LNG接收站增壓－冷凝系統(tǒng)優(yōu)化分析

孔令廣，魯毅

（1中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧 大連116600；2風(fēng)控 （北京）工程技術(shù)有限公司，北京100025）

引 言

液化天然氣 （LNG）產(chǎn)業(yè)是快速行業(yè)，至2020年的全球貿(mào)易量預(yù)期年增長率為5%～7%［1］。在能源消費(fèi)持續(xù)增長以及大氣環(huán)境治理的雙重推動作用下，我國LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前在沿海地區(qū)已經(jīng)有10多個(gè)LNG接收站建成投產(chǎn)，至2015年我國LNG接收站年接收能力將達(dá)到6500萬噸［2］。再冷凝器是接收站蒸發(fā)氣 （BOG）再冷凝工藝的核心設(shè)備，由高壓泵、BOG壓縮機(jī)和再冷凝器組成的增壓－冷凝系統(tǒng)是影響接收站可靠性的關(guān)鍵設(shè)備［3－5］。本研究介紹這一系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，并基于理論分析與實(shí)踐提出了優(yōu)化方案。

1 LNG接收站及增壓－冷凝工藝

沿海的大型LNG接收站由卸船碼頭接收LNG運(yùn)輸船上的LNG，經(jīng)儲存和氣化后通過外輸管網(wǎng)輸送給城市管網(wǎng)或天然氣發(fā)電廠等下游用戶。典型的LNG接收站包括LNG卸船、儲存、增壓、BOG處理、氣化、天然氣計(jì)量輸出、火炬放空、槽車裝車等工藝單元［6］，如圖1所示。

圖1 LNG接收站工藝流程Fig.1 Process flow diagram of LNG receiving station

LNG運(yùn)輸船 （B1）抵達(dá)LNG接收站專用碼頭后，LNG通過船上卸料泵增壓后經(jīng)卸料臂（L2）輸送到卸船總管 （S1）中，并經(jīng)上進(jìn)料管線（S2）和下進(jìn)料管線 （S3）儲存到LNG儲罐 （T1）中。卸船過程中，大量的BOG氣體通過氣相返回臂 （L1）返回LNG船，以平衡船艙內(nèi)壓力。

儲存在儲罐中的LNG通過低壓輸送泵 （P1）增壓后進(jìn)入低壓輸送總管 （S8）。低壓輸送總管中的部分LNG去槽車裝車外輸 （S9）、碼頭冷循環(huán)、小型LNG運(yùn)輸船裝船外輸。

其余的低壓LNG一部分經(jīng)過FCV1進(jìn)入再冷凝器 （V1）的上部吸收經(jīng)BOG壓縮機(jī) （C1）增壓的BOG氣體；大部分低壓LNG經(jīng)過再冷凝器旁路管線上的壓力控制閥PCV1A和PCV1B后與再冷凝器底部出口的LNG在管線S16中充分混合，混合后的LNG進(jìn)入高壓輸送泵。如圖2所示。

經(jīng)高壓輸送泵 （P2）加壓的LNG進(jìn)入開架式氣化器ORV（E1）或浸沒燃燒式氣化器SCV （E2）氣化成氣態(tài)天然氣，經(jīng)分析計(jì)量后送入外輸管網(wǎng)。

2 增壓－冷凝工藝的控制

再冷凝器有兩個(gè)重要功能：提供LNG與BOG充分混合的場所，起到冷凝BOG氣體的作用；作為高壓泵入口的緩沖罐，起到緩沖高壓泵泵井液位的作用［7］。再冷凝器運(yùn)行過程中要滿足本身的液位和壓力平穩(wěn)，還要保證其下部出口壓力大于該溫度條件下LNG的飽和蒸氣壓，即滿足高壓泵入口壓力NPSH的要求，避免高壓泵氣蝕［8］。

FIC1在串級控制時(shí)，進(jìn)入再冷凝器上部的LNG流量與進(jìn)入再冷凝器的BOG流量之間關(guān)系式為

式中，QLNG為通過再冷凝器的LNG體積流量2，m3·h－1；QBOG為進(jìn)入再冷凝器的BOG標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m3·h－1（已經(jīng)經(jīng)FX－1進(jìn)行了溫壓補(bǔ)償計(jì)算）；R為比例常數(shù)；P為再冷凝器底部壓力P0，kPa （表）。

FIC1在摘除串級控制改為單回路控制時(shí)，F(xiàn)2的流量大小是通過手動設(shè)定的。

正常生產(chǎn)條件下高壓泵入口壓力PIC1設(shè)定值為一確定數(shù)值Pw，T2溫度下LNG飽和蒸氣壓為P2，如果能夠滿足Pw＞P2，則PIC1自動調(diào)節(jié)再冷凝器旁路閥PCV1A／PCV1B的開度使P0能夠維持在相對穩(wěn)定的水平。

圖2 LNG接收站增壓－冷凝工藝與控制簡圖Fig.2 Booster－recondensation system and process control of LNG receiving terminal

圖3 高壓輸送泵出入口管線簡圖Fig.3 High pressure transfer pump inlet and outlet pipe line

圖3中，PDI1為高壓泵入口過濾器壓差，P3為LNG靠近高壓泵井入口處壓力，P4、T4為高壓泵出口壓力和溫度。為了保證高壓泵泵井內(nèi)產(chǎn)生的BOG氣體能夠及時(shí)排放到再冷凝器中，高壓泵泵井設(shè)有放空管線及MV手閥，4臺高壓泵的泵井放空線匯聚到放空總管，放空總管連接至再冷凝器。

圖4 高壓輸送泵泵井壓力和過濾器壓差趨勢圖Fig.4 Pump well pressure and filter pressure difference of high pressure transfer pump B—filter pressure difference；C—pump well pressure

3 增壓－冷凝系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題

LNG接收站運(yùn)行過程中，由于高壓泵入口過濾器處雜物積累或高分子量烴類物質(zhì)的凝結(jié)，PDI1會逐漸變大，導(dǎo)致高壓輸送泵泵井壓力下降。當(dāng)PDI1增大到一定數(shù)值時(shí)，高壓輸送泵泵井液位開始出現(xiàn)較大波動，同時(shí)再冷凝器液位持續(xù)上漲底部溫度出現(xiàn)明顯下降。

圖4為高壓輸送泵泵井壓力和過濾器壓差趨勢圖。其中B線是高壓輸送泵入口過濾器壓差變化曲線，10：26后過濾器壓差表超過其實(shí)際量程；C線是高壓輸送泵泵井壓力變化曲線。從圖中可以看出，在一定范圍內(nèi)高壓輸送泵泵井壓力隨入口過濾器壓差逐漸增大而減小。

3.1 增壓－冷凝系統(tǒng)問題分析

BOG壓縮機(jī)負(fù)荷維持在某一確定值，即BOG壓縮機(jī)出口壓縮到再冷凝器的BOG氣體量保持不變。高壓泵入口壓力PIC1打到 “自動”狀態(tài)，當(dāng)再冷凝器液位穩(wěn)定后將FIC1打到手動。此時(shí)如果開大流量控制閥FCV1的開度，有更多LNG進(jìn)入再冷凝器吸收BOG壓縮機(jī)輸送來的BOG氣體，此時(shí)再冷凝器頂部壓力會變小，從而引起再冷凝器液位上漲；反之，手動關(guān)小FCV1的開度會引起再冷凝器液位下降。

但實(shí)際生產(chǎn)中遇到的現(xiàn)象是：隨著高壓輸送泵入口過濾器壓差增大，高壓輸送泵泵井入口壓力不斷減小。當(dāng)高壓輸送泵泵井入口壓力低于某一確定值時(shí)，雖然手動關(guān)小FCV1的開度，再冷凝器液位仍然保持上漲趨勢，甚至出現(xiàn)FCV1關(guān)到0% （圖5）的情況。

圖5 流量控制閥FCV1開度曲線Fig.5 Flow control valve FCV1opening degree

圖6 增壓－冷凝系統(tǒng)主要參數(shù)趨勢圖Fig.6 Main parameters of booster－recondensation system

圖7 某LNG接收站高壓輸送泵和再冷凝器相對位置Fig.7 Relative position diagram of high pressure pump and condenser in LNG receiving station

圖6為高壓輸送泵過濾器壓差超過實(shí)際量程，高壓輸送泵泵井壓力降低到較低值后，增壓－冷凝系統(tǒng)各參數(shù)變化曲線。在Ⅰ～Ⅱ段之間，再冷凝器底部壓力 （E線）、BOG壓縮機(jī)到再冷凝器流量（F線，約為900m3·h－1）均保持基本不變。再冷凝器頂部壓力 （D線）和高壓輸送泵泵井壓力（C線）兩條曲線幾乎完全吻合，即再冷凝器頂部壓力和高壓輸送泵泵井壓力幾乎相等，因此可以推測泵井上端和再冷凝器頂端都充滿了BOG氣體。

結(jié)合圖4和圖5，對圖6中Ⅰ～Ⅱ時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行情況做進(jìn)一步分析。再冷凝器液位 （G線）稍微上升；但FCV1在這段時(shí)間內(nèi)的開度一直為零，此段時(shí)間沒有LNG進(jìn)入再冷凝器來吸收壓縮機(jī)來的BOG；而再冷凝器液位上升又證明再冷凝器頂部未出現(xiàn)BOG氣體聚集。因此，推斷BOG壓縮機(jī)來的BOG被高壓輸送泵通過放空管線吸入高壓輸送泵泵井中。

3.2 放空管線分析

圖7為高壓泵和再冷凝器垂直方向的相對位置圖，4臺高壓泵的泵井放空線 （S1～S4）至放空總管水平段S5的垂直高度均為d1。正常操作條件下再冷凝器頂部壓力P2為0.7MPa，與放空總管S5氣相空間壓力相等；高壓輸送泵入口壓力P3等于再冷凝器出口壓力P0，為0.72MPa，也基本等于高壓輸送泵泵井的壓力。

根據(jù)帕斯卡定律

式中，ρ為LNG密度，h為再冷凝器液位，g為重力加速度。

可計(jì)算得出圖7中d1段內(nèi)LNG液柱高度ΔH＝4.44m，實(shí)際d1的長度為8.6m，可判定管線S1～S4的上部及總管水平段S5內(nèi)均充滿BOG氣體。同理可推測，當(dāng)P2與P3接近或相等時(shí)，h接近或等于0，此時(shí)d1和d2段全部充滿BOG氣體，即泵井內(nèi)已經(jīng)開始吸入來自再冷凝器的BOG氣體。

某LNG接收站正常生產(chǎn)中，BOG壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)整好且再冷凝器液位穩(wěn)定后，再冷凝器頂部壓力一般保持為0.7MPa。從上面的理論推測，當(dāng)高壓輸送泵泵井壓力降到低于0.7MPa時(shí)，BOG開始倒吸進(jìn)入高壓輸送泵泵井，開始出現(xiàn)高壓輸送泵泵井液位較大波動、再冷凝器液位持續(xù)上漲、底部溫度明顯下降的現(xiàn)象。這一點(diǎn)與實(shí)際生產(chǎn)情況吻合。平時(shí)的操作過程中，當(dāng)出現(xiàn)高壓輸送泵泵井壓力較低現(xiàn)象時(shí)一定要及時(shí)清理過濾器，防止BOG氣體進(jìn)入泵井而引起高壓輸送泵的氣蝕。另外，要解決上述問題可以對放空管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8 高壓輸送泵泵井放空管線優(yōu)化圖Fig.8 Pipeline optimization diagram of HP pump well vent line

3.3 放空管線優(yōu)化方案

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了避免上面現(xiàn)象產(chǎn)生，可以對高壓輸送泵泵井放空管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。高壓輸送泵泵井優(yōu)化圖如圖8所示，d3的長度改短到2～3m （要小于4.44m），以保證4個(gè)高壓輸送泵泵井放空線S1～S4以及管線S5的水平段和d4高度充滿LNG。

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：①放空管線能夠起到泄放泵井內(nèi)產(chǎn)生的BOG氣體的作用；②啟動一臺高壓輸送泵時(shí)，另外幾臺高壓輸送泵泵井和再冷凝器同時(shí)起到其入口緩沖罐的作用，減小了啟動高壓輸送泵引起的再冷凝器液位波動；③當(dāng)高壓輸送泵入口過濾器壓差較大時(shí)，其余泵井內(nèi)的LNG可以通過泵放空管線進(jìn)入到該泵井中，不會引起泵井壓力低，同時(shí)也避免了BOG氣體抽入泵井的現(xiàn)象出現(xiàn)，保護(hù)高壓輸送泵。

另外，將高壓輸送泵泵井液位計(jì)上取壓點(diǎn)的位置做一定的調(diào)整，液位計(jì)取壓點(diǎn)位置如圖8所示，這樣可以直觀地讀出液位計(jì)的讀數(shù)，并準(zhǔn)確判斷泵井是否存在液封。如果液位讀數(shù)變低，則說明壓力表的上取壓點(diǎn)處開始出現(xiàn)BOG氣體。

4 結(jié) 論

在高壓輸送泵入口過濾器壓差過大而引起增壓－冷凝系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合該系統(tǒng)主要參數(shù)和閥門變化趨勢圖對存在的問題做進(jìn)一步的分析，得出高壓輸送泵泵井放空線影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的結(jié)論，并從理論上對結(jié)論的正確性進(jìn)行了證明，最后針對存在的問題對放空線結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化分析。

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