在静态参数仿真阶段，我们利用这些模型对系统进行了全面而细致的模拟，确保了系统设计的科学性与合理性。随后，为了进一步提升系统效率与性能，我们实施了冷剂组合的优化策略，并精细调整了流程中的各项参数。这一优化过程不仅确定了各部件在最优工况下的工作点参数，还极大地促进了系统整体效能的飞跃。
LNG（液化天然气）运输船，作为一类融合高度技术与高附加价值的航海巨擘，在其执行海上输送任务时，面临着一项重要挑战：外界热量的渗透与船舶自身的动态运动共同作用，导致液货舱内的部分LNG发生汽化，转化为所谓的蒸发气（简称BOG）。这种BOG的生成会逐步累积舱内压力，一旦压力攀升至危险水平，便可能对液货舱的坚固结构构成严重威胁，甚至引发安全事故。因此，为确保航行的安全与稳定，对BOG进行及时且有效的管理与处置，成为了LNG运输作业中不可或缺的关键环节。
1 船用BOG再液化系统介绍
针对BOG（蒸发气）的处理，当前主要存在三种主流策略：一是通过天然气燃烧装置进行直接焚烧，二是将其转化为动力装置的燃料加以利用，三是采用先进的再液化技术，将BOG重新转化为LNG并回流至货舱。其中，BOG再液化技术尤为引人注目，它巧妙地将温度约为-110℃的BOG进一步冷却至约-163℃，使之重新凝结为液态LNG，随后再安全地输送回货舱。这一过程不仅涉及从低温到极低温的复杂制冷技术，更是LNG运输领域的一项创新突破。BOG再液化技术的应用，不仅为LNG运输船提供了一种高效、环保的BOG处理方式，还有效降低了因BOG排放而造成的货物损失，显著提升了运输的经济性与安全性。
2 深冷式再液化系统
船载BOG（蒸发气）再液化设备的设计主要分为两大技术路径：一类是直接利用冷剂膨胀效应来实现BOG的再液化过程，这其中涵盖了氮膨胀再液化系统及更为复杂的混合制冷再液化系统，它们均通过高效膨胀制冷机制来达成目标；另一类则另辟蹊径，采取对已处于低温状态的LNG进行更深层次的冷却处理，并巧妙地将此冷态LNG以喷淋方式回归至货舱，以此达到降低货舱整体温度、减缓LNG自然蒸发速率的目的，这种技术策略被称为深冷式再液化系统，其基本原理如图1所清晰展示。
图 1 深冷式再液化系统原理图
在审视现有的液化技术流程后，我们可以明确深冷式再液化系统在效率、安全性及可靠性方面展现出了显著优势，相较于氮气膨胀机再液化系统和混合制冷再液化系统，它更为高效、安全，且设计紧凑、辅助系统精简，从而大幅节省了空间需求，并缩短了安装调试周期，降低了整体运维成本。深冷式再液化系统的核心在于其膨胀制冷循环机制，该机制通过气体在膨胀机中的绝热膨胀过程对外做功，进而产生低温气流，实现冷量的高效提取与利用，这一过程实质上促进了热量从低温向高温的自然转移。
图 2 逆布雷顿循环原理图
3 ＢＯＧ 再液化技术路线
相较于陆地上使用的BOG（蒸发气）再液化系统，船载版本在设计上需面临更为严苛的限制，包括尺寸与重量的严格限制、安装与维护的便捷性要求，以及安全可靠性方面的极高标准。因此，尽管混合制冷剂循环等技术在陆地上应用广泛且成熟，但在LNG船舶这一特定环境下，其应用却显得力不从心，存在诸多弊端。
目前，针对LNG船舶的BOG再液化需求，业界已发展出三种主要的再液化循环方式：一是BOG压缩再液化系统，通过压缩提升BOG压力，进而实现再液化；二是复叠式再液化系统，采用多级制冷循环，逐级降低温度，达到再液化目的；三是深冷式再液化系统，该系统利用膨胀制冷原理，对LNG进行深度冷却，并通过喷淋等方式将冷量传递给货舱内的BOG，实现高效再液化。
3.1 ＢＯＧ 压缩再液化系统
BOG压缩再液化系统，其核心运作机制依托于逆布雷顿循环制冷技术，其工作流程示意图如图3所示。该系统首先利用BOG压缩机，将源自货舱的BOG气体压缩至特定的高压状态。随后，这股高压BOG气体流经液化换热器，在此过程中，通过热交换作用被冷凝成LNG，并重新注入到货舱内，以此实现BOG的再液化与循环利用。
在逆布雷顿循环制冷回路中，氮气被选作制冷工质，扮演着至关重要的角色。氮气经过多级氮气压缩机的连续加压，其压力与温度均显著提升，随后这股高压氮气通过回热器进行初步冷却，以减少后续膨胀过程中的热损失。进入膨胀机后，氮气在绝热条件下迅速膨胀，对外做功并释放出大量冷量。这股低温氮气随即进入液化换热器，为待处理的BOG提供必要的冷量支持，促进BOG的冷凝液化。完成热交换后，氮气温度回升，再次通过回热器，为即将进入膨胀机的氮气进行预冷处理。最终，经过预冷的氮气返回至多级压缩机组，准备开始新一轮的制冷循环，整个制冷回路以闭式循环的方式持续高效运行。
图 3 ＢＯＧ 再液化系统工作原理（图中数字为工业流程顺序号）
3.2 复叠式再液化系统
复叠式再液化系统，作为一种高效的液化技术，其设计精髓在于将多个运作于不同温度区间的制冷循环巧妙地融为一体。每个特定的制冷回路均精选了与之相匹配的制冷剂，以确保在各自的最佳工况下运行，其工作原理如图4所示。与BOG压缩再液化系统截然不同的是，复叠式系统并不依赖膨胀机来实现制冷效果，而是通过BOG在连续穿过的多个制冷循环中的冷却器中，逐级吸收冷量，最终实现其冷凝液化的目标。
然而，正是由于其内部集成了多个制冷循环，导致整个系统构成相对复杂，所需设备数量增多，管路布局也更为繁琐。这些因素在一定程度上限制了复叠式再液化系统在LNG船舶上的广泛应用。尽管其具备高效的液化能力和良好的适应性，但在综合考虑船舶空间限制、维护成本及操作便捷性等多方面因素后，目前LNG船舶上采用复叠式再液化系统的案例仍相对较少。
图 4 复叠式再液化系统工作原理（图中数字为工业流程顺序号）
3.3 深冷式再液化系统
深冷式再液化系统的制冷循环架构与BOG压缩再液化系统有着异曲同工之妙，两者均采用了逆布雷顿循环制冷技术，但在制冷剂的选择上，深冷式系统更倾向于使用氮气或氮氦混合气作为高效冷媒。其独特之处在于，该系统并非直接对BOG进行压缩液化，而是通过将货舱内的LNG泵送至特设的换热器中，利用制冷循环中流动的制冷剂所提供的强大冷量，将LNG进一步冷却至更低的温度状态。随后，这股超低温的LNG以喷淋的形式回归货舱，有效降低了货舱内的整体温度与压力水平，从而确保了液货系统的稳定运行与高效管理。
值得注意的是，由于深冷式再液化系统巧妙地绕开了BOG压缩机这一环节，不仅简化了系统结构，还显著降低了再液化撬装设备的体积与制造成本，为LNG船舶的轻量化设计与成本控制提供了有力支持。其详细的工作原理如图5所示，展现了从LNG泵送、换热冷却到喷淋回流的完整流程。
图 5 深冷式再液化系统工作原理
深冷式再液化系统在选择压缩机技术时，普遍倾向于采用磁悬浮压缩膨胀机。这一选择背后，是磁悬浮技术所带来的高精度、低摩擦与高效能运行的显著优势。然而，值得注意的是，尽管磁悬浮技术前景广阔，但当前阶段其技术成熟度与实际应用经验尚存在一定的局限性。
4 总结
航烨能源在LNG及深冷式再液化技术领域做出了积极贡献。我们依托先进的研发力量和丰富的行业经验，专注于提供高效、可靠的能源解决方案。在LNG运输船的BOG处理方面，航烨能源致力于深冷式再液化系统的研发与应用，通过技术创新提升系统的再液化能力，有助于降低货损并提高运输效率。此外，航烨能源还积极参与相关领域的科研合作与技术交流，为推动LNG及深冷式再液化技术的发展贡献力量。
