制冷液化技術在LNG船上的應用

徐 帥，施方樂

（滬東中華造船（集團）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快速增長的趨勢，供需缺口逐漸擴大。因此，從國外進口天然氣資源，調整能源結構，彌補能源短缺，滿足日益加快的國民經濟發展對新興能源的需求，成為我國實施能源戰略的重要決策[1]。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船是進口天然氣最主要的運輸工具，配備有專門儲藏LNG的貨艙，并安裝有特殊的絕熱系統，盡量減少外界熱量的傳入，從而減少貨艙內LNG的蒸發。但是，在此防護措施下仍會有熱量穿過絕熱系統進入貨艙，使貨艙內的LNG蒸發。對此，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，通過調研發現，氮氣膨脹制冷液化技術、混合制冷液化技術和直接制冷液化技術是目前主要采用的3種技術。

1 氮氣膨脹制冷液化技術

氮氣膨脹制冷液化技術采用布雷頓循環原理，亦稱焦耳循環或氣體制冷機循環，以氣體為介質，包含等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱等4個工作過程[2]，氮氣在該工藝流程中不發生相態改變。歷史上首臺氣體制冷機以空氣作為介質，稱為空氣制冷機[3]。除了空氣以外，也可根據不同的使用目的，將CO2、氮氣和氦氣等氣體作為介質。

LNG船上的再液化裝置普遍采用氮氣膨脹制冷液化技術。這種技術簡單，容易實現。氮氣膨脹制冷液化典型原理圖見圖1。

圖1 氮氣膨脹制冷液化典型原理圖

氮氣膨脹制冷液化技術包括貨物循環和氮氣循環2個循環，其中：貨物循環的主要設備包括蒸發氣壓縮機、蒸發氣中間冷卻器、蒸發氣減溫器和蒸發器冷凝器；氮氣循環的主要設備包括氮氣膨脹機（見圖2）、氮氣熱交換器和氮氣中后冷卻器。

圖2 氮氣膨脹機

2008年以來，采用氮氣膨脹制冷液化技術的再液化裝置在諸多實船上得到應用，例如在韓國建造的49艘LNG船、在日本建造的3艘LNG船和在我國建造的8艘LNG船上都安裝有采用氮氣膨脹制冷液化技術的再液化裝置，運行記錄顯示良好，獲得船東的肯定。此外，制冷劑氮氣在該裝置工作過程中不發生相變，控制簡單。但是，這種技術的效率較低、耗電量較大。在此背景下，新的制冷液化技術就應運而生，混合制冷液化技術和直接制冷液化技術是其中的代表。

2 混合制冷液化技術

混合制冷液化技術采用二級制冷液化設計，由2個制冷循環組成，即混合制冷劑系統和丙烷系統。貨艙內的蒸發氣首先經過船上的蒸發氣壓縮機壓縮至 0.65MPa，然后在一級制冷循環中冷卻至-10℃，最后在二級制冷循環中冷卻至-160℃，返回至貨艙。在整個制冷液化過程中，提高二級制冷控制，使系統穩定運行，不受外界溫度變化的影響，保證系統滿足負荷平穩、能耗降低和及時響應貨艙蒸發氣控制的要求。

混合制冷液化技術典型原理圖見圖3。

圖3 混合制冷液化技術典型原理圖

混合制冷劑系統的主要設備[4]包括混合制冷劑壓縮機（見圖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、蒸發氣冷凝器和廢氣排放分離器。

圖4 混合制冷劑壓縮機

丙烷系統的主要設備包括丙烷壓縮機、滑油分離筒、滑油冷卻器、滑油濾器和滑油泵、丙烷冷凝器、丙烷經濟器、氣液分離筒、蒸發氣預冷卻器和丙烷儲藏罐。

該技術是船用新技術，具有能耗低、耗電量小、便于模塊化集成整合、安裝方便和造價低等優勢。2016年在韓國建造的某17.4萬m3LNG船上安裝了4t/h的蒸發氣制冷液化系統，一旦通過實船營運檢驗，未來會有更多的船舶選擇采用混合制冷液化技術。

3 直接制冷液化技術

直接制冷液化技術采用逆布雷頓循環原理，逆布雷頓循環是采用氣體作為介質的制冷循環，通過壓縮機等熵壓縮，經過后冷卻器冷卻、回熱器降溫，在透平膨脹機內等熵絕熱膨脹并對外做功，獲得低溫氣流，由此制取冷量。直接制冷液化技術典型原理圖見圖5。直接制冷液化技術的主要設備包括透平壓縮機、熱交換器和馬達磁性軸承控制柜等。包括透平壓縮機的制冷液化模塊見圖6。

圖5 直接制冷液化技術典型原理圖

圖6 包括透平壓縮機的制冷液化模塊

盡管該技術是船用新技術，但具有結構緊湊、占地面積小、便于在船上布置、能耗相對低、耗電量較小和造價較低等優勢。2017年殼牌船東的某6500m3LNG加注船上安裝了0.5t/h的蒸發氣制冷液化系統，運行情況良好，獲得船東的好評。此外，在韓國建造的2艘17.4萬m3LNG船上也安裝了1.2t/h的蒸發氣制冷液化系統。

4 結 語

在 LNG船的制冷液化系統中，目前主要采用氮氣膨脹制冷液化、混合制冷液化和直接制冷液化等 3種技術，其中：氮氣膨脹制冷液化技術發展比較早，應用較多，但設備比較多，占地面積較大，維護保養復雜；混合制冷液化技術是由陸用轉到船用的技術，效率較高，采購成本較低；直接制冷液化技術是最新開發的系統，配置簡單，占地面積較小，維護保養容易，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或直接制冷液化系統，在小型LNG船上安裝直接制冷液化系統。