沈九兵，嚴(yán)思遠(yuǎn)，李志超，馮國增，朱 剛，蔣永旭

（1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 招商局郵輪研究院上海有限公司，上海 200135）

根據(jù)國際海事組織（IMO）2012通過的修正案，要求到2020年國際航行船舶燃料油含硫量需低于0.5%[1,2]。 為達(dá)到日益嚴(yán)格的船舶排放標(biāo)準(zhǔn)，需添加昂貴的脫硫裝置或者使用合規(guī)燃料，這給航運(yùn)商帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。 液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源，具有燃燒熱值高、熱效率高等特點(diǎn)，以其作為動力的LNG動力船舶的開發(fā)應(yīng)用成為解決排放污染問題的有效途徑，并呈現(xiàn)快速發(fā)展之勢。

由于LNG船所使用的是-162 ℃的液化天然氣，無論是LNG運(yùn)輸船（1.5 × 105～2.5 × 105m3）或是LNG動力船（1.0 × 103～1.0 × 104m3）[3]，在使用LNG的各個(gè)環(huán)節(jié)由于漏熱或閃蒸等原因會產(chǎn)生大量的BOG。 為了維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，目前船舶對BOG的主要處理方式包括直接排空、用燃燒炬燃燒、壓縮機(jī)加壓后作為船舶動力給氣或再液化BOG回LNG儲罐等。由于BOG的溫室效應(yīng)是CO2的25倍左右， 直接排空或燃燒必然帶來環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，故BOG再液化設(shè)備或裝置成為現(xiàn)在LNG船舶的必然技術(shù)需求。為此，本文重點(diǎn)對現(xiàn)有的BOG再液化技術(shù)及研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理與總結(jié)，從能效、液化能力與安裝空間、安全性與穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了對比分析。

1 船用BOG再液化工藝

在20世紀(jì)60年代，級聯(lián)式和混合冷劑液化工藝就已經(jīng)在液化工廠中開始應(yīng)用，但是當(dāng)時(shí)的液化能力不足1.0 × 106t/a。 20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了C3MR制冷工藝，并成為主要的液化工藝技術(shù)。 隨著離岸液化天然氣工藝的發(fā)展，20世紀(jì)80年代氮膨脹制冷工藝開始成為研究熱點(diǎn)[4]。 由于離岸環(huán)境復(fù)雜多變，工藝要求嚴(yán)格多樣，此后又發(fā)展了許多適用于離岸天然氣液化的工藝技術(shù)，其分類如圖1所示。

1.1 級聯(lián)式制冷工藝

基礎(chǔ)級聯(lián)式制冷工藝由三個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)組成，使用純制冷劑甲烷、乙烯和丙烷，如圖2所示[5]。

BOG分別在三個(gè)換熱器完成預(yù)冷、 液化和過冷，最終通過J-T閥節(jié)流回LNG儲罐。 由于各循環(huán)換熱器之間進(jìn)行了冷熱復(fù)疊，熱效率高，且由于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，且無特殊部件，因此有廣泛的供應(yīng)廠商。 文獻(xiàn)[4,6]對簡單級聯(lián)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了優(yōu)化級聯(lián)工藝，該工藝通過引入不同的制冷系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)設(shè)計(jì)，優(yōu)化換熱負(fù)荷匹配，其液化效率較基礎(chǔ)工藝有所提高。

1.2 引射式制冷工藝

引射制冷工藝具有撬裝化程度高、 占地面積小、啟停迅速等優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)其核心設(shè)備構(gòu)造簡單，整個(gè)裝置易操作且運(yùn)行穩(wěn)定，其液化效率介于氮膨脹工藝與混合冷劑制冷工藝之間， 工藝流程圖如圖3所示[7]。 對于離岸液化工藝的設(shè)計(jì)要求，引射制冷工藝應(yīng)用于船舶BOG再液化有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.3 混合冷劑制冷工藝

單混合冷劑制冷工藝如圖4所示[8]。 混合冷劑通過壓縮機(jī)、 海水換熱器、LNG換熱器以及節(jié)流閥完成制冷循環(huán)，BOG通過LNG換熱器吸收冷量冷凝為液態(tài)，最終通過J-T節(jié)流閥降壓后回儲罐。 由于該工藝只包括單個(gè)制冷循環(huán)， 難以避免會出現(xiàn)換熱溫差大、火用損失高的結(jié)果。

為提高其熱效率和液化能力，Khan等[9]開發(fā)了帶預(yù)冷的混合冷劑制冷工藝以及雙混合冷劑制冷工藝，其中，以丙烷預(yù)冷為代表的混合冷劑制冷工藝流程圖如圖5所示，其優(yōu)點(diǎn)在于，相比單混合冷劑制冷， 該工藝換熱器的冷熱曲線匹配得更加緊密，換熱溫差更小，同時(shí)所需的制冷劑流量也進(jìn)一步減小，有效減少了不可逆損失。 而雙混合制冷工藝則是在單混合冷劑制冷基礎(chǔ)上加多一個(gè)混合冷劑制冷循環(huán)[10]，其充分利用另一個(gè)制冷循環(huán)的冷劑在沸騰時(shí)產(chǎn)生的冷量實(shí)現(xiàn)對BOG的預(yù)冷以及制冷系統(tǒng)的熱量回收，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化換熱器換熱效率的目的。

Jensen等[11]在級聯(lián)式液化循環(huán)和混合冷劑循環(huán)基礎(chǔ)上， 發(fā)展了將兩種制冷循環(huán)結(jié)合在一起的工藝，即混合冷劑的級聯(lián)液化循環(huán)，將原先級聯(lián)式制冷循環(huán)的純制冷劑換成混合制冷劑，如圖6所示。 由于混合冷劑沸點(diǎn)不同從而優(yōu)化了換熱器的冷熱側(cè)換熱曲線的匹配，因此熱效率也高于基礎(chǔ)的級聯(lián)式和混合冷劑制冷工藝[12]。

1.4 氮膨脹制冷工藝

氮膨脹制冷再液化BOG是根據(jù)逆布雷頓低溫制冷循環(huán)原理設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)，目前具有代表性的單氮?dú)馀蛎浵到y(tǒng)是EcoRel和MarkⅠ再液化系統(tǒng)，如圖7和圖8所示[13]。

為進(jìn)一步降低液化能耗， Khan等[14]提出了雙氮?dú)馀蛎浿评湟夯疊OG循環(huán)，在單膨脹系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一臺氮膨脹機(jī)，使氮?dú)夥至鞑⑶遗蛎浿敛煌瑝毫Γ@樣氮膨脹系統(tǒng)的制冷量能更加靈活地適應(yīng)BOG負(fù)荷的變化， 進(jìn)一步減小壓縮氮?dú)馑璧哪芎?，?yōu)化了換熱器性能，工藝流程如圖9所示。

為進(jìn)一步優(yōu)化換熱器換熱性能、減小換熱溫差以降低不可逆損失，Cao等[15]開發(fā)了N2-CH4制冷工藝。同時(shí)，Khan等[16]為兼顧效率與安全性兩方面要求，又發(fā)展了CO2預(yù)冷的氮?dú)馀蛎浿评涔に嚕?并通過模擬優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到提高能效的目的。

1.5 直接液化工藝

直接液化工藝與前述工藝的最主要區(qū)別在于不再通過壓縮BOG提高液化溫度的方式對其進(jìn)行液化， 而是通過過冷LNG噴淋對儲罐內(nèi)BOG進(jìn)行液化降壓，省去了BOG壓縮機(jī)與J-T節(jié)流閥，故不會造成液貨損失，所需空間也更小，但也正是由于缺少BOG壓縮機(jī)來提高冷凝壓力， 使得液化效率不高，如氮膨脹直接液化工藝（如圖10）[17]。此外，還有利用自身BOG壓縮后膨脹提供冷量的直接再液化系統(tǒng)[18]，其工藝流程如圖11所示。

2 BOG再液化工藝對比分析

離岸BOG液化與傳統(tǒng)陸上液化工藝在各自設(shè)計(jì)要求的優(yōu)先級上存在很大的差異。 熱力效率是陸上BOG液化工藝選擇的最重要參數(shù)[19]；而對于離岸LNG應(yīng)用的船用BOG再液化系統(tǒng)，受船舶晃蕩、電站能力與船舶可用空間等因素的影響， 工藝的緊湊性、可操作性和安全性等標(biāo)準(zhǔn)可能成為更重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)[20]。 同時(shí)，離岸故障維修風(fēng)險(xiǎn)很大，必要時(shí)需引入100%的冗余裝置以避免故障停機(jī)[12]。 因此，船用BOG再液化系統(tǒng)還須具有工藝簡單、 技術(shù)成熟、對船舶晃蕩不敏感、占地面積小、易操作、高度模塊化以及能快速啟停等特點(diǎn)。

2.1 能效對比

各類BOG再液化工藝的能耗情況如表1所示。無論是哪一種工藝，帶預(yù)冷的制冷液化工藝比能耗總是低于不帶預(yù)冷工藝，表明預(yù)冷工藝的加入有助于換熱器之間合理分配熱負(fù)荷，降低換熱器內(nèi)的換熱溫差，達(dá)到降低能耗的目的；同時(shí)，從EcoRel 和MarkⅠ的能耗來看，同為單氮?dú)馀蛎浿评?，能耗卻不相同，說明系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)也是降低系統(tǒng)能耗的手段之一；不僅如此，在此基礎(chǔ)上還需進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，而且優(yōu)化算法的不同往往對最后結(jié)果有著很大的影響[14]。

表1 各工藝類型能耗對比

由于氮膨脹制冷換熱過程無相變，以氣態(tài)方式進(jìn)行換熱，其換熱效率比混合冷劑制冷工藝和級聯(lián)式制冷工藝低，而混合冷劑制冷工藝與級聯(lián)式制冷工藝相比，由于級聯(lián)式兼顧相變換熱與冷熱橋接兩種強(qiáng)化換熱方式， 使得系統(tǒng)冷量得以充分利用，所以比能耗最低[21-23]，故BOG再液化工藝能耗由大到小順序?yàn)榈蛎浿评涔に嚕净旌侠鋭┲评涔に嚕綛OG自膨脹工藝＞級聯(lián)式液化工藝。而氮膨脹制冷工藝中的氮膨脹直接液化工藝的效率則比基礎(chǔ)的氮膨脹液化工藝低；BOG自膨脹直接液化工藝通過流程與參數(shù)優(yōu)化后其比能耗與基于混合冷劑制冷的液化工藝相當(dāng)，低至0.490 kW·h/kgLNG[18]。 而引射式制冷液化工藝受引射器性能和效率的影響，相比其它幾類制冷液化工藝，其在能耗上也并不占優(yōu)勢[7]。

2.2 液化能力與安裝空間對比

各工藝液化能力與安裝空間關(guān)系如圖12所示。氮膨脹制冷由于不存在相變換熱環(huán)節(jié)，且其處理能力主要依靠膨脹機(jī)的能力大小，因此能實(shí)現(xiàn)的最大處理能力相對較低，一般小于2.0 × 106t/a；混合冷劑制冷和級聯(lián)式制冷由于存在相變換熱，最大處理能力較膨脹制冷高，一般為4.0 × 106～5.0 × 106t/a[21]。然而，受丙烷預(yù)冷能力的限制，混合制冷液化循環(huán)無法再進(jìn)一步增大液化能力，因此有研究者開發(fā)了AP-X循環(huán)，通過丙烷預(yù)冷、混合冷劑制冷和氮膨脹制冷三個(gè)系統(tǒng)的級聯(lián)來提高液化能力， 可達(dá)1.0 ×107t/a，從而規(guī)避了典型的C3MR工藝瓶頸[6]。不僅如此，韓國政府還開展了多級Brayton-JT聯(lián)合制冷循環(huán)的研究，以期達(dá)到更高的效率和液化能力[28]。BOG自膨脹制冷的液化能力文獻(xiàn)中未提及，根據(jù)其系統(tǒng)特點(diǎn)分析可知， 其液化能力可在很大范圍內(nèi)變化，這取決于BOG壓縮機(jī)與膨脹機(jī)的負(fù)荷大小，其最大液化能力應(yīng)介于混合冷劑與級聯(lián)式制冷工藝之間。 引射制冷工藝的液化能力一般小于5.0 × 105t/a，更適合用在小型BOG再液化系統(tǒng)中。

在所有的制冷液化工藝中，引射制冷通過引射器膨脹獲取低溫，無外加制冷循環(huán)，撬裝程度高，占地面積最小。 BOG自膨脹制冷工藝在系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)上與引射式工藝的不同在于將引射器用膨脹機(jī)代替，由于膨脹機(jī)尺寸更大，使得BOG自膨脹制冷工藝占地面積較引射式工藝略大。 同樣在撬裝程度上有顯著優(yōu)勢的還有氮膨脹制冷工藝，為提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，氮膨脹制冷工藝可在船舶上配備100%的冗余度。 同時(shí)， 基于氮膨脹通過過冷LNG噴淋的直接液化工藝由于節(jié)約了BOG壓縮機(jī)，系統(tǒng)緊湊程度較傳統(tǒng)氮膨脹工藝更高，占地面積進(jìn)一步減小。 而混合冷劑制冷與級聯(lián)式制冷由于系統(tǒng)復(fù)雜，管道繁多，而且要配備專門的制冷劑儲罐與分離罐，因此占地面積較大，其中，級聯(lián)式制冷工藝由于存在幾個(gè)不同制冷子系統(tǒng)的級聯(lián)，撬裝程度與緊湊性最差，占地面積也最大。

2.3 安全性與穩(wěn)定性對比

離岸BOG再液化系統(tǒng)更加注重系統(tǒng)安全性與緊湊性。 氮膨脹制冷工藝以惰性氣體作為制冷劑，換熱過程不發(fā)生相變， 無疑是最安全的液化工藝；引射制冷工藝有運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，且啟、停機(jī)速度快，因此其安全性與穩(wěn)定性也較高；而混合冷劑制冷、級聯(lián)式制冷和BOG自膨脹制冷工藝以易燃易爆的烴類作為循環(huán)工質(zhì)，過程中存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，安全系數(shù)低；此外，混合冷劑制冷工藝控制回路多，儲罐和閥門數(shù)量也較多，受到設(shè)備熱沖擊和設(shè)備冷卻時(shí)間的限制，啟動時(shí)間長且停機(jī)操作過程復(fù)雜，事故發(fā)生率相對較高。

同時(shí)，由于離岸特殊的運(yùn)行環(huán)境，液化系統(tǒng)需要適應(yīng)離岸晃蕩的影響。 混合冷劑與級聯(lián)式液化工藝存在相變換熱，雖然換熱效率會更高，但是由于晃蕩會影響制冷劑在換熱器內(nèi)的分布，使得冷熱側(cè)換熱曲線匹配惡化，導(dǎo)致?lián)Q熱效率顯著下降；同時(shí)，非共沸混合冷劑不能在分離罐內(nèi)很好地分離，使得整個(gè)系統(tǒng)能耗急劇增加，系統(tǒng)變得很不穩(wěn)定；另一方面，制冷劑的配比對混合冷劑系統(tǒng)的能耗有著顯著影響，其計(jì)算困難，涉及諸多技術(shù)問題[29]。 而BOG自膨脹系統(tǒng)需將BOG壓縮至高壓再膨脹以保證能效，需要多臺BOG壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)作，故障率較高。

3 結(jié)語與展望

自不同的BOG液化工藝開始應(yīng)用于船舶以來，在有限的甲板空間上做到盡可能高的液化回收率和能效一直是船舶BOG液化研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。 在以往的研究中，通過對基礎(chǔ)系統(tǒng)的改良與不同系統(tǒng)之間的級聯(lián)，使得船舶BOG再液化工藝的能效與液化能力得到了進(jìn)一步的提升，系統(tǒng)設(shè)計(jì)愈發(fā)緊湊。

然而，隨著LNG船舶（LNG運(yùn)輸船、FLNG船）大型化的發(fā)展趨勢， 曾經(jīng)占據(jù)主要市場的C3MR制冷工藝的液化能力不再滿足對BOG液化的需求量，因此對大液化能力的級聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)改造與流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少占地面積就顯得十分必要。BOG自膨脹制冷液化系統(tǒng)具有占地面積小能耗低的優(yōu)勢，如何將其與其他液化工藝的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)未來船舶BOG再液化系統(tǒng)兼顧高液化能力、高能效、緊湊與穩(wěn)定性要求的重要途徑。