LNG接收站BOG再冷凝工藝的模擬及優(yōu)化

劉　迪，杜偉婧

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102249；2.中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津　300450）

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LNG接收站BOG再冷凝工藝的模擬及優(yōu)化

劉迪1，杜偉婧2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津300450）

摘要：BOG再冷凝處理工藝是LNG接收站的主要流程之一，利用ASPEN HYSYS流程模擬軟件對(duì)BOG再冷凝工藝流程進(jìn)行了模擬，并對(duì)影響再冷凝工藝的因素進(jìn)行了分析，繼而提出利用過冷的LNG對(duì)BOG氣體進(jìn)行預(yù)冷，通過減小物料比，最終達(dá)到降低BOG壓縮機(jī)功耗的目的。利用HYSYS對(duì)優(yōu)化后的流程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的再冷凝工藝BOG壓縮機(jī)功耗降低了49.6kW，節(jié)約功耗20.3%。

關(guān)鍵詞：LNG接收站；BOG處理；再冷凝工藝；模擬優(yōu)化

BOG的處理工藝是LNG接收站工藝系統(tǒng)的重要部分，BOG的產(chǎn)生和處理在LNG接收站的操作中不可避免，若BOG處理不當(dāng)，將導(dǎo)致LNG儲(chǔ)槽超壓而發(fā)生危險(xiǎn)，若外排燃燒將造成資源浪費(fèi)。

通常處理BOG氣體的傳統(tǒng)方法有以下四種［1，2］：（1）將儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG返回至LNG船舶，填補(bǔ)卸料時(shí)產(chǎn)生的真空；（2）通過壓縮機(jī)將BOG壓縮至一定的壓力后，與輸出的LNG直接接觸相互換熱，BOG被重新冷凝為液態(tài)后輸出；（3）使用BOG壓縮機(jī)將BOG壓縮至外輸管網(wǎng)壓力后輸出；（4）送到火炬進(jìn)行燃燒，若BOG量過多時(shí)可直接排入大氣。根據(jù)文獻(xiàn)研究，BOG再液化系統(tǒng)比氣體直接加壓至輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)省30%～60%的成本費(fèi)用［3］，故世界上大部分氣源型LNG接收站普遍采用再冷凝器液化工藝回收BOG。

1　LNG接收站再冷凝工藝模擬

此處運(yùn)用HYSYS工藝模擬軟件對(duì)LNG接收站的再冷凝液化系統(tǒng)進(jìn)行模擬，為接收站的再冷凝液化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化運(yùn)行提供參考。LNG接收站設(shè)計(jì)工況下的工藝參數(shù)（見表1，表2）（其中LNG流量180 000 kg/h；BOG流量6 780 kg/h）。

表1　接收站內(nèi)LNG及BOG的組成成分（摩爾分?jǐn)?shù)）

表2　接收站內(nèi)LNG低壓泵及BOG壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

BOG再液化工藝是利用加壓后LNG自身的冷量冷凝BOG，即LNG經(jīng)過低壓泵增壓后，過冷的LNG與BOG間接或者直接接觸換熱，將BOG冷凝為L(zhǎng)NG。

BOG壓縮后從冷凝器的頂部與接近再冷凝器頂部用來(lái)冷凝BOG的一股LNG同時(shí)進(jìn)入再冷凝器內(nèi)進(jìn)行直接接觸混合［4］。進(jìn)入再冷凝器的BOG全部被液化，冷凝液與進(jìn)入再冷凝器下部的LNG一并經(jīng)LNG泵加壓進(jìn)入汽化器氣化輸送至高壓管網(wǎng)。利用HYSYS對(duì)上述流程進(jìn)行建模，所建模型（見圖1）。

圖1　HYSYS模擬再冷凝工藝系統(tǒng)結(jié)果數(shù)據(jù)

2　BOG再冷凝工藝的影響因素分析

由于參數(shù)較多，本處采用單因素分析的方法，在進(jìn)行分析時(shí)，每次只改變一個(gè)控制變量參數(shù)（BOG的流量，BOG壓縮機(jī)出口壓力，低壓泵出口壓力），將其他參數(shù)固定不變，從而分析控制變量對(duì)因變量（LNG量）的影響情況。

2.1LNG低壓泵出口壓力變化的影響

當(dāng)LNG低壓泵出口壓力發(fā)生變化時(shí)，即再冷凝工藝系統(tǒng)中進(jìn)入再冷凝器的LNG的過冷度和壓力均會(huì)發(fā)生變化。利用HYSYS軟件模擬分析計(jì)算當(dāng)LNG低壓泵的出口壓力發(fā)生變化從400 kPa至1 000 kPa時(shí)，再冷凝過程所需要的LNG的流量，模擬結(jié)果繪制成LNG流量隨LNG低壓泵出口壓力變化的曲線（見圖2）。

圖2　再冷凝過程所需LNG隨LNG泵出口壓力變化圖

通過對(duì)該圖的分析可以看出，再冷凝過程所需要的LNG的量隨著LNG低壓泵出口壓力的增加而減少，并且LNG的減少量也逐漸減少。這種情況的出現(xiàn)是因?yàn)?，?dāng)固定BOG壓縮機(jī)的進(jìn)口，出口壓力及溫度，BOG的產(chǎn)生量不改變時(shí)，再冷凝過程所需要的冷量即已經(jīng)固定，而隨著LNG經(jīng)低壓泵后壓力的增加，其溫度基本不變，LNG所具有的過冷度也逐漸增加，所以冷凝所需要的LNG的量逐漸減少。

2.2BOG壓縮機(jī)出口壓力的影響

工藝能耗以及物料比（物料比是指在再冷凝器中，將BOG氣體全部冷凝所需要的最少LNG與BOG的質(zhì)量比值）是影響B(tài)OG再冷凝工藝的主要因素。

2.2.1對(duì)功耗的影響此處研究的工況為L(zhǎng)NG輸出流量為186 780 kg/h，BOG氣體的流量為6 780 kg/h時(shí)，將操作壓力為0.15MPa的BOG氣體分別壓縮至0.4MPa～1.0MPa，利用過程模擬軟件HYSYS對(duì)該過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果（見圖3）。

圖3　BOG壓縮機(jī)出口壓力對(duì)各設(shè)備功耗影響

分析圖中的結(jié)果數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

（1）BOG壓縮機(jī)、LNG低壓泵及各個(gè)設(shè)備的總功耗隨著壓縮機(jī)出口壓力的增加而增加，為正相關(guān)關(guān)系。

（2）LNG高壓泵的功耗隨著壓縮機(jī)出口壓力的增加而減少，為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（3）LNG低壓泵的功耗以及LNG高壓泵的功耗隨壓縮機(jī)出口壓力變化的幅度并不大，即各設(shè)備總功耗的增加主要是由于壓縮機(jī)的功耗增加而引起的。

依據(jù)以上結(jié)論分析可知，在BOG再冷凝工藝過程中，要使得產(chǎn)生的BOG氣體均被完全冷凝液化，應(yīng)該盡量降低BOG壓縮機(jī)的出口壓力，從而可以降低BOG壓縮機(jī)的功耗，繼而降低總功耗。

2.2.2對(duì)物料比的關(guān)系在實(shí)際的操作過程中BOG壓縮機(jī)出口壓力降低會(huì)導(dǎo)致物料比（圖1物料4流量/ BOG流量）增加，即完全冷凝BOG所需要的LNG的量增加（見圖4）。

從圖4可以看出，BOG出口壓力降低時(shí)物料比增加，這是因?yàn)楫?dāng)BOG氣體的壓力越高時(shí)，冷凝BOG的溫度越高，比較容易液化，所需要的冷量越少。

綜上分析為了降低再冷凝工藝系統(tǒng)的能耗，應(yīng)降低BOG壓縮機(jī)的出口壓力，但是出口壓力降低會(huì)導(dǎo)致物料比增加，當(dāng)接收站的LNG輸出量處于低谷時(shí)，會(huì)給操作帶來(lái)困難［5］。

圖4　BOG壓縮機(jī)出口壓力與再冷凝所需LNG關(guān)系

2.3BOG的溫度對(duì)物料比的影響

依據(jù)現(xiàn)有BOG再冷凝工藝的操作數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，-160℃的BOG氣體經(jīng)過BOG壓縮機(jī)壓縮后溫度升高到-76.6℃，又經(jīng)過再冷凝器后溫度降低為-158.3℃。所以，再冷凝器中的過冷LNG既要為BOG從氣相液化為液相提供冷量，又要為BOG壓縮后的降溫過程提供冷量。若能夠在BOG氣體進(jìn)入再冷凝器之前對(duì)其進(jìn)行降溫，就可以減少冷凝過程所需要的冷量，所以可以減少LNG的用量，即降低物料比，這對(duì)于解決LNG接收站LNG輸出量波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的物料比與BOG壓縮機(jī)出口壓力間的矛盾尤為重要［6］。

固定BOG壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力，改變BOG進(jìn)入再冷凝器的溫度從-120℃至-60℃，研究再冷凝工藝過程中不同BOG溫度下，LNG的物料比變化情況，利用HYSYS軟件對(duì)此過程進(jìn)行模擬，得到變化關(guān)系數(shù)據(jù)（見圖5）。

圖5　BOG的溫度對(duì)物料比的影響

分析該圖中的數(shù)據(jù)可得出，再冷凝工藝過程的物料比隨著BOG進(jìn)入再冷凝器溫度的降低而減少。這是因?yàn)锽OG的溫度越低，其降溫過程所需的冷量越少，需要的過冷LNG的量也越少，即物料比降低。如果BOG進(jìn)入再冷凝器時(shí)溫度處于露點(diǎn)溫度，此時(shí)，過冷的LNG只需要為BOG的相變過程提供冷量，不需要為BOG的降溫過程提供冷量，這種情況下LNG的用量最小，即為最小物料比［7］。所以，應(yīng)該盡量降低BOG氣體進(jìn)入再冷凝器的溫度，從而可以彌補(bǔ)降低壓縮機(jī)的出口壓力而導(dǎo)致的物料比增加，因此，可以在物料比不變或者變化不大時(shí)，通過降低BOG壓縮機(jī)的出口壓力達(dá)到降低壓縮機(jī)能耗的目的。

3　BOG再冷凝工藝的改進(jìn)

3.1流程模擬

根據(jù)上述的分析可知，降低BOG壓縮機(jī)的功耗是再冷凝工藝優(yōu)化的關(guān)鍵，而通過對(duì)增壓后的BOG氣體進(jìn)行預(yù)冷，以使得BOG溫度降低后進(jìn)入再冷凝器，從而減少冷凝BOG所需要的過冷LNG的量，即減小物料比，從而達(dá)到降低BOG壓縮機(jī)出口壓力的目的。當(dāng)BOG壓縮機(jī)出口壓力降低時(shí)，壓縮機(jī)的功耗也即隨之降低，最終達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。

在現(xiàn)有再冷凝工藝中，從再冷凝器中出來(lái)的LNG經(jīng)過LNG高壓泵增壓后進(jìn)入汽化器之前，溫度仍然較低，因此，可以將進(jìn)入汽化器前的LNG作為預(yù)冷BOG的冷源，以降低現(xiàn)有工藝的壓縮機(jī)的出口壓力和壓縮機(jī)的功耗，從而獲得改進(jìn)后的優(yōu)化工藝，優(yōu)化后的工藝流程（見圖6）。

與原有的再冷凝工藝流程圖相比，優(yōu)化后的BOG預(yù)冷再冷凝工藝中增加了一個(gè)預(yù)冷換熱器，LNG儲(chǔ)罐中出來(lái)的LNG經(jīng)過低壓泵增壓后變?yōu)檫^冷LNG，過冷LNG分為兩股，一股進(jìn)入再冷凝器與BOG混合，全部液化后的LNG與另一股過冷LNG在再冷凝器混合后進(jìn)入LNG高壓泵，從LNG高壓泵流出的LNG一部分作為冷源預(yù)冷BOG，之后進(jìn)入汽化器汽化外輸。

圖6　BOG預(yù)冷的再冷凝工藝流程圖

改進(jìn)優(yōu)化后的BOG預(yù)冷再冷凝工藝的主要運(yùn)行參數(shù)（見表3）。

表3　BOG預(yù)冷再冷凝工藝運(yùn)行參數(shù)

3.2優(yōu)化后的BOG預(yù)冷再冷凝工藝節(jié)能分析

在優(yōu)化后的BOG預(yù)冷再冷凝工藝中，從BOG壓縮機(jī)出來(lái)的BOG進(jìn)入再冷凝器時(shí)的溫度由預(yù)冷裝置預(yù)冷到-138.4℃，與原有再冷凝工藝相比，減少了用于冷凝BOG的LNG的量，即使得物料比降低，從而在相同的工況下可以在壓縮機(jī)出口壓力較低的情況下操作。

改變優(yōu)化后的工藝流程中BOG壓縮機(jī)的出口壓力，利用HYSYS模擬不同壓力下的運(yùn)行參數(shù)，所得結(jié)果（見表4）。

表4　優(yōu)化工藝不同出口壓力下的運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)圖3，圖4和表4數(shù)據(jù)對(duì)比可知，原有再冷凝工藝BOG壓縮機(jī)的出口壓力為0.8MPa時(shí)，其物料比為4.8，BOG壓縮機(jī)的功耗為244.3kW。而經(jīng)過改進(jìn)后的BOG預(yù)冷再冷凝工藝BOG壓縮機(jī)出口壓力為0.6MPa時(shí)，物料比為4.8與原有工藝相當(dāng)，但是其BOG壓縮機(jī)的功耗為194.7kW，減少了49.6kW，節(jié)約功耗20.3%，這說(shuō)明改進(jìn)后的工藝對(duì)降低能耗有著顯著的作用。

4　結(jié)論

本文利用HYSYS軟件對(duì)現(xiàn)有的再冷凝工藝進(jìn)行了模擬分析，并根據(jù)再冷凝工藝的影響因素提出了BOG預(yù)冷再冷凝工藝優(yōu)化方案，通過研究及分析得出了以下結(jié)論：

（1）BOG再冷凝工藝受多個(gè)因素影響，BOG流量的變化，BOG壓縮機(jī)出口壓力的變化，LNG低壓泵出口壓力的變化均會(huì)影響再冷凝過程所需要的LNG的量，從而對(duì)再冷凝工藝產(chǎn)生影響。

（2）以降低能耗為目標(biāo)的BOG處理工藝的優(yōu)化可以采用BOG預(yù)冷再冷凝工藝流程，通過對(duì)增壓后的BOG氣體進(jìn)行預(yù)冷，以使得BOG溫度降低后進(jìn)入再冷凝器，減小物料比，從而達(dá)到降低BOG壓縮機(jī)出口壓力的目的，同時(shí)壓縮機(jī)的功耗也即隨之降低，最終達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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Simulation and optimization of LNG terminal's BOG recondensation process

LIU Di1，DU Weijing2
（1.Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2.Sinopec Tianjin LNG Limited Liability Company，Tianjin 300450，China）

Abstract:BOG recondensation process is one of the main process of LNG receiving station，BOG recondensation process is simulated by using the ASPEN HYSYS process simulation software，and the factors of affecting the recondensation process are analyzed. Then put forward using supercooled LNG to precooling the BOG gas，reducing the material ratio，finally achieve the purpose of reducing the power consumption of the BOG compressor. The optimized process is simulated through HYSYS，and it turns out that the BOG compressor's power consumption decreased 49.6kW compared with the former condensing process，saving power consumption by 20.3%.

Key words：LNG terminal；process of BOG；recondensation process；simulation and optimization

中圖分類號(hào)：TE965

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）06-0130-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.032

*收稿日期：2016－04-12