液化天然气运输船脱气再液化控制系统设计

随着原油价格的攀升，对天然气的需求也日益增强，这直接推动了造船业对液化天然气运输船的巨大需求。在LNG运输船的航行中，液化天然气在货舱内会逐渐蒸发，产生大量的天然气。传统的处理方式是通过燃烧这些天然气来驱动汽轮机，但这种方式的总体效率仅为约30%。

近年来，为了提高效率和经济效益，业界提出了多种替代技术。其中，最具潜力的方案是采用低速柴油推进和双柴油-电力推进。在这两种方案中，多余的天然气可以作为燃料使用，并通过双燃料发动机来发电。同时，这些多余的天然气还可以被沼泽再液化工厂回收，转化为液体形式。

这种新型推进方式不仅效率更高（低速柴油机效率可达48%，双柴油机电动效率为43%），而且其初始成本也低于传统方法。考虑到NOx、SOx和CO2排放量的减少以及未来交易和燃料选择的灵活性，配备再液化工厂的柴油-电力船舶似乎是目前满足LNG运输船推进需求的最佳方案。它不仅满足了当前的需求，还具备应对未来挑战的巨大潜力。

尽管沼泽再液化工厂目前尚未投入实际运营，但我们的公司最近已经收到了多个建造船上沼泽再液化工厂的订单。这充分证明了沼气再液化技术在工业应用中的广阔前景。然而，令人遗憾的是，尽管这些订单已经为沼气再液化的工业应用提供了有力的证明，但在学术研究领域，关于该过程可操作性的全面报道却仍然缺乏。

尽管有一些研究对沼气再液化过程进行了描述，但这些研究的范围相对有限，主要集中在工厂的静态性能分析或某些特定循环特征的探讨上。为了确保沼泽再液化工厂在实际运行中能够稳定、高效地工作，该装置必须能够承受多次启动/停止操作，并应对各种沼气负荷的波动。同时，在原料气的组成和流动特性方面，该装置也应具备高度的灵活性，能够迅速调整产能，实现快速上升和下降，并具备完全自动化的能力。

鉴于满足这些技术要求的难度主要在于过程控制算法的设计，因此，开发动态仿真器，即虚拟对象，显得尤为重要。这种动态仿真器可以作为评估任何适用控制算法的试验台，帮助我们更好地理解和优化沼气再液化过程，从而确保该技术的成功应用和推广。

案例介绍：

每天货物容量的名义蒸发率0.15%，对于140,000和220,000立方米储罐容量的液化天然气运输船，BOG负载估计分别为3663和5756公斤/小时。考虑到过载余量，假设BOG负载为6800公斤/小时。

图1为稳态再液化流程。图2为BOG和LNG组分含量表。

图1 稳态BOG再液化流程

图2  BOG和LNG组分含量表

在设计负荷下，来自货舱(-120℃)的BOG进入BOG压缩机压缩，在7.5 bar@41.0℃排出。气体通过氮气制冷循环冷却和液化。其工作原理如下:制冷剂氮气以12.1 bar、39.0 C的温度进入氮气压缩机，经过海水冷却，以46.0 bar、41.0 C的温度排出。经换热器降温后，进入膨胀器，膨胀到13.0bar，冷却到-161.5摄氏度。冷氮进入冷凝器，液化BOG。液化后的BOG在分离器中分离，然后返回货舱。

控制部分：

图3所示为再液化过程控制系统，共有四个执行机构，分别是缓冲罐阀、膨胀器IGV、旁通阀、闪蒸气体吹扫阀。图6中的冷箱设置有用于隔热的钎焊铝热交换器。预冷模式下，缓冲罐的HP和LP阀门分别打开和关闭，使制冷剂流量最小。膨胀机IGV处于最小开口。预冷过程中的主要执行器是旁通阀，开度可调节，因此膨胀器的出口温度遵循ALPEMA标准限制-2℃/min。

一旦正常操作开始，所有的执行器都是PI控制。缓冲槽阀HP和LP通过增加和减少缓冲槽的填充量来调节制冷回路中的循环流量。使用缓冲罐阀获得的流量动态范围不能涵盖BOG负荷变化的全部范围，特别是在低BOG负荷时。膨胀器IGV通过降低通过膨胀器的流量，来扩展负载范围的下限。当无BOG负载时，旁通阀通过提供热制冷剂气体来维持制冷循环，以防止膨胀器出口气体被冷却到低于饱和极限。

图3 再液化过程控制系统

此外，航烨能源还与中科院密切合作，充分利用其强大的科研实力和资源优势，不断推动技术创新和产业升级。我们相信，通过双方的共同努力和不断创新，一定能够在天然气液化领域取得更大突破和成就。

因此，我们诚挚邀请对浮式液化天然气系统、沼气再液化技术和中小型天然气液化生产感兴趣的公司和研究机构与我们联系，探讨合作的可能性。我们期待与您携手共创美好未来，实现互利共赢的发展目标。