船用BOG再液化技術應用進展

楊靜

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

船舶的航線緯度所對應的溫度不同、液貨系統無法做到完全絕熱、船舶的搖晃等因素均會導致液貨系統中熱量的輸入,貨艙內將產生一定比率的閃蒸氣(BOG)。BOG的累積會引起艙內壓力和溫度的升高,加劇LNG的蒸發,從而進一步影響貨艙圍護系統的安全。與陸用LNG站不同的是,LNG船上產生的BOG無法通過管線直接供給用戶使用,因此一般通過兩種方式處理艙內的BOG[1]:一是將BOG直接送到火炬系統中燃燒排放;二是通過泄壓閥直接放空處理。上述兩種方式在經濟性和環境友好性方面有明顯弊端。為此,考慮通過BOG再液化技術將貨艙中產生的BOG重新冷凝液化,維持貨艙內的溫度和壓力。

1 BOG再液化技術路線

與陸用BOG再液化系統不同的是,船用BOG再液化系統受制于尺寸重量、安裝維護、安全可靠性等諸多因素,混合制冷劑循環等常用的陸用再液化技術若應用于LNG船上弊端較多。目前LNG船用再液化系統按再液化循環方式可分為三類:BOG壓縮再液化系統、復疊式再液化系統和深冷式再液化系統。

1.1 BOG壓縮再液化系統

BOG壓縮再液化系統采用逆布雷頓循環制冷,其工作原理見圖1。該技術路線通過BOG壓縮機將貨艙產生的BOG壓縮至一定壓力,經過液化換熱器將BOG冷凝為LNG抽回貨艙內。

制冷的逆布雷頓循環回路一般采用氮氣作為制冷工質,經過多級氮氣壓縮機將工質壓縮至高壓狀態,經回熱器冷卻后進入膨脹機內膨脹做功并產生冷量,低溫的氮氣通過液化換熱器為BOG提供冷量,后通過回熱器為進入膨脹機前的氮氣預冷,實現對其冷量的梯級利用。氮氣經回熱器后再次進入多級壓縮機組,整個制冷回路為閉式循環。

1.2 復疊式再液化系統

復疊式再液化系統由多個在不同溫度下操作的制冷循環組合而成,不同溫度下的制冷回路采用的制冷劑也不同[2],其工作原理見圖2。

圖2 復疊式再液化系統工作原理(圖中數字為工業流程順序號)

與BOG壓縮再液化系統不同的是,復疊式再液化系統中無需膨脹機,BOG通過冷卻器在多個制冷循環中吸收冷量并被冷凝液化。但由于系統需要多個制冷循環,設備較多,管路也較為復雜,因此目前在LNG船上的應用較少。

1.3 深冷式再液化系統

深冷式再液化系統的制冷回路與BOG壓縮再液化系統類似,基于逆布雷頓循環制冷,采用氮氣或氮氦混合氣作為制冷劑。不同的是,其再液化的原理是將貨艙內的LNG泵至換熱器中,由制冷循環中的制冷劑提供冷量,將LNG冷卻至更低溫度再噴淋回貨艙內,從而降低貨艙的溫度和壓力,維持液貨系統的穩定。因此,深冷式再液化系統無需配置BOG壓縮機,可有效減小再液化撬裝的尺寸和成本。其工作原理見圖3。

圖3 深冷式再液化系統工作原理

深冷式再液化系統普遍采用磁懸浮壓縮膨脹機,由于目前磁懸浮機組的技術限制,深冷式再液化系統的功率較低,其再液化能力相對較低。

2 BOG再液化系統配置形式

根據貨艙內BOG是否被完全冷凝液化,再液化系統的配置分為全部再液化、自持式再液化和部分再液化三種形式。

2.1 全部再液化

全部再液化配置形式需要將貨艙內產生的所有BOG全部液化,其耗電量較大,再液化系統的動力來源于發電機組,因此對船舶電站的要求較高。

2.2 自持式再液化

自持式再液化配置形式即利用部分BOG在鍋爐中燃燒產生的動力驅動再液化裝置中的耗功設備,無需船舶發電機組提供動力。理論上消耗1/3的BOG可回收剩余2/3的BOG,有較高的節能價值。

2.3 部分再液化

部分再液化配置形式僅回收貨艙中產生的部分BOG,其余BOG除用于再液化過程中的熱交換外,均送至主鍋爐中被燃燒使用,近年來雙燃料LNG船興起[3],已有部分船舶采取了該配置形式。

3 船用BOG再液化技術現狀

由于船舶環境的特殊性,在考慮BOG液化回收效率的同時,還需要注意再液化裝置的尺寸重量以滿足有限的安裝空間,再液化系統需要在船舶航行過程中產生的搖擺和傾斜狀態下保持穩定運行。隨著技術的不斷發展,BOG再液化裝置高度集成,系統可靠性增強,并可顯著提升液貨系統安全、降低運營成本、提升能量利用率,越來越多的制造商對該技術進行了更新迭代并實現了實船應用。

3.1 主要制造商的技術進展

3.1.1 Osaka Gas

2000年,依托于“Oman”LNG工程,Osaka Gas為“Jamal”的LNG船制造了BOG再液化裝置,這是BOG再液化技術在實船上的首次應用。由于當時的技術限制和經驗欠缺,該船安裝的是帶有汽輪機的推進系統,BOG再液化系統在該船上的液化效率較低,為1 kWh/kg。如果再液化裝置發生故障,BOG將被運輸至鍋爐中用于生成蒸汽供船舶使用。

BOG通過壓縮機被壓縮后送入冷箱中冷凝為LNG,該系統的BOG兩級壓縮機可在串聯和并聯模式間切換。

3.1.2 Tractebel

基于Jamal再液化系統的應用,船舶行業對再液化技術的認識有了進一步的提高。2004年,Tractebel設計并制造了基于逆布雷頓循環的再液化裝置Tractebel Gas Engineering(TGE)。

Tractebel制造的BOG再液化裝置中,氮氣回路的壓縮機總功耗達4 700 kW,膨脹機可回收1 200 kW,而BOG回路中兩臺離心壓縮機的功耗各為330 kW,由于系統中還有其他能耗設備,裝置的總液化效率為0.75 kWh/kg[4]。

3.1.3 Hamworthy Gas System(HGS)

HGS經過長期以來對再液化技術的不斷探索,目前在再液化技術水平上已處于國際領先地位。

2008年,HGS與Cryostar聯合開發了Mark-III再液化系統。氮氣回路中的三級壓縮機出口的部分工質為BOG壓縮機組的入口工質進行預熱,該設計一方面有效利用了BOG自持冷能,極大降低了冷損耗;另一方面,首次實現了BOG常溫壓縮機的應用。BOG壓縮機可以使用常規的油系統,此外,BOG可以在更高壓力下實現冷凝,擴大了再液化技術的壓力適用范圍。

隨著船用雙燃料發動機的技術發展,2009年,HGS再一次開發了新的再液化系統Laby-GI Mark-III,將其搭載于低速二沖程雙燃料LNG船上。BOG回路的前兩級壓縮過程與Mark-III一致,二級BOG壓縮機出口工質有兩路支線。當處于再液化模式下,BOG通過兩級壓縮后即進入再液化系統中被冷凝液化回貨艙;當處于供氣模式下,BOG經兩級壓縮后,被機組的后三級壓縮機繼續壓縮至30 MPa高壓,噴射至雙燃料發動機內供氣。若供氣模式下的BOG待處理量仍過大,可將過量的BOG通過再液化系統冷凝回貨艙,此時供氣模式與再液化模式同時運行。

3.1.4 Cryostar

2008年,除了與HGS聯合開發了Mark-III再液化系統外,Cryostar獨立開發了Ecorel系列再液化技術并將其應用于Qatargas-2項目的一艘Q-Max型LNG船上。該船容量為2.66×105m3,搭載的BOG再液化系統最大處理能力為6 MW,總液化效率為0.857 kW·h/kg。

Ecorel系統首次在BOG壓縮機級間引入了氮氣回路的冷量。膨脹機出口的低溫氮氣經BOG液化換熱器換熱后仍持有一定冷量,該流股分為兩路支線,一路與傳統的逆布雷頓制冷循環一樣,為BOG的冷凝提供冷量;另一路支線為兩級BOG壓縮機的級間提供冷量以減小壓縮機的功耗。Ecorel系統中也配置了氮氣壓力儲罐和旁通管路用于動態調節系統的再液化能力。

3.2 復疊式再液化技術應用

目前,LNG船對復疊式再液化技術的應用還較少。2009年,Tractebel與Burckhardt聯合開發了基于復疊式再液化技術的Laby-GI TGE系統,以配合容量為(1.7～2.1)×105m3的雙燃料LNG船使用。

該系統使用了更高熱力學效率的乙烯和丙烯制冷劑循環,液化效率更高。與HGS的Laby-GI Mark-III再液化系統類似,該復疊式再液化系統的BOG回路中應用了Burckhardt提供的往復式壓縮機,可根據發動機的負載向工質供給15～30 MPa的壓力。當發動機無BOG需求或貨艙內產生的BOG大于發動機所需時,再液化系統運行以回收BOG。

3.3 深冷式再液化技術應用

3.3.1 Air liquide

2017年,air liquide首次將深冷式再液化技術應用至希臘船東GasLog的2艘容量為1.74×105m3的LNG船上。2019年,該系統又分別被應用于Anthony Veder、Harvey Gulf、Hudong和SHI等不同船東的LNG船上。

air liquide應用的深冷式再液化系統Turbo-Brayton Fridge(TBF)制冷循環回路的壓縮機和膨脹機均使用磁懸浮技術。磁懸浮壓縮膨脹一體機的應用避免了旋轉部件與靜止部件的機械接觸,極大提升了部件使用壽命和設備效率。此外,磁懸浮軸承代替了傳統壓縮膨脹機所需的油性軸承,再液化裝置無需安裝變速齒輪箱等部件,無需配備油系統。

目前TBF系列再液化能力最大可達3 t/h。

3.3.2 Cryostar

早在1988年,Cryostar與SKF合作開發了世界上第一臺磁懸浮軸承透平膨脹機?；谄浯艖腋∨c低溫技術的長期積累,Croystar開發了與之前Ecorel不同的深冷式再液化系統Ecochill。該再液化系統工藝流程和配置形式與TBF系統基本一致,其制冷回路中的壓縮膨脹機也采用了磁懸浮技術。目前Cryostar提供的Ecochill系列最大再液化能力為2.5 t/h,系統所需功率2 170 kW,總液化能力為0.868 kW·h/kg。

復疊式由于需要多個制冷循環,系統設備和管路繁多復雜,LNG船應用較少;BOG壓縮再液化系統因其再液化能力強、BOG回路壓力大的特點被廣泛用于使用低速二沖程柴油機動力系統和雙燃料動力系統的大型LNG船;近年來深冷式再液化技術因其系統組成簡單、可快速響應、安裝維護方便等特點應用較多。2000-2019年期間,三種技術方案的實船應用技術參數對比見表1。

表1 再液化系統技術參數對比

4 船用BOG再液化系統關鍵技術

4.1 再液化能力動態調節

目前船用BOG再液化系統的動態控制主要可分為兩種方式。

第一種是Mark系列等再液化系統采取的以氮氣儲罐閥門調節為主、膨脹機進口導葉和旁通調節為輔的動態調節方式。氮氣儲罐布置在制冷回路壓縮機組的進出口間,通過儲罐與進出口間的閥門開度控制進入壓縮機組的工質的質量流量,實現制冷回路冷量輸出的動態調節。此外,通過對膨脹機進口導葉的調節可控制膨脹機出口工質的溫度。同樣,壓縮機組出口與膨脹機出口間設置的旁通閥也可實現這一調節目標,從而實現對系統再液化能力的動態調節。

第二種是深冷式再液化系統普遍采用的以轉速調節為主,旁通調節為輔的動態調節方式。由于深冷式再液化系統的壓縮機和膨脹機均采用磁懸浮技術,通過磁懸浮電機的變頻可實現壓縮膨脹機轉速的動態調節,改變逆布雷頓制冷循環回路的工況(以膨脹機出口的工質溫度為目標變量),從而調節系統的制冷能力。

4.2 壓縮膨脹機組

對BOG壓縮再液化和復疊式再液化系統而言,BOG回路中的BOG壓縮機以及制冷回路中的氮氣膨脹機都是在低溫下工作,對設備材質、結構以及低溫下的壓縮、膨脹性能都有較高的要求[5]。Mark-III系統的設計實現了常溫BOG壓縮機在再液化系統中的應用,由于該設計優勢明顯,對常溫BOG壓縮機的應用和性能優化將成為BOG再液化關鍵技術發展趨勢之一。

對深冷式再液化系統而言,磁懸浮壓縮膨脹機組的應用使得系統可快速高效地通過變轉速調節再液化能力,而磁懸浮電機、電磁軸承和葉輪機械的設計以及三者間的配合是磁懸浮壓縮膨脹機組設計的關鍵。此外,由于膨脹端在低溫條件下工作,若低溫工質泄漏至磁懸浮電機腔體中將引起磁懸浮裝置的損壞,因此,密封設計是磁懸浮壓縮膨脹機組開發中需要注意的關鍵點。目前深冷式再液化系統功率和再液化能力較低,開發適用于再液化系統的大功率磁懸浮電機將是深冷式再液化系統的發展趨勢之一。

4.3 多股流換熱器

換熱器的性能是決定系統制冷能力和功耗的關鍵因素。在再液化系統的制冷循環回路中,相比于將回熱器和液化換熱器單獨布置,使用多股流板翅式換熱器不僅可以提供更大裕度的換熱溫差,提升制冷工質的冷能利用率,還可以減小布置空間[5]以滿足船舶上空間受限的要求,其優勢顯著。在多股流換熱器設計過程中,流股間的換熱匹配、通道的分布排列、多物理場的疊加和低溫對材質的要求均為不可忽視的重要因素[6]。

5 結論

1)通過BOG再液化技術可將LNG船貨艙內產生的BOG冷凝液化回收,維持艙內溫度壓力,對增強液貨系統安全、降低運營成本具有顯著意義。

2)BOG壓縮再液化技術因其再液化能力強、適用壓力范圍大的特點在低速二沖程雙燃料LNG船上應用廣泛,而深冷式再液化技術在系統簡單、響應時間和變工況運行方面優勢顯著。

3)再液化能力動態調節、壓縮膨脹機組和多股流換熱器的開發是再液化系統中的關鍵技術,系統對低溫下設備材質、結構和性能有較高要求,低溫工況下的密封設計尤為關鍵。

通過分析發現,對船用BOG再液化技術的應用存在以下趨勢。

在傳統BOG壓縮再液化系統中添加BOG預熱換熱器可充分利用BOG的自持冷能,同時BOG回路可使用常溫壓縮機,具有較高應用價值。

在BOG壓縮再液化系統中的BOG壓縮末端添加高壓壓縮機可實現再液化模式和供氣模式的切換,隨著雙燃料LNG船的興起,該設計具有廣闊的應用前景。

深冷式再液化系統有其獨特優勢,但目前系統規模較小,再液化能力不高。開發大功率磁懸浮壓縮膨脹機組以提升系統再液化能力是深冷式再液化系統未來的主要發展方向。