回路都設置進出口軟管聯接。壓縮機和膨脹機內間隙較小，入口設置過濾器，壓縮機為100 μm，膨脹機為30 μm。

4.3 壓力保護設計

要對各個回路設置壓力保護，冷劑回路設置爆破片 PSV10 作為超壓保護，冷卻水回路設置有溢流閥 PSV502。

4.4 密封設計

壓縮機和膨脹機應設置密封，并用隔離氣隔離。隔離氣采用冷劑本身，既起到密封隔離，也起到高速電機繞組冷卻的作用，所以從設備引出后設置管殼式水冷換熱器冷卻后再進入壓縮機。

4.5 冷劑的選擇

選擇冷劑時，主要考慮到使用安全性、被液化介質的液化溫度、系統的功耗和壓力的影響。

通常船用BOG再液化所用的膨脹制冷循環選用最為常用的冷劑N2。但本設計主要考慮相同壓力下氦氣的沸點比氮氣小得多，采用氮氣和氦氣混合氣，可以減少氮氣的分壓，使其不容易凝結，保證透平膨脹機出口純氣態，降低透平設計難度，進而提高透平壽命。■