LNG接收站BOG處理工藝優(yōu)化——以青島LNG接收站為例

王小尚 劉景俊 李玉星 多志麗 王武昌

1.中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司 2.中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

LNG接收站目前主要有3種類型：①大型LNG接收站，如已運(yùn)行的廣東大鵬LNG、福建LNG、上海LNG等接收站及在建的青島LNG、廣西LNG等接收站；②小型LNG接收站；③衛(wèi)星型LNG接收站。

LNG系統(tǒng)的漏熱、動(dòng)設(shè)備能量輸入、卸料和外輸體積置換、壓力差、閃蒸等因素必定導(dǎo)致LNG接收站的儲(chǔ)槽、操作設(shè)備、管線內(nèi)產(chǎn)生大量BOG（Boil Off Gas，蒸發(fā)氣）[1－2]。2009年楊志國等[3]分析了再冷凝器運(yùn)行參數(shù)對(duì)BOG再冷凝工藝的影響，提出通過調(diào)整壓縮機(jī)的壓比、物料比來實(shí)現(xiàn)BOG再冷凝工藝的優(yōu)化運(yùn)行。2012年李亞軍等[4]通過調(diào)節(jié)BOG再冷凝工藝中壓縮機(jī)的階數(shù)來達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的。

筆者主要從工藝和能耗兩方面對(duì)比了目前主要采用的2種BOG處理工藝，以方便不同類型的LNG接收站選用合適的BOG處理工藝，同時(shí)針對(duì)在建的青島LNG接收站進(jìn)行了BOG再冷凝工藝改進(jìn)。

1 不同的BOG處理工藝對(duì)比

目前，LNG接收站BOG處理工藝主要有以下4種：①BOG直接壓縮工藝；②BOG再冷凝液化工藝；③BOG間接熱交換再液化工藝；④蓄冷式再液化工藝[5]。前兩種BOG處理工藝為目前主要采用方式，其流程分別見圖1、2，2種工藝的對(duì)比見表1。BOG直接壓縮工藝中，BOG加壓后直接進(jìn)入外輸管網(wǎng)；BOG再冷凝液化工藝中，BOG加壓后進(jìn)入再冷凝器，與進(jìn)入再冷凝器的過冷LNG混合，形成液態(tài)，然后與剩余LNG一起通過高壓泵加壓，進(jìn)入氣化器氣化，再外輸。

圖1 采用BOG直接壓縮工藝的LNG接收站流程模擬圖

圖2 采用BOG再冷凝液化工藝的LNG接收站流程模擬圖

表1 BOG再冷凝液化工藝和BOG直接壓縮工藝對(duì)比表

2 不同BOG處理工藝的能耗對(duì)比

用HYSYS軟件對(duì)氣源型LNG接收站和調(diào)峰型LNG接收站分別采用再冷凝液化和直接壓縮的BOG處理工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算（氣源型LNG接收站按青島LNG接收站設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬），模擬圖分別見圖1、2，能耗對(duì)比結(jié)果見表2?？梢钥闯?，無論是對(duì)調(diào)峰型LNG接收站還是氣源型LNG接收站，BOG再冷凝液化工藝都比BOG直接壓縮工藝更為節(jié)能。

對(duì)比2種工藝的能耗，以氣源型LNG接收站為例進(jìn)行分析，繪制出2種工藝的壓比焓圖（圖3）。

圖3中，紅色線ABCDEF表示BOG直接壓縮工藝的壓比焓線，藍(lán)色線abcdefgh表示BOG再冷凝液化工藝的壓比焓線。LNG和BOG在等熵條件下通過泵或壓縮機(jī)進(jìn)行提壓。從圖3可以看出，對(duì)于泵的比焓差（qCD、qcd＋qeg）、氣化器的比焓差（qDE、qgh），2種工藝相差不大，而對(duì)于壓縮機(jī)的比焓差，BOG直接壓縮工藝的qAB遠(yuǎn)大于BOG再冷凝液化工藝的qab。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，壓縮機(jī)的效率小于泵的效率，2種BOG處理工藝進(jìn)行能耗比較時(shí)，壓縮機(jī)對(duì)能耗的影響更大。因此，輸送單位質(zhì)量流體時(shí)，BOG再冷凝工藝比BOG直接壓縮工藝的能耗低。影響再冷凝器節(jié)能效果的因素有很多，現(xiàn)采用單一變量法來分析幾種變量對(duì)節(jié)能效果產(chǎn)生的影響。以下模擬以氣源型LNG接收站的參數(shù)為基礎(chǔ)。

2.1 外輸量對(duì)節(jié)能效果的影響

外輸量對(duì)BOG處理工藝能耗的影響見圖4。從圖4可以看出，外輸量的改變對(duì)節(jié)能效果影響不大。但當(dāng)外輸量較大時(shí)，BOG的量也相應(yīng)增加，BOG再冷凝液化工藝的總節(jié)能量則相當(dāng)可觀。

2.2 外輸壓力對(duì)節(jié)能效果的影響

外輸壓力對(duì)BOG處理工藝的能耗影響見圖5。從圖5可以看出，隨著外輸壓力的增加，BOG再冷凝液化工藝的節(jié)能量隨之增加。這是由于當(dāng)外輸壓力增加時(shí)，BOG直接壓縮工藝中壓縮機(jī)的比焓差增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BOG再冷凝液化工藝中高壓泵的比焓差增加量，即BOG直接壓縮工藝的能耗增加量大于BOG再冷凝液化工藝的能耗增加量[6－7]。

表2 BOG再冷凝液化工藝和BOG直接壓縮工藝能耗對(duì)比表

圖3 BOG再冷凝液化工藝和BOG直接壓縮工藝的壓比焓對(duì)比圖

2.3 再冷凝器壓力對(duì)節(jié)能效果的影響

物料比為進(jìn)入再冷凝器的LNG與BOG質(zhì)量比，以下所指物料比為最小物料比，即LNG流量為將BOG全部冷凝為液體所需的最小流量。

再冷凝器壓力對(duì)BOG再冷凝液化工藝能耗、節(jié)能的影響見圖6。從圖6可以看出，隨著再冷凝器壓力的升高，即低壓泵和壓縮機(jī)壓力的升高，BOG再冷凝液化工藝所消耗的能量相應(yīng)增加，則BOG再冷凝液化工藝的節(jié)能量減小。

圖4 外輸量對(duì)BOG處理工藝能耗的影響圖

但當(dāng)再冷凝器壓力降低時(shí)，再冷凝器入口BOG溫度升高，需要冷凝BOG的LNG用量增加，則物料比增加，當(dāng)LNG接收站處于外輸量最小工況時(shí)，操作困難。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，再冷凝器的壓力一般控制在0.7～0.9MPa[8]。

圖5 外輸壓力對(duì)BOG處理工藝的能耗影響圖

圖6 再冷凝器壓力對(duì)BOG再冷凝液化工藝能耗、節(jié)能的影響圖

3 青島LNG接收站BOG再冷凝液化工藝改進(jìn)措施

3.1 BOG進(jìn)入再冷凝器前預(yù)冷

根據(jù)2.3的分析得知，降低壓縮機(jī)出口壓力會(huì)增加節(jié)能量，但會(huì)造成物料比增加，從而導(dǎo)致裝置操作困難。為了在降低壓縮機(jī)出口壓力的同時(shí)保證物料比恒定，從而達(dá)到節(jié)能的效果，本文參考文獻(xiàn)[9－10]提出了如圖7所示的優(yōu)化后BOG再冷凝液化工藝流程，添加了BOG冷換器設(shè)備，BOG在進(jìn)入再冷凝器之前先與高壓泵出口的一部分LNG換熱，進(jìn)行預(yù)冷，降低BOG溫度。由于BOG及LNG均屬于清潔的高壓物料，因此，冷換器選用傳熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、承壓能力強(qiáng)的“U”形管式換熱器[11]。冷換器入口的LNG流量設(shè)定為5 000kg／h。優(yōu)化后再冷凝器壓力與壓縮機(jī)能耗及物料比的關(guān)系見表3。

圖7 優(yōu)化后的BOG再冷凝液化工藝流程圖

表3 優(yōu)化后再冷凝器壓力與壓縮機(jī)能耗及物料比的關(guān)系表

從圖6－b及表3可以看出，工藝優(yōu)化前再冷凝器壓力為0.88MPa時(shí)的物料比與工藝優(yōu)化后再冷凝器壓力為0.65MPa時(shí)的物料比接近，而壓縮機(jī)能耗則由302.4kW 降為246.9kW，降低18.2%，節(jié)能效果明顯。

3.2 混合使用2種BOG處理工藝

從能耗對(duì)比分析及實(shí)際應(yīng)用情況來看，氣源型LNG接收站一般都采用BOG再冷凝液化工藝。根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[1，12－13]計(jì)算得到青島LNG接收站在不同工況下的BOG處理量：①卸船最小外輸量時(shí)，BOG處理量為20.6t／h；②卸船最大外輸量時(shí)，BOG處理量為19.9t／h；③非卸船最小外輸量時(shí)，BOG處理量為7.3t／h；④非卸船最小外輸量時(shí)，BOG處理量為4.3t／h。理論模擬計(jì)算得知卸船工況下的BOG處理量為非卸船工況下BOG處理量的4.5倍，同時(shí)，根據(jù)下游用戶用氣量的不同，LNG接收站外輸量也有較大波動(dòng)，這些都造成BOG再冷凝液化工藝操作困難，尤其是當(dāng)BOG處理量較大，而下游用戶用氣量較低時(shí)，會(huì)造成BOG無法完全液化就不得不進(jìn)入火炬系統(tǒng)，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。因此，針對(duì)青島LNG接收站提出BOG再冷凝液化及BOG直接壓縮2種工藝混合使用的方案（圖8），使進(jìn)再冷凝器的LNG流量保持恒定，沒被冷凝的BOG經(jīng)過高壓壓縮機(jī)提壓到外輸壓力，與完成氣化的LNG混合后外輸。

圖8 BOG混合處理工藝流程模擬圖

模擬混合工藝卸船工況下的流程參數(shù)見表4，在卸船工況下再冷凝器入口的LNG流量為62.00t／h，在再冷凝器安全運(yùn)行的同時(shí)，盡可能降低高壓壓縮機(jī)的入口流量，從而節(jié)約總能耗。低壓壓縮機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷為6.7t／h，為統(tǒng)一設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并節(jié)約投資成本，再冷凝器入口LNG流量的設(shè)定以滿足高壓壓縮機(jī)入口BOG流量小于6.7t／h為限。

表4 混合工藝卸船工況下的工藝參數(shù)模擬表

BOG混合處理工藝與BOG再冷凝液化工藝能耗對(duì)比情況見表5。BOG混合處理工藝的壓比焓線見圖3中的黑色線，從圖3可以看出，由于高壓壓縮機(jī)的存在，BOG混合處理工藝的能耗大于BOG再冷凝液化工藝的能耗。從表5可以看出，正常工況下，采用BOG混合處理工藝的總能耗比單用BOG再冷凝液化工藝的總能耗要高6.8%，但在最小外輸量的工況下，采用BOG混合處理工藝可避免BOG進(jìn)入火炬系統(tǒng)而造成能源浪費(fèi)，同時(shí)減小再冷凝器入口流量的波動(dòng)，裝置運(yùn)行更穩(wěn)定、更安全。綜合考慮，青島LNG接收站BOG處理工藝采用BOG再冷凝液化工藝及BOG直接壓縮混合處理工藝可行。

表5 BOG混合處理工藝與BOG再冷凝液化工藝能耗對(duì)比表

4 結(jié)論

1）BOG再冷凝液化工藝的能耗均小于BOG直接壓縮工藝的能耗。針對(duì)2種BOG處理工藝，外輸量的改變幾乎不影響再冷凝器的節(jié)能效果，但當(dāng)BOG量較大時(shí)，BOG再冷凝液化工藝的節(jié)能效果更顯著。

2）隨著外輸壓力的增加，再冷凝器的節(jié)能量也增加。

3）隨著再冷凝器壓力的增加，再冷凝器的節(jié)能量減少，但為了便于操作，再冷凝器壓力一般設(shè)為0.7～0.9MPa。

4）BOG進(jìn)入再冷凝器前進(jìn)行預(yù)冷，可在處理相同BOG量時(shí)降低再冷凝器的壓力，從而節(jié)約壓縮機(jī)的能耗，節(jié)約率達(dá)18.2%。

5）青島LNG接收站采用BOG再冷凝液化工藝及BOG直接壓縮混合處理工藝，可避免最小外輸量工況下BOG進(jìn)入火炬，減少能源浪費(fèi)，使裝置運(yùn)行更安全、穩(wěn)定。

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