1 船用BOG再液化系统的特性

BOG的积聚不仅会导致LNG运输船液货舱内温度和压力上升，对船舶的安全运行构成重大威胁，而且传统的处理方式——直接排放或燃烧，既缺乏经济性，又加剧了温室气体的排放问题。

随着LNG Jamal 装置这一创新举措通过船用BOG再液化技术，为处理BOG提供了经济、高效且环保的新途径，并迅速在行业内得到广泛认可和应用，成为现代LNG运输船不可或缺的标准配置。

船用BOG再液化技术与陆地上庞大的LNG工厂所采用的混合冷剂或级联液化流程存在显著差异，这主要归因于船用环境的独特性和严苛要求。在船用场合，更倾向于采用单混合冷剂或膨胀制冷流程，特别是膨胀制冷技术，因其高效性和适应性而广受欢迎。

在这些膨胀制冷技术中，深冷液化流程展现出了独特的优势。不同于传统的将BOG压缩后直接降温液化的方法，深冷液化流程创新性地采用泵送技术，将船舱内处于饱和状态的LNG通过精心设计的冷剂循环回路进行深度冷却，转变为过冷态LNG。随后，这种过冷LNG被反向输送回货舱内，并以喷淋的形式释放，有效降低了货舱内的温度。随着货舱温度的下降，原本聚集的BOG在遇冷后迅速凝结，实现了再液化过程，从而有效降低了货舱内的压力，确保了船舶运行的安全与稳定。如图1所示。

图1 深冷液化示意图

2 深冷装置简化分析模型建立

深冷装置最早应用于原子物理实验设备降温，后用于低温超导领域。深冷装置的流程示意图见图 2。

图2 深冷装置流程示意

尽管不同制造商或应用场景下的深冷装置在设备配置和具体流程上可能存在差异，但它们的核心机制均植根于逆布雷顿循环理论。这一理论，最初由布雷顿在19世纪提出，其制冷循环（即逆布雷顿循环）构成了深冷技术的基础框架。在理想状态下，逆布雷顿循环由四个关键过程构成：等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀以及等压吸热。然而，在实际操作中，由于各种能量损失难以完全避免，压缩和膨胀过程往往只能近似达到绝热状态，而非理想的等熵过程；同时，吸热和放热过程也通常表现为近似等压而非绝对等压。

为了优化系统性能，提升冷能利用效率并减少传热过程中的温度梯度，现代深冷装置常采用一种称为“预冷”的附加步骤。在这一步骤中，系统利用自身剩余的冷能，预先对即将进入膨胀机的介质进行冷却，从而降低其进入膨胀机时的初始温度。这一创新设计不仅有助于提升整体制冷效率，还能在一定程度上延长设备的使用寿命，减少能耗和维护成本。图4所展示的正是这一预冷过程的示意图，它清晰地展示了如何通过有效利用系统内部的冷能资源，来实现对膨胀机入口介质温度的精准控制，进而达到优化深冷装置整体性能的目的。

图3 带预冷的逆布雷顿循环

在船用BOG再液化流程的设计过程中，与通用的LNG液化流程相似，构建精确的数学模型并进行物料与能量平衡的优化计算是确保系统性能最优化的关键环节。

为了全面而深入地分析船用BOG再液化深冷装置中主要参数变化对系统性能的综合影响，有必要构建一个简化的分析模型。该模型应去除非核心部件，仅保留对系统性能影响显著的关键组件，并在合理的假设与约束条件下进行构建。通过对此简化模型的分析，我们可以更加直观地洞察系统循环的内在规律，以及各参数间的相互作用机制，从而为系统的进一步优化设计提供坚实的理论支撑。

3 总结

本文深入探讨了船用深冷再液化系统，并成功构建了一个基于逆布雷顿循环的简化模型。此模型在严格遵循特定约束条件的前提下，系统性地分析了关键参数如何影响液化效率与整体性能。通过对这些参数的细致考察，我们不仅揭示了它们之间的内在联系与相互作用机制，还为优化船用LNG深冷再液化系统提供了宝贵的理论参考与实用指导。这一研究成果对于提升系统效率、降低成本及促进绿色航运技术的发展具有重要意义。

航烨能源与中科院携手多年，专注于气体膨胀制冷循环装置的深度研发、创新设计、高效生产及全方位安装服务。通过持续的技术积累和不断创新，航烨能源致力于为客户提供量身定制的浮式液化天然气(FLNG)系统解决方案，特别是在LNG船舶的BOG再液化技术上，推动了该领域的技术进步和应用发展。