LNG接收站間斷外輸儲(chǔ)罐壓力控制選擇

趙順喜 謝 東

（中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 莆田 351100）

0 引言

無(wú)卸料操作期間由于LNG 儲(chǔ)罐吸熱、管道循環(huán)保冷以及槽車排放和工藝管道上安全閥起跳等因素均會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)氣（BOG）。隨著BOG 生成量的增加，儲(chǔ)罐壓力會(huì)隨之升高，嚴(yán)重時(shí)可能造成儲(chǔ)罐超壓，對(duì)儲(chǔ)罐安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此儲(chǔ)罐壓力的控制十分關(guān)鍵。筆者擬分析在非卸料情況下，由于自然因素、下游用戶及其他原因?qū)е抡Ｍ廨敓o(wú)法連續(xù)進(jìn)行時(shí)對(duì)BOG 不同的外輸處理方式。

1 BOG生成量的計(jì)算

1.1 儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生的BOG量

在實(shí)際操作中對(duì)于儲(chǔ)罐實(shí)際蒸發(fā)量的計(jì)算通常采用經(jīng)驗(yàn)值估算[1]，其公式如下：

式中，M1為儲(chǔ)罐吸熱產(chǎn)生的BOG量，kg／h；A為儲(chǔ)罐的蒸發(fā)系數(shù)，通常為（0.05%～0.08%）／d；ρ1為儲(chǔ)罐中LNG 的密度，kg／m3；Ve為儲(chǔ)罐中LNG的實(shí)際體積，m3。

LNG 全容罐A 一般取0.05%，ρ1按436 kg／m3計(jì)算。在福建LNG3號(hào)、4號(hào)罐投產(chǎn)后，4 個(gè)160 000 m3儲(chǔ)罐每天最高可產(chǎn)生的BOG量高達(dá)140 t；隨著儲(chǔ)罐液位下降，BOG的產(chǎn)量有所減少。但根據(jù)承包商計(jì)算書中提供的吸熱數(shù)據(jù)可知，即使按照目前操作的最低液位4 m 計(jì)算，每天產(chǎn)生的BOG量仍會(huì)達(dá)到約38 t。

1.2 管線系統(tǒng)產(chǎn)生的BOG量

在間斷外輸期間需要考慮對(duì)管線系統(tǒng)（碼頭卸料管線、外輸管線、槽車裝車管線）循環(huán)保冷，此過(guò)程不可避免會(huì)產(chǎn)生BOG 氣體。管線系統(tǒng)的熱量吸入采取以下公式計(jì)算：

式中，QL為L(zhǎng)NG管線的吸熱量，W；λ為保溫層的熱導(dǎo)率，W／（m·℃）；ho為保溫層外表面溫度下的傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；Ta為大氣溫度，℃；Ti為管道內(nèi)LNG 的流體溫度，℃；L 為管道長(zhǎng)度，m；Do為保溫層的外徑，m；Di為保溫層的內(nèi)徑，m；Tk為保溫層厚度，m。

經(jīng)計(jì)算碼頭循環(huán)、零輸出循環(huán)、槽車循環(huán)每天產(chǎn)生的BOG量分別為21 t、15 t和7 t。

1.3 罐內(nèi)泵產(chǎn)生的BOG量

罐內(nèi)泵在運(yùn)行時(shí)由于做功產(chǎn)生熱量，這部分熱量會(huì)使儲(chǔ)罐的LNG 氣化產(chǎn)生BOG。在間斷外輸期間，要保證循環(huán)管線的冷卻，則至少有一臺(tái)低壓泵運(yùn)行，因此每天可以產(chǎn)生約17 t BOG。

可以看出，如此龐大的BOG 產(chǎn)量須得到及時(shí)有效的處理，否則將對(duì)儲(chǔ)罐運(yùn)行造成安全隱患。

2 儲(chǔ)罐壓力控制方式

2.1 BOG壓縮外輸

1）BOG 低壓外輸。是指BOG 氣體經(jīng)低壓壓縮機(jī)壓縮后直接外輸?shù)捷敋飧删€。在接收站試車投產(chǎn)初期，下游用戶少、用量不大、對(duì)用氣壓力要求較低的情況下，可以選擇由BOG 壓縮機(jī)壓縮之后直接進(jìn)行外輸，借助于下游管網(wǎng)的儲(chǔ)氣能力以控制儲(chǔ)罐壓力。用BOG 壓縮機(jī)進(jìn)行低壓外輸時(shí)，需要對(duì)流程進(jìn)行改動(dòng)：①將高壓泵進(jìn)出口用大管徑跨接連通；②外輸過(guò)程中要嚴(yán)密監(jiān)控壓縮機(jī)入口分液罐的液位，防止液位過(guò)高引發(fā)壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車；③注意監(jiān)控壓縮機(jī)入口的BOG溫度，以防BOG攜帶LNG進(jìn)入壓縮機(jī)，造成壓縮機(jī)機(jī)械性損傷（圖1）。

低壓外輸時(shí)，BOG 經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入再冷凝器，然后經(jīng)過(guò)低壓輸出管線和高壓泵出口匯管的跨接管線進(jìn)入開架式汽化器（ORV）與海水換熱后向下游用戶輸送，分離出的液體則進(jìn)入排放罐，通過(guò)循環(huán)管線流回儲(chǔ)罐。

圖1 BOG低壓外輸工藝流程示意圖

2）BOG 高壓外輸。是指BOG 氣體經(jīng)高壓壓縮機(jī)壓縮后直接外輸?shù)捷敋飧删€。儲(chǔ)罐中BOG 氣體經(jīng)高壓壓縮機(jī)加壓后達(dá)到外輸管網(wǎng)的壓力，高壓氣體繞過(guò)再冷凝器、高壓泵和氣化器直接進(jìn)入外輸管網(wǎng)。通常在BOG 氣體進(jìn)入壓縮機(jī)之前要經(jīng)過(guò)加熱器進(jìn)行加熱，避免過(guò)冷的BOG 進(jìn)入壓縮機(jī)后對(duì)壓縮機(jī)造成損壞；氣體經(jīng)過(guò)壓縮之后溫度較高，要經(jīng)過(guò)冷卻才能輸入管網(wǎng)，故在壓縮機(jī)出口裝有冷卻器。

2.2 BOG再冷凝外輸

1）BOG 再冷凝高壓外輸。是指儲(chǔ)罐的BOG 氣體通過(guò)壓縮機(jī)加壓，儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 經(jīng)低壓泵輸出后與壓縮的BOG 氣體按照一定比例在再冷凝器中逆流換熱。過(guò)冷的LNG利用自身冷能將大部分BOG氣體冷凝，之后輸入高壓泵加壓，經(jīng)氣化器氣化后送入輸氣干線。

實(shí)際操作中，根據(jù)儲(chǔ)罐及外輸管網(wǎng)壓力和下游用氣量，合理控制壓縮機(jī)和高壓輸出泵的負(fù)荷，利用有限的外輸空間降低儲(chǔ)罐壓力，防止BOG 通過(guò)火炬或儲(chǔ)罐安全閥放空。

2）BOG 再冷凝低壓外輸。是指BOG 氣體經(jīng)低壓壓縮機(jī)壓縮后冷凝輸送至公路槽車裝車系統(tǒng)。在槽車外輸?shù)耐瑫r(shí)，可考慮將BOG 經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，輸送至再冷凝器，利用LNG 的冷能將壓縮后的BOG 液化。鑒于目前槽車裝車要求至少開通7 個(gè)撬位，考慮到槽車拆裝臂的交叉間隙，裝車流量可達(dá)260～300 m3／h。啟動(dòng)一臺(tái)壓縮機(jī)（處理能力約7 t／h），按進(jìn)入再冷凝器的氣液比為9.2 ∶1計(jì)算，得出再冷凝器頂部的冷凝LNG 量為64 t／h（約145 m3／h），其余的LNG 則通過(guò)再冷凝器底部旁路03LV0004B輸送，具體流程見圖2。

在以上流程圖中，需對(duì)現(xiàn)有流程做相應(yīng)的變更改造：①在高壓泵進(jìn)口匯管處連一跨接至槽車12吋管道，同時(shí)設(shè)置兩個(gè)FV 閥（FV-1、FV-2）；②利用低壓外輸工藝回收BOG時(shí)，F(xiàn)V-1關(guān)閉，LNG流量通過(guò)03FV0001、03LV0004B 及FV-2 閥控制，輸送壓力通過(guò)03FV0001控制在500 kPa（槽車日常裝車撬內(nèi)壓力為200～300 kPa）；③當(dāng)高壓外輸啟動(dòng)后，F(xiàn)V-2 閥完全關(guān)閉，F(xiàn)V-1 閥完全打開為槽車系統(tǒng)提供LNG。

圖2 再冷凝低壓輸出工藝流程示意圖

2.3 火炬、安全閥放空

當(dāng)儲(chǔ)罐中的BOG 無(wú)法運(yùn)用正常外輸工藝處理時(shí)，為了防止儲(chǔ)罐超壓，要通過(guò)火炬進(jìn)行放空或通過(guò)儲(chǔ)罐的安全閥就地放空。

3 控制方式的比較與選擇

3.1 低壓外輸和火炬、安全閥放空

BOG 低壓外輸只適合于項(xiàng)目投產(chǎn)初期，在項(xiàng)目正常運(yùn)營(yíng)之后受外輸管網(wǎng)壓力及下游用戶合同壓力的限制，不能使用BOG 低壓外輸?shù)姆椒▉?lái)降低罐壓。在用其他方法都不能控制儲(chǔ)罐壓力時(shí)才能采用火炬或安全閥放空，放空氣體會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，污染環(huán)境，通常情況下不會(huì)使用。

3.2 BOG再冷凝高壓外輸

再冷凝高壓外輸工藝中，使用的兩臺(tái)2DL250B-2B_1 型壓縮機(jī)（每臺(tái)壓縮機(jī)有0、50%、100%三級(jí)負(fù)荷調(diào)節(jié)，處理能力為7 t／h）參考儲(chǔ)罐壓力步進(jìn)調(diào)節(jié)負(fù)荷，控制儲(chǔ)罐壓力。

此工藝控制罐壓時(shí)要配套運(yùn)行多臺(tái)設(shè)備，功率消耗見表1。

表1 設(shè)備功率消耗表

由表1可知，再冷凝工藝運(yùn)行設(shè)備多，操作中監(jiān)控負(fù)擔(dān)大，運(yùn)行中能耗大，維護(hù)成本高。尤其是再冷凝工藝需考慮儲(chǔ)罐中BOG 總量以及下游管網(wǎng)容量，有相當(dāng)?shù)木窒扌浴?/p>

3.3 BOG高壓外輸

BOG 高壓外輸采用4M32-26／6.5-75.5 型壓縮機(jī)，使BOG 壓縮后的壓力達(dá)到外輸管網(wǎng)壓力直接輸送到下游天然氣管網(wǎng)。運(yùn)行高壓壓縮機(jī)時(shí)無(wú)須開動(dòng)其他設(shè)備，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，能耗小（壓縮機(jī)功率為2×1 250 kW），可根據(jù)罐壓對(duì)壓縮機(jī)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)；此工藝無(wú)需LNG 冷凝，可以使下游有限管容的管網(wǎng)輸出更多的BOG 氣體，使儲(chǔ)罐壓力降低至更安全的范圍。此工藝控制罐壓受下游管網(wǎng)容量的限制較小，操作上更有靈活性和實(shí)用性。

3.4 BOG再冷凝低壓外輸

再冷凝低壓外輸時(shí)無(wú)需啟動(dòng)高壓泵等設(shè)備，只需借助槽車裝車的LNG 冷凝回收BOG，此工藝節(jié)能效果更明顯（BOG壓縮機(jī)功率575 kW）。唯一不足的是在用此工藝回收BOG 時(shí)，再冷凝器液位受裝車流量的影響較大，增加了操作員的監(jiān)控難度。

3.5 BOG處理工況選擇

LNG 接收站在間斷外輸期間，處理BOG 的方法較多，在操作中需要針對(duì)不同工況的優(yōu)化組合，以達(dá)到最好的效果。BOG工況及對(duì)應(yīng)處理方式見表2。

4 結(jié)論

1）工況1 和工況2 的處理方式中，優(yōu)先考慮BOG 再冷凝高壓外輸，但是當(dāng)輸氣干線壓力處于高位（6 MPa 以上）時(shí)則優(yōu)先考慮使用BOG 高壓外輸工藝。

表2 BOG工況及對(duì)應(yīng)處理方式表

2）工況3 是接收站最為常見的工況，在此工況下主要考慮采用BOG 再冷凝低壓外輸工藝控制儲(chǔ)罐壓力。

3）對(duì)于工況4 和工況5 只能選擇BOG 高壓外輸工藝，BOG 低壓外輸工藝不適用于正常投產(chǎn)的LNG接收站。

［1］王彥.LNG 接收站蒸發(fā)氣的發(fā)生與氣量計(jì)算［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（5）：363-364.