LNG接收站再冷凝器工藝控制研究

劉慶勝，周琳琳

（中國石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島266400）

液化天然氣（LNG）接收站內由于儲罐、設備及循環(huán)管線的外界熱量侵入等原因，會產生大量的蒸發(fā)氣（BOG），對系統(tǒng)的安全運行造成不利影響［1］。目前，LNG接收站的BOG回收工藝可以分為直接加壓至高壓外輸氣管網(wǎng)和BOG再冷凝兩種。直接加壓的方式適合外輸管網(wǎng)壓力較小（2～3MPa）的接收站；對于高壓力的管網(wǎng)，直接加壓BOG外輸能耗太高，因而國內的接收站皆采用BOG再冷凝工藝［2］。

BOG再冷凝工藝的主要設備包括BOG壓縮機和再冷凝器，再冷凝器主要功能：提供足夠的BOG與LNG接觸空間，并保證足夠的接觸時間，利用過冷的LNG將BOG冷凝；作為高壓泵的入口緩沖罐，保證高壓泵的入口壓力穩(wěn)定［3］。再冷凝器作為BOG回收系統(tǒng)的核心設備，在接收站工藝中承擔著承上啟下作用，確保其穩(wěn)定運行是目前LNG接收站普遍存在的難題［4］。

1 項目介紹

山東LNG接收站建于青島董家口港，一期接收能力為3Mt／a，供氣能力為4.5×1010m3／a，站內設有4臺1.6×105m3儲罐、2臺BOG壓縮機、1臺BOG冷換器、1臺再冷凝器。BOG回收系統(tǒng)如圖1所示。儲罐及管道、設備等產生的BOG輸送至BOG總管，通過BOG總管送入壓縮機加壓至0.87MPa，升溫至52℃，加壓后的BOG由高壓泵加壓后的過冷LNG在BOG冷換器中降溫至－80℃，然后與罐內低壓泵輸出的LNG與再冷凝器中混合降溫，液化成LNG后在再冷凝器底部與低壓泵輸出的另1股LNG匯合，經(jīng)高壓泵加壓至汽化器外輸。

2 LNG接收站再冷凝器控制系統(tǒng)

山東LNG接收站再冷凝器的主要控制參數(shù)有：流量控制，即控制冷凝BOG所需LNG的量；液位控制，即控制再冷凝器內LNG的液位LT；壓力控制，即控制再冷凝器頂部、底部壓力和高壓泵吸入口飽和蒸氣壓。山東LNG項目再冷凝器控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 控制冷凝BOG所需LNG的量

BOG再冷凝工藝的核心參數(shù)為冷凝BOG所需LNG與BOG的質量比［5］，質量比計算經(jīng)驗公式［3］為

式中：qV1——通過再冷凝器的LNG體積流量，m3／h；qV2——進入再冷 凝器的標準體積流 量，m3／h；T1——BOG 氣 體的溫度，℃；T2——BOG氣體的露點溫度，℃；p——再冷凝器頂部壓力，MPa；R——比例常數(shù)；A，B——常數(shù)。

圖1 山東LNG項目BOG回收系統(tǒng)

注：虛線——BOG管線；實線——LNG管線

圖2 山東LNG接收站再冷凝器控制系統(tǒng)示意

從式（1）可以看出，影響質量比的主要因數(shù)為BOG氣體的溫度及再冷凝器頂部壓力。當BOG氣體溫度恒定時，隨著再冷凝器頂部壓力的增大，BOG氣體露點溫度升高，使BOG氣體更容易被液化，從而使質量比降低。當再冷凝器頂部壓力恒定時，隨著BOG氣體溫度的升高，質量比也會增加，因為當BOG氣體溫度升高時，為降低BOG氣體溫度所需的LNG量就會增加。

再冷凝器的流量控制為串級控制系統(tǒng)，F(xiàn)Y0002A通過采集FT0002，TT0007，PT0007的信號，計算進入再冷凝器的標準工況下的BOG量；FY0002B根據(jù)FY0002A的計算結果、TT0007所測BOG氣體的溫度、PT0008所測再冷凝器的壓力，計算出冷凝BOG所需LNG的量，作為給定值送入FIC0001；FT0001所測的LNG流量作為反饋值送入FIC0001，給定值和反饋值產生偏差信號控制FV0001的開度，從而控制進入再冷凝器的LNG量。

2.2 控制再冷凝器液位LT

在實際運行中，再冷凝器液位過高時會導致LNG進入到BOG系統(tǒng)，液位過低時會導致高壓泵抽空，故再冷凝器液位是至關重要的控制參數(shù)。當液位低時，通過串級控制 LIC0101，F(xiàn)Y0101，PY0101A降低BOG壓縮機能力，以減少BOG進入再冷凝器的量，降低再冷凝器底部壓力。當PT0102檢測到壓力降低時，增加旁路閥門PV0102A和PV0102B開度，減少再冷凝器輸入至高壓泵LNG量，提升再冷凝器液位。當液位高時，通過LIC0101打開LV0004，將高壓天然氣（NG）充入再冷凝器，增大再冷凝器壓力，減小旁路閥門開度，增加再冷凝器輸入至高壓泵LNG的量，從而降低再冷凝器液位。

2.3 壓力控制

1）控制再冷凝器頂部、底部壓力。再冷凝器底部壓力控制通過PV0102A和PV0102B分程控制，保持再冷凝器底部壓力穩(wěn)定，從而保證高壓泵入口壓力及再冷凝器液位的穩(wěn)定。頂部壓力通過高壓控制器PIC0008進行控制，當頂部壓力超高時，開啟閥門PV0008，將BOG放空以減少再冷凝器頂部壓力。

2）控制高壓泵吸入口飽和蒸氣壓差。當外輸較少時，再冷凝器的平穩(wěn)控制是LNG接收站安全平穩(wěn)運行的關鍵。如果流量過小會導致高壓泵吸入口溫度過高，同時飽和蒸氣壓差減小使得高壓泵運行不穩(wěn)定［6］。當再冷凝器旁路流量低于流量設定值時，通過控制器FIC0101及低選器FY0101來控制降低BOG壓縮機負荷，從而使進入再冷凝器的BOG量減少，需要冷凝BOG所需的LNG量相應減少，再冷凝器出口熱態(tài)LNG減少，再冷凝器旁路冷態(tài)LNG量相應增加，高壓泵入口LNG溫度降低，飽和蒸氣壓差升高。

3 影響再冷凝器的因素及對策

3.1 BOG溫度變化的干擾

在卸船時，由于預冷卸料臂產生的天然氣會推動氣相返回管道中常溫的天然氣進入再冷凝器氣相空間，導致進入再冷凝器的BOG溫度升至50℃；在卸料過程中，由于岸上向船艙返氣，儲罐中溫度較低的BOG進入BOG管網(wǎng)，使得進入再冷凝器的溫度降低至－30℃。進入再冷凝器BOG溫度的變化會引起再冷凝器氣相空間溫度變化，極易造成再冷凝器液位波動［7］。同理，在槽車裝車時，會引起部分BOG從槽車回到LNG儲罐，特別是冷車過程中會產生大量的高溫BOG，引起B(yǎng)OG系統(tǒng)溫度上升，導致BOG再冷凝器溫度不穩(wěn)定［8］。

為此，該LNG項目在BOG進入再冷凝器前引入BOG冷換器環(huán)節(jié)，用經(jīng)過高壓泵后的過冷LNG對BOG進行冷卻。如圖2所示，通過TT0007檢測進入再冷凝器BOG的溫度信號，送入TC0010用來控制閥門TV0010的開度，控制高壓泵進入冷換器的LNG量，使進入再冷凝器的BOG溫度穩(wěn)定在－80℃，有效地降低了BOG溫度波動對再冷凝器的影響。

3.2 壓縮機負荷變化的干擾

壓縮機負荷調整會導致進入再冷凝器BOG量的大幅變化［9］。由于控制進入再冷凝器LNG量的調節(jié)閥PV0102A／B具有一定的滯后性，壓縮機的負荷增加會導致多余的BOG無法及時冷凝，使再冷凝器壓力過高，液位下降；壓縮機負荷減少會導致BOG過度冷凝，使得再冷凝器壓力降低，液位升高。針對該問題，可在實際操作中，當儲罐壓力較低時不啟動壓縮機，當儲罐壓力較高時，直接將壓縮機啟動至100%，從而避免壓縮機階躍性調整對再冷凝器的影響，同時降低了壓縮機運行引起的損耗，避免壓縮機因為溫度過高而停車。

3.3 再冷凝器旁路管道壓力變化的干擾

在啟泵時，高壓泵吸入端壓力下降，由于再冷凝器旁路控制閥門PV0102A／B的自動調節(jié)存在滯后，導致再冷凝器底部壓力下降，液位下降；在停泵時，會導致再冷凝器底部壓力上升，液位上升。同理，接收站內多輛槽車同時裝車，交叉啟停，也會導致低壓輸出總管壓力波動較大，影響再冷凝器平穩(wěn)控制［10］。針對該問題，可在實際操作過程中，啟泵時將再冷凝器液位調至最高，停泵時將再冷凝器液位調至最低，盡量減少泵的啟停對再冷凝器液位的影響。

4 結束語

BOG回收系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，是LNG接收站操作時必須重點考慮的關鍵問題之一，然而國內已建LNG接收站再冷凝器因控制回路復雜、干擾因素多，導致操作不穩(wěn)定。通過對山東LNG接收站再冷凝器流量、液位、壓力控制系統(tǒng)的分析研究，并對接收站操作過程中的BOG管網(wǎng)溫度變化、BOG壓縮機負荷變化、高壓泵的啟停導致低壓管網(wǎng)壓力波動對再冷凝器的干擾進行了分析，筆者提出了具體的解決辦法。

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