船舶壓載水處理裝置

本文格式為Word版，下載可任意編輯——船舶壓載水處理裝置再液化是從安好和經(jīng)濟(jì)上考慮，對冷壓式或全冷式液化氣體船中的蒸發(fā)氣體舉行處理，裁減蒸發(fā)的氣體積聚，將蒸發(fā)氣體再次液化回流進(jìn)艙?，F(xiàn)在國際上少量LNG船已經(jīng)開頭安裝再液打扮置，以裁減液貨的自然揮發(fā)帶來的損失。

再液化蒸發(fā)LNG

1前言

近些年，隨著環(huán)保意識的逐步鞏固，LNG因其清潔環(huán)保等優(yōu)勢在我國能源格局中越來越占有重要地位。相應(yīng)地，隨著中國LNG能源消耗的穩(wěn)步增長及LNG運(yùn)輸業(yè)的興起，LNG船舶建立技術(shù)也在近些年急速進(jìn)展起來。在我國2022年滬東中華船廠開工建立中國首艘LNG船舶。近些年，傳統(tǒng)型的蒸汽輪機(jī)主機(jī)LNG船舶因其熱效率較低，而逐步被配有再液打扮置的傳統(tǒng)的低速二沖程主機(jī)LNG船以及配備DFDE雙燃料發(fā)電機(jī)的電力推進(jìn)船舶逐步取代。相應(yīng)地，再液打扮置在LNG船舶上的應(yīng)用，逐步普及。

2LNG船貨艙BOG處理方式簡介

LNG船舶由于其運(yùn)輸-162℃液化自然氣的理由，存在一個如何處理貨艙內(nèi)的自然揮發(fā)氣NBOG（NaturalBoilOffGas）的問題。

LNG船舶在運(yùn)輸過程中，貨艙內(nèi)的低溫LNG液體會受熱揮發(fā)成貨物蒸汽。雖然LNG船貨艙的絕緣層能夠有效地將貨艙內(nèi)的液貨蒸發(fā)率操縱在0.15%每天，但是貨艙內(nèi)的液態(tài)LNG不成制止的會吸入外界漏入貨艙的熱量舉行蒸發(fā)，因此貨艙內(nèi)會源源不斷產(chǎn)生自然揮發(fā)氣（NaturalBoilOffGas，NBOG）。因此揮發(fā)出來的NBOG需要適當(dāng)?shù)奶幚?，以維持貨艙的正常艙壓。

不同類型動力裝置的LNG船舶處理NBOG的方式不同。

LNG船處理貨艙BOG的方法可以分為非再液化和再液化兩類。

早期蒸汽輪機(jī)主機(jī)LNG船舶采用的NBOG處理方式為將貨艙內(nèi)揮發(fā)出來的自然氣引入機(jī)艙雙燃料鍋爐燃燒，產(chǎn)生的蒸汽推動蒸汽輪機(jī)主機(jī)產(chǎn)生推力。這種方式為非再液化方式。近些年流行的配備DFDE（DualFuelDieselEngine）雙燃料發(fā)電機(jī)的電力推進(jìn)LNG船舶上，貨艙內(nèi)的NBOG引入機(jī)艙雙燃料發(fā)電機(jī)DFDE產(chǎn)生電力，推動電動機(jī)主機(jī)產(chǎn)生推力。

另外一種處理貨艙BOG的方式是再液化。這種LNG船舶動力裝置概念是貨艙內(nèi)揮發(fā)的NBOG由LNG再液打扮置完全液化，再液化的液體再完全引回貨艙內(nèi)。這樣，機(jī)艙內(nèi)的主機(jī)那么可以采用其他商船上廣泛采用同時具有悠久歷史的低速二沖程主機(jī)。

相對比而言，采用再液打扮置的LNG船舶具有以下優(yōu)點：

（1）由于貨艙內(nèi)揮發(fā)的BOG不必燃燒掉，因此可以提高所運(yùn)輸液貨的量。（2）由于不需要為處理貨艙BOG而煩擾，因此機(jī)艙內(nèi)部可以采用傳統(tǒng)的低速二沖程主機(jī)或者電力推進(jìn)主機(jī)。技術(shù)上對比成熟，相關(guān)的管理人員資源對比豐富。（3）采用再液打扮置的低速二沖程主機(jī)或者電力推進(jìn)主機(jī)的動力裝置整體熱效率都要高于傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)主機(jī)。（4）相對于傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)動力裝置而言，可以儉約機(jī)艙空間，相應(yīng)提高貨艙容量。

3BOG再液打扮置

由于蒸汽輪機(jī)主機(jī)動力裝置整體熱效率只有30%左右，因此近些年來為了迎合國際上節(jié)能減排的需求，熱效率相對較高的傳統(tǒng)的大型低速柴油機(jī)（動力裝置總體熱效率可高達(dá)近60%，減排近30%）以及電力推進(jìn)主機(jī)有日漸流行的流行的趨勢。同時，隨著Q-Flex和Q-Max大型LNG船舶的展現(xiàn)，貨艙內(nèi)的揮發(fā)BOG總量也急劇增加。相應(yīng)地，為了有效地處理貨艙內(nèi)的BOG，在這些LNG船舶上BOG再液打扮置也越來越多的被應(yīng)用。2022年，HAMWORTHY公司的MARKI再液化系統(tǒng)在首次在Q-Flex船上得以應(yīng)用；同年，CRYOSTAR公司的EcoRel再液打扮置首次在Q-Max船上得以應(yīng)用。

LNG船舶上BOG再液打扮置的功能是把貨艙內(nèi)揮發(fā)出來過量BOG通過制冷方式，將其溫度降低到其沸點（-161.5℃）以下。它是一個從低溫到更低溫的制冷過程。目前，LNG船舶上應(yīng)用的再液化方式有三種：

全部再液化。其特點是：理論上不存在貨損，可采用高效節(jié)能的大型低速柴油機(jī)。

自持式再液化。其特點是：利用片面BOG來驅(qū)動燃?xì)馔钙交蛘咚腿脲仩t產(chǎn)生蒸汽來作為再液打扮置的原動力。不需要船舶電網(wǎng)供給電能。實現(xiàn)自持式再液化。

片面再液化。其特點是將片面BOG再液化。剩余的BOG可以作為雙燃料柴油機(jī)或者雙燃料主機(jī)的燃料。此種方式適合于BOR高的LNG船舶，在低BOR的LNG船舶上要考慮其設(shè)備安裝的經(jīng)濟(jì)性。

4LNG船舶上再液化原理

從制冷原理講，實現(xiàn)氣體液化有三種方式：加壓、降溫以及加壓降溫結(jié)合。LNG船舶上的再液化是通過氮氣封閉壓縮膨脹循環(huán)來實現(xiàn)低溫制冷。氮氣經(jīng)過三級壓縮后在膨脹機(jī)內(nèi)部舉行等熵絕熱膨脹，同時對透平膨脹機(jī)的輪軸做功，氮氣做功消耗的內(nèi)能帶來的直接效果是氮氣的溫度下降，可以降低到-162℃達(dá)成自然氣的液化溫度-161.5℃。這樣，氣態(tài)的自然氣就會被低溫的氮氣液化。

LNG船舶上應(yīng)用的典型的再液化設(shè)備：

4.1挪威HamworthyKSE公司

Hamworthy的再液化設(shè)備已經(jīng)進(jìn)展到第三代MARKIII。同其他主要再液打扮置供給商采用的制冷原理一樣，該系統(tǒng)采用氮氣壓縮膨脹原理來實現(xiàn)低溫制冷。氮氣相對于Hamworthy公司的第一代再液打扮置而言，其第三代再液打扮置對BOG處理方面采用三級（增加一個壓縮機(jī)級）壓縮然后再送入冷箱中舉行冷卻液化。這樣的結(jié)果是BOG在較高的溫度和壓力下冷凝，因此能耗可以降低近15%。在此解決方案中，貨艙來的BOG與再液化后的少量LNG在預(yù)冷器進(jìn)口混合，這樣可以對BOG在從貨艙到預(yù)冷器之間的管路中吸收的熱量舉行補(bǔ)償，同時預(yù)冷器中可以將BOG壓縮機(jī)進(jìn)口的殘存液體有效分開從而防止壓縮機(jī)吸液造成液擊。預(yù)冷后的BOG在雙級離心壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮至4.5bar。壓縮后的BOG在低溫?fù)Q熱器內(nèi)被換熱器另一側(cè)的低溫氮氣冷成液態(tài)。再液化的LNG送入氣液分開器內(nèi)，再液化后的LNG被送入貨艙液體空間，不凝性氣體會在這里被分開并引回貨艙蒸汽空間或者氣體燃燒單元（GCU）。低溫?fù)Q熱器和氣液分開器集成在一個外敷絕緣的冷箱（ColdBox）內(nèi)部以減小外界熱量漏入。13.5巴的氮氣經(jīng)過三級壓縮后壓力提升到57巴。壓縮過程中產(chǎn)生的熱量由冷卻器帶走。然后高壓氮氣在冷箱內(nèi)部被預(yù)冷至-110℃，預(yù)冷后的高壓氮氣在透平膨脹機(jī)內(nèi)部膨脹至-163℃以冷卻貨艙揮發(fā)的BOG。透平膨脹機(jī)的制冷量通過想系統(tǒng)中注入或抽出氮氣來舉行調(diào)理。此外，膨脹機(jī)進(jìn)口設(shè)置有一個進(jìn)口導(dǎo)向葉片（InletGuideVane，IGV）。通過調(diào)整IGV的角度也可以調(diào)理進(jìn)入膨脹機(jī)內(nèi)部的氮氣量，從而可以調(diào)理膨脹機(jī)的制冷量（如圖1）。

4.2法國CRYOSTAR公司的EcoRel再液打扮置

法國CRYOSTAR公司的EcoRel再液打扮置工作原理與HAMWORTHY公司的再液打扮置好像，其原理為基于布雷頓循環(huán)（Braytoncycle）的氮氣壓縮及絕熱膨脹循環(huán)。

以氮氣為工作介質(zhì)的透平膨脹機(jī)產(chǎn)生冷量，在低溫冷卻器內(nèi)部貨艙揮發(fā)的BOG被冷卻成LNG然后送入液貨艙。其最大的再液化才能為7Ton/h。貨艙來的BOG由兩級離心式壓縮機(jī)舉行壓縮。每臺壓縮機(jī)進(jìn)口配置有導(dǎo)流葉片（DeflectorGuideVane，DGV）。BOG由低溫氮氣舉行中間冷卻。壓縮后的氮氣在BOG降溫器（板式翅片冷卻器）中舉行預(yù)冷，然后在BOG冷凝器中被再液化。這種設(shè)計的優(yōu)勢為，不銹鋼換熱器可以有效緩沖系統(tǒng)內(nèi)溫度波動，養(yǎng)護(hù)鋁質(zhì)BOG冷凝器。在此系統(tǒng)中，假設(shè)BOG中氮氣含量低，再液化的BOG有稍微的過冷度，因此再液化的液體可以直接返回液貨艙而不必經(jīng)過氣液分開器；然而，在BOG中氮氣含量高的時候，再液化的BOG需要引入氣液分開器內(nèi)，不凝性氮氣返回液貨艙或者送入GCU中處理，而再液化的BOG返回液貨艙。

氮氣經(jīng)過三級壓縮后送入氮氣冷卻器內(nèi)預(yù)冷，然后送入透平膨脹機(jī)內(nèi)部等熵絕熱膨脹做功。膨脹后的低溫氮氣在BOG冷凝器內(nèi)部將BOG再液化。EcoRel的制冷量調(diào)理機(jī)制與Hamworthy公司的MarkI類似，透平膨脹機(jī)設(shè)置有進(jìn)口導(dǎo)向葉片IGV和膨脹機(jī)的旁通閥，以舉行較小制冷量調(diào)理。在沒有制冷負(fù)荷的時候，氮氣冷卻器的旁通閥開啟。在制冷量較大的時候，氮氣循環(huán)回路內(nèi)的舉行循環(huán)的氮氣量隨負(fù)荷增大而