LNG接收站蒸發(fā)氣再冷凝工藝改進及性能分析

徐天源，冉田詩璐

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500；2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川遂寧629000；3.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610500）

生產(chǎn)與技術(shù)改造

LNG接收站蒸發(fā)氣再冷凝工藝改進及性能分析

徐天源1,2，冉田詩璐3

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500；2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川遂寧629000；3.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都610500）

以國內(nèi)某LNG接收站為例，利用HYSYS對蒸發(fā)氣（BoilOffGas，BOG）再冷凝工藝進行了模擬，在熱力學(xué)分析基礎(chǔ)提出了BOG多級壓縮再冷凝工藝，并分析了性能參數(shù)對工藝能耗的影響，以此為根據(jù)提出了改進措施。經(jīng)分析：多級壓縮再冷凝工藝較典型的再冷凝工藝更為節(jié)能，可節(jié)約22.03%的能耗；壓縮機壓縮系數(shù)ri及BOG分流比χi對流程中壓縮機能耗影響較大，可通過適當(dāng)減小壓縮系數(shù)ri與增大BOG分流比χi的方法來減少壓縮機的能耗；外輸LNG溫度、壓力對氣化器、海水泵及外輸泵的能耗影響較為明顯，適當(dāng)降低外輸LNG溫度與壓力，能夠有效改善這3個設(shè)備單元能量利用效率。

BOG再冷凝工藝；多級壓縮；LNG接收站；P-H圖(壓焓圖)；節(jié)能

近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展對LNG的需求越來越大，與之對應(yīng)的液化天然氣（LNG）接收站也在沿海城市加速建設(shè)。由于LNG是在-160℃下常壓儲存，外界熱量侵入將導(dǎo)致接收站的儲罐、管線及設(shè)備內(nèi)的LNG氣化產(chǎn)生大量閃蒸氣，即BOG氣體[1-3]。BOG主要成分為甲烷，將BOG直接排空勢必造成資源浪費及環(huán)境污染，因此，如何回收及處理BOG氣體已成為LNG接收站的重要組成部分。目前，LNG接收站BOG回收工藝主要有：直接壓縮工藝與再冷凝工藝。再冷凝工藝因更加節(jié)能而被普遍采用，但傳統(tǒng)的再冷凝工藝在操作控制和能量利用方面依然存在著一些問題[4]，為此，本文以典型的BOG再冷凝工藝為例，在熱力學(xué)分析基礎(chǔ)上提出多級壓縮再冷凝工藝，并分析性能參數(shù)對該工藝的影響，進一步提出改進措施，從而降低工藝能耗。

1 LNG接收站BOG再冷凝工藝改進

1.1 流程模擬

國內(nèi)某LNG接收站LNG與BOG初始物性條件見表1。

表1 某LNG接收站LNG與BOG初始物性條件[6]Tab.1 Initial physical conditions of a LNG receiving term inal

某LNG接收站BOG再冷凝工藝流程模擬圖見圖1（不包括儲存與卸船系統(tǒng)）[7]。

LNG經(jīng)過低壓泵、高壓泵壓力增至外送輸氣管道壓力（7000kPa），接著少部分LNG進入再冷凝器去冷卻經(jīng)壓縮機增壓至同一壓力的BOG，使BOG全部液化；剩余部分LNG與從再冷凝器出來的LNG、液態(tài)BOG兩者匯合，一并進入氣化器氣化。最后，氣化后的天然氣去外輸高壓管道加以利用。氣化器換熱量來自海水，海水經(jīng)海水泵增壓去氣化器提供熱量。

圖1 BOG再冷凝工藝流程模擬圖Fig.1 Flow diagram of BOG reliquefaction process

從儲罐漏熱逸出的BOG氣體經(jīng)過四級壓縮機直接增壓至外輸管道壓力，且每級壓縮機后應(yīng)設(shè)置級間冷卻器，以控制壓縮機出口溫度（T≤100℃）。

1.2 工藝改進

壓力-焓圖（圖2）可直觀地分析各個物流操作狀態(tài)及系統(tǒng)能耗損失情況，故采用LNG的P-H圖進行熱力學(xué)分析[8]。依據(jù)模擬數(shù)據(jù)，計算LNG在不同溫度、壓力條件下焓值變化情況，從而對LNG接收站BOG再冷凝工藝進行物性分析，進而改進工藝。

見圖2所示，整個區(qū)域被泡點線與露點線劃分為液態(tài)區(qū)、濕蒸氣區(qū)與過熱蒸氣區(qū)。液態(tài)區(qū)內(nèi)，LNG從105kPa增壓至7000kPa，焓值從A點變化到B點，接著少部分LNG去再冷凝器提供冷量，這部分LNG的焓值從B點變化至C點。過熱蒸汽區(qū)內(nèi)，BOG經(jīng)壓縮機增壓，焓值從Z點變化至Y點，接著BOG進入再冷凝器冷卻為液體，焓值變化至X點，之后BOG與LNG匯合，焓值變化至D點，進入液態(tài)區(qū)。最后LNG經(jīng)氣化器氣化，焓值為O點，重新進入過熱蒸汽區(qū)。

圖2 LNG接收站BOG再冷凝工藝P-H圖Fig.2 P-H chartof BOG reliquefaction process of LNG receiving term inal

BOG焓值從Z點變化至Y點的增壓過程，壓縮機能耗可表示為：

式中Fc：進入壓縮機BOG的質(zhì)量流率，kg·h-1；Δqc,i：比焓變化值，kJ·kg-1；ηc：壓縮機的機械效率，%（取75%）。

LNG經(jīng)過低壓泵與高壓泵壓力從A增至B點的過程，比焓變化用Δqp表示，F(xiàn)c為進入泵的LNG質(zhì)量流率kg·h-1。泵能耗可表示為：

LNG與BOG匯合后進入氣化器氣化，焓值從D點變化至O點，比焓變化用Δqe。理論上氣化器能耗可表示為：

基于以上分析，BOG回收工藝總能耗可表示為：

由圖2可知，LNG經(jīng)泵增壓過程比焓變化值Δqp遠小于BOG壓縮過程比焓變化值（Δqc,1+Δqc,2+Δqc,3+Δqc,4），說明在同等壓縮條件下，泵比壓縮機節(jié)能。因此，采用把BOG更多地冷凝為LNG，減少進入壓縮機BOG的流量，從而減少壓縮機能耗的方法，以此來改進再冷凝工藝，達到節(jié)能減排的目的，這就是多級壓縮再冷凝工藝。

多級壓縮再冷凝工藝流程模擬圖見圖3。BOG壓縮機與LNG輸出泵數(shù)量均設(shè)置為4臺，每一級BOG壓縮機出口壓力與LNG輸出泵出口壓力控制為一致。每一級增壓后的BOG去再冷凝器冷凝，部分BOG被液化，液化后的BOG與LNG匯合去下一級再冷凝器提供冷量；未被液化的BOG去下一級壓縮機。最后所有LNG進入氣化器氣化與剩余BOG匯合外輸作用。

圖3 多級壓縮再冷凝工藝流程圖Fig.3 Flow diagram ofmulti-stage compression and recondensation process

1.3 工藝比較

依據(jù)模擬數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（1）～（4），可計算出LNG接收站BOG再冷凝工藝（工藝A）與多級壓縮再冷凝工藝（工藝B）中設(shè)備能耗情況。工藝A與工藝B重要性能參數(shù)及能耗對比情況見表2。

表2 工藝A與工藝B重要性能參數(shù)及能耗比較Tab.2 Key operation parameters and energy consumption comparison between process A and process B

由表2可知，工藝的能耗集中于氣化器與壓縮機，經(jīng)改進氣化器能耗變化不大，壓縮機單元節(jié)能約58.3%。改進后的BOG再冷凝工藝總體上較傳統(tǒng)工藝節(jié)能，總能耗減少約22.03%。

2 多級壓縮再冷凝工藝性能分析

影響多級壓縮再冷凝工藝性能的主要影響參數(shù)有：壓縮系數(shù)ri、BOG分流比χi、外輸LNG壓力、外輸LNG溫度4個參數(shù)。

2.1 壓縮系數(shù)ri對總能耗影響

在總壓縮比66.67不變的情況下，控制r1=3.2，變化r3=3.2、3.0…2.3，利用HYSYS提供的數(shù)據(jù)計算每一次變化得到的Etotal，由此作一組Etotal-r2圖，見圖4。再變化r1=3.0、2.9、2.7…1.5，重復(fù)以上過程，即得到全部情況下Etotal-r2圖。

圖4 Etotal-r2圖Fig.4 Chart of Etotal-r2

由圖4可知，r1，r3一定時，Etotal隨著r2增大而增加。這是由于每一級壓縮機的壓縮系數(shù)增加，在其他條件不變的情況下，即要將同一壓力值的物流BOG壓力升至更高，壓縮機所消耗的功耗自然隨著增加。r1，r2不變時，Etotal隨著r3增大而增加是同一個道理。圖4中還可看出，圖中每一條線都有最低點即為該情況下最小能耗點，比所有線的最低點，即可找出在其他條件不變情況下的較優(yōu)的Etotal。

2.2 BOG分流比xi對總能耗影響

圖5描述了不同BOG分流比χ（i被第i級再冷凝器液化的BOG流量/出第（i-1）級壓縮機的BOG流量）對工藝總能耗的影響情況。LNG壓力不斷增加，冷凝BOG的能力隨之增大，即能夠液化BOG的量在增加，則后一級分流比χi應(yīng)大于前一級[9]，由此，作Etotal-χ3圖，χ1=0.1固定，變化χ2=0.2、0.25…0. 5，每一次變化得到一條x3關(guān)于Etotal曲線，見圖6[8]。

圖5 Etotal-χ3圖Fig.5 Chartof Etotal-χ3

由圖5可知，在χ1，χ2兩者不變的情況下，Etotal隨著χ3增大而減少。這是由于χi增大說明更多的BOG被冷凝為液體與LNG匯合去泵增壓，去壓縮機的BOG就相應(yīng)減少，依據(jù)式（1）可知，在壓縮機進出口壓力固定的條件下，進出壓縮機的BOG流量減少，能耗則隨之減少。同理，χ1，χ3不變，變化χ2，Etotal也隨著χ2增大而減少。

由圖5還可看出，圖中每一條線也都有最小能耗點，比較所有線的最低點，即可找出較優(yōu)點，得到較優(yōu)的Etotal。

2.3 外輸LNG壓力、溫度對氣化器能耗影響

圖6、7依次描述了外輸LNG的壓力與溫度對多級壓縮再冷凝工藝能耗的影響情況。

圖6 外輸LNG溫度對能耗的影響Fig.6 Effect of LNG temperature on energy consumption

由圖6可知，隨著外輸LNG溫度的增加，氣化器能耗增加。這是由于外輸LNG溫度升高，根據(jù)焓值與溫度的關(guān)系，LNG溫度的升高使單位流量LNG焓值增大，即氣化器出口LNG焓值Hg增加。依據(jù)公式（式中Q為氣化器氣化熱量，kW；Qr為氣化器能耗，kW；m為LNG質(zhì)量流率，kg·h-1），由于氣化器進口物流Hi不變，則Hg-Hi增加，從而氣化器氣化熱量增加、能耗增加；海水流量隨著氣化器氣化熱量增加而增加，則海水泵能耗相應(yīng)也增大，且兩設(shè)備能耗增大比例較為明顯。

圖7 外輸LNG壓力對能耗影響Fig.7 Effect of LNG pressure on energy consumption

由圖7可知，隨著外輸LNG壓力的增加，海水泵能耗增加，外輸泵（第四級泵）能耗也略有增加。相反，氣化器能耗卻有所降低。依據(jù)焓值與壓力的關(guān)系，氣化器出口物流Hg隨著出口物流LNG的壓力增加而降低，由公式（式中Q為氣化器氣化熱量，kW；Qr為氣化器能耗，kW；m為LNG質(zhì)量流量kg· h-1）可見，由于氣化器進口物流Hi不變，則Hg-Hi降低，從而氣化器氣化熱量降低、能耗降低。而海水流量隨氣化器氣化熱量Q減少而略有減少，但海水泵的能耗隨著海水進氣化器壓力升高而增大的幅度更大，則海水泵總體能耗呈上升趨勢。

3 結(jié)語

（1）LNG接收站BOG再冷凝工藝直接壓縮BOG能耗過大，改進后的多級壓縮再冷凝工藝可有效減少工藝總能耗。

（2）改進后，壓縮系數(shù)ri與BOG分流比χi分別為r1=2.5、r2=2.7、r3=3.2、r4=2.82、χ1=0.1，χ2=0.3，χ3=0.6。改進后多級壓縮再冷凝工藝的Etotal比再冷凝工藝的Etotal減少了22.03%。

（3）從影響程度來看，壓縮機壓縮系數(shù)ri與BOG分流比χi對流程中壓縮機能耗影響較大，壓縮機能耗節(jié)省約58.3%，適當(dāng)減小壓縮系數(shù)ri、增大BOG分流比χi，可有效減少工藝總能耗；外輸LNG的溫度與壓力對流程中氣化器、海水泵、外輸泵能耗影響較明顯，適當(dāng)降低外輸LNG溫度與壓力可有效減少這3個設(shè)備單元能耗。

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Improvement and property analysis of BOG recondensation process at LNG receiving term inal

XU Tian-yuan1,2,RAN Tian-shilu3
（1.College of Petroleum Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China; 2.PetroChina Southwest Oil and Gas Company Chuanzhong Oil&Gas Mines,Suining 629000,China; 3.College of Chemistry&Chemical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China）

s：Through thermodynamics-based analysis and improvement of BOG recondensation process at a domestic LNG receiving terminal by HYSYS,a BOG multi-stage compression and recondensation processmodel was established.And analyzing effect of the performance parameters of this process on the energy consumption is for the sake of proposing improved measures.The results showed thatmulti-stage compression and recondensation processwasmore saving than the traditional process(saving about22.03%);the riof compressor and theχiof BOG split ratio had big influence on the compressor energy,and reducing the riof compressor and increasing theχiof BOG split ratio suitably can low the compressor energy;the energy of gasifier,seawater pump and last pump affected obviously by the temperature and pressure of LNG,and reducing the temperature and pressure of LNG suitably can effectively improve the energy efficiency of them.

BOG recondensation process;multi-stage compression;LNG receiving terminal;pressure-enthalpy diagram;energy saving

TQ028

A

1002-1124（2014）07-0057-04

2014-05-08

徐天源（1989-），男，四川成都人，助理工程師，在職碩士在讀，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事油氣田開發(fā)及天然氣處理方面的研究。