制冷液化技術(shù)在LNG船上的應(yīng)用

徐 帥，施方樂(lè)

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

作為一種綠色、清潔、高熱值的能源，天然氣的需求量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，供需缺口逐漸擴(kuò)大。因此，從國(guó)外進(jìn)口天然氣資源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)能源短缺，滿(mǎn)足日益加快的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)新興能源的需求，成為我國(guó)實(shí)施能源戰(zhàn)略的重要決策[1]。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船是進(jìn)口天然氣最主要的運(yùn)輸工具，配備有專(zhuān)門(mén)儲(chǔ)藏LNG的貨艙，并安裝有特殊的絕熱系統(tǒng)，盡量減少外界熱量的傳入，從而減少貨艙內(nèi)LNG的蒸發(fā)。但是，在此防護(hù)措施下仍會(huì)有熱量穿過(guò)絕熱系統(tǒng)進(jìn)入貨艙，使貨艙內(nèi)的LNG蒸發(fā)。對(duì)此，在LNG船上安裝合適的再液化裝置是一種可行的方法。

再液化裝置型式多樣，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)、混合制冷液化技術(shù)和直接制冷液化技術(shù)是目前主要采用的3種技術(shù)。

1 氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)

氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)采用布雷頓循環(huán)原理，亦稱(chēng)焦耳循環(huán)或氣體制冷機(jī)循環(huán)，以氣體為介質(zhì)，包含等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱等4個(gè)工作過(guò)程[2]，氮?dú)庠谠摴に嚵鞒讨胁话l(fā)生相態(tài)改變。歷史上首臺(tái)氣體制冷機(jī)以空氣作為介質(zhì)，稱(chēng)為空氣制冷機(jī)[3]。除了空氣以外，也可根據(jù)不同的使用目的，將CO2、氮?dú)夂秃獾葰怏w作為介質(zhì)。

LNG船上的再液化裝置普遍采用氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)。這種技術(shù)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。氮?dú)馀蛎浿评湟夯湫驮韴D見(jiàn)圖1。

圖1 氮?dú)馀蛎浿评湟夯湫驮韴D

氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)包括貨物循環(huán)和氮?dú)庋h(huán)2個(gè)循環(huán)，其中：貨物循環(huán)的主要設(shè)備包括蒸發(fā)氣壓縮機(jī)、蒸發(fā)氣中間冷卻器、蒸發(fā)氣減溫器和蒸發(fā)器冷凝器；氮?dú)庋h(huán)的主要設(shè)備包括氮?dú)馀蛎洐C(jī)（見(jiàn)圖2）、氮?dú)鉄峤粨Q器和氮?dú)庵泻罄鋮s器。

圖2 氮?dú)馀蛎洐C(jī)

2008年以來(lái)，采用氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)的再液化裝置在諸多實(shí)船上得到應(yīng)用，例如在韓國(guó)建造的49艘LNG船、在日本建造的3艘LNG船和在我國(guó)建造的8艘LNG船上都安裝有采用氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)的再液化裝置，運(yùn)行記錄顯示良好，獲得船東的肯定。此外，制冷劑氮?dú)庠谠撗b置工作過(guò)程中不發(fā)生相變，控制簡(jiǎn)單。但是，這種技術(shù)的效率較低、耗電量較大。在此背景下，新的制冷液化技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，混合制冷液化技術(shù)和直接制冷液化技術(shù)是其中的代表。

2 混合制冷液化技術(shù)

混合制冷液化技術(shù)采用二級(jí)制冷液化設(shè)計(jì)，由2個(gè)制冷循環(huán)組成，即混合制冷劑系統(tǒng)和丙烷系統(tǒng)。貨艙內(nèi)的蒸發(fā)氣首先經(jīng)過(guò)船上的蒸發(fā)氣壓縮機(jī)壓縮至 0.65MPa，然后在一級(jí)制冷循環(huán)中冷卻至-10℃，最后在二級(jí)制冷循環(huán)中冷卻至-160℃，返回至貨艙。在整個(gè)制冷液化過(guò)程中，提高二級(jí)制冷控制，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，不受外界溫度變化的影響，保證系統(tǒng)滿(mǎn)足負(fù)荷平穩(wěn)、能耗降低和及時(shí)響應(yīng)貨艙蒸發(fā)氣控制的要求。

混合制冷液化技術(shù)典型原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 混合制冷液化技術(shù)典型原理圖

混合制冷劑系統(tǒng)的主要設(shè)備[4]包括混合制冷劑壓縮機(jī)（見(jiàn)圖4）、滑油分離筒、滑油冷卻器、滑油濾器和滑油泵、混合制冷劑預(yù)冷卻器和后冷卻器、混合制冷劑分離器、混合制冷劑膨脹筒、蒸發(fā)氣冷凝器和廢氣排放分離器。

圖4 混合制冷劑壓縮機(jī)

丙烷系統(tǒng)的主要設(shè)備包括丙烷壓縮機(jī)、滑油分離筒、滑油冷卻器、滑油濾器和滑油泵、丙烷冷凝器、丙烷經(jīng)濟(jì)器、氣液分離筒、蒸發(fā)氣預(yù)冷卻器和丙烷儲(chǔ)藏罐。

該技術(shù)是船用新技術(shù)，具有能耗低、耗電量小、便于模塊化集成整合、安裝方便和造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)。2016年在韓國(guó)建造的某17.4萬(wàn)m3LNG船上安裝了4t/h的蒸發(fā)氣制冷液化系統(tǒng)，一旦通過(guò)實(shí)船營(yíng)運(yùn)檢驗(yàn)，未來(lái)會(huì)有更多的船舶選擇采用混合制冷液化技術(shù)。

3 直接制冷液化技術(shù)

直接制冷液化技術(shù)采用逆布雷頓循環(huán)原理，逆布雷頓循環(huán)是采用氣體作為介質(zhì)的制冷循環(huán)，通過(guò)壓縮機(jī)等熵壓縮，經(jīng)過(guò)后冷卻器冷卻、回?zé)崞鹘禍兀谕钙脚蛎洐C(jī)內(nèi)等熵絕熱膨脹并對(duì)外做功，獲得低溫氣流，由此制取冷量。直接制冷液化技術(shù)典型原理圖見(jiàn)圖5。直接制冷液化技術(shù)的主要設(shè)備包括透平壓縮機(jī)、熱交換器和馬達(dá)磁性軸承控制柜等。包括透平壓縮機(jī)的制冷液化模塊見(jiàn)圖6。

圖5 直接制冷液化技術(shù)典型原理圖

圖6 包括透平壓縮機(jī)的制冷液化模塊

盡管該技術(shù)是船用新技術(shù)，但具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、便于在船上布置、能耗相對(duì)低、耗電量較小和造價(jià)較低等優(yōu)勢(shì)。2017年殼牌船東的某6500m3LNG加注船上安裝了0.5t/h的蒸發(fā)氣制冷液化系統(tǒng)，運(yùn)行情況良好，獲得船東的好評(píng)。此外，在韓國(guó)建造的2艘17.4萬(wàn)m3LNG船上也安裝了1.2t/h的蒸發(fā)氣制冷液化系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在 LNG船的制冷液化系統(tǒng)中，目前主要采用氮?dú)馀蛎浿评湟夯?、混合制冷液化和直接制冷液化?3種技術(shù)，其中：氮?dú)馀蛎浿评湟夯夹g(shù)發(fā)展比較早，應(yīng)用較多，但設(shè)備比較多，占地面積較大，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜；混合制冷液化技術(shù)是由陸用轉(zhuǎn)到船用的技術(shù)，效率較高，采購(gòu)成本較低；直接制冷液化技術(shù)是最新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，配置簡(jiǎn)單，占地面積較小，維護(hù)保養(yǎng)容易，容量較小。

綜合考慮各種因素，可在大型LNG船上安裝混合制冷液化系統(tǒng)或直接制冷液化系統(tǒng)，在小型LNG船上安裝直接制冷液化系統(tǒng)。