液化天然氣接收站蒸發(fā)氣回收優(yōu)化技術(shù)

曹玉春，陳其超，陳亞飛，胡巍亞（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016）

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應(yīng)用技術(shù)

液化天然氣接收站蒸發(fā)氣回收優(yōu)化技術(shù)

曹玉春，陳其超，陳亞飛，胡巍亞
（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213016）

摘要：以大連液化天然氣（LNG）接收站為例，利用Aspen軟件對LNG接收站蒸發(fā)氣（BOG）處理工藝流程進(jìn)行分析。提出了BOG再冷凝液化與直接壓縮混合使用的運(yùn)行方案，并且在再冷凝工藝流程中增加預(yù)冷裝置。分析結(jié)果表明：當(dāng)接收站能夠穩(wěn)定提供足夠量LNG時，系統(tǒng)優(yōu)先選擇再冷凝工藝路線，否則自動切換至高壓壓縮工藝路線，并直接輸送至管網(wǎng)。該混合使用方案能夠解決因儲罐及管網(wǎng)內(nèi)BOG壓力過高而放空所造成的能源浪費(fèi)問題。再冷凝工藝流程中，加裝預(yù)冷裝置之后，壓縮機(jī)較加裝之前節(jié)約能耗37.4%。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；蒸發(fā)氣；再冷凝；直接壓縮；預(yù)冷

第一作者及聯(lián)系人：曹玉春（1973—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事能源環(huán)境及動力工程領(lǐng)域內(nèi)的能源潔凈利用及環(huán)境保護(hù)研究工作。E-mail 523390701@qq.com。

近年來我國對天然氣的研究正不斷深化，福建、廣東、上海、大連等液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）接收站項目已運(yùn)營，目前回收蒸發(fā)氣（boil off gas，BOG）所采用的壓縮及再冷凝兩種主要方案存在耗能高、系統(tǒng)不穩(wěn)定、外輸負(fù)荷波動時工藝操作困難等缺點(diǎn)［1-3］。為了回收LNG在儲存及運(yùn)輸工程中產(chǎn)生的BOG，1998年ITO等［4］運(yùn)用兩相流的動力學(xué)方法進(jìn)行了BOG再液化的計算機(jī)模擬。上海交通大學(xué)楊曉東等［5］討論了壓縮和再液化BOG的回收方法，認(rèn)為運(yùn)用計算機(jī)模擬工具，對提高 LNG工廠的安全性和經(jīng)濟(jì)效益以及同時降低投資成本很有幫助。針對國內(nèi) BOG回收采用的兩種主要處理方法，中石化上海工程公司劉浩等［6］從耗能角度出發(fā)，運(yùn)用廣義伯努利方程定性分析以及定量計算，指出了再冷凝工藝更加節(jié)能。直接壓縮與再冷凝所對應(yīng)的中間過程不同，需根據(jù)具體情況，選擇不同的工藝［7］。

陳雪等［8］通過對 LNG儲罐內(nèi)流體熱響應(yīng)過程的分析，建立了儲罐內(nèi)流體的計算模型，得出儲罐容積不同時BOG排出速率對BOG蒸發(fā)速率和BOG壓力變化的影響是相似的結(jié)論，其變化趨勢與文獻(xiàn)［9］中儲罐BOG實際運(yùn)行操作的變化趨勢一致。文獻(xiàn)［10］以大連LNG接收站實際儲罐為計算基礎(chǔ)，計算出實際的 BOG回收量及儲罐預(yù)冷時間，依據(jù)露點(diǎn)溫度控制TANK3閥門，使進(jìn)入管道的混合BOG氣體中不含有微小冰粒而使壓縮機(jī)能夠正常運(yùn)行，通過改進(jìn)前后對比，改進(jìn)后 BOG回收量是改進(jìn)前的1.64倍，有效降低了BOG的排放量。文獻(xiàn)［11］則是從設(shè)備的硬件出發(fā)，對 LNG應(yīng)急氣源站蒸發(fā)氣BOG量的理論計算，通過與BOG實際產(chǎn)生量進(jìn)行比較分析，對原設(shè)計BOG回收系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置一臺200m3/h的BOG壓縮機(jī)替代高負(fù)荷壓縮機(jī)用于正常運(yùn)行，即降低能耗，又避免因頻繁啟動而導(dǎo)致高負(fù)荷壓縮機(jī)的磨損。雖然前人在利用直接壓縮或再冷凝工藝回收BOG氣體的可行性及經(jīng)濟(jì)性方面做了大量研究工作，但是在如何聯(lián)合運(yùn)用這兩種回收工藝方面的研究還比較少。本文從對現(xiàn)行兩種處理工藝的能耗方面進(jìn)行類比分析，結(jié)合大連LNG接收站的實際運(yùn)行情況，提出新的LNG回收利用新工藝，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論計算和分析。

1 處理工藝分類

1.1 BOG直接壓縮工藝

工藝流程如圖1所示。BOG壓縮機(jī)直接將LNG加氣站內(nèi)所有產(chǎn)生的BOG加壓至外輸管網(wǎng)壓力，進(jìn)入外輸管網(wǎng)供用戶使用。

1.2 BOG再冷凝工藝

主要工作流程如圖2所示。BOG再冷凝工藝的主要原理是利用自身高壓LNG的冷量冷凝BOG，即LNG經(jīng)泵增壓后，具有一定過冷的LNG與BOG接觸換熱，將BOG冷凝為LNG。

1.3 兩種工藝能耗比較

直接壓縮工藝中，壓縮機(jī)需將 BOG氣體壓縮至管網(wǎng)所需壓力，無需再冷凝設(shè)備；再冷凝工藝中，壓縮機(jī)只需將 BOG氣體壓力壓縮至與之混合的LNG液體的壓力值，剩余的工作由LNG高壓泵承擔(dān)。

由伯努利方程，單位質(zhì)量的流體在輸送過程中，從泵或壓縮機(jī)中獲得的壓頭可表示為式（1）。

圖1 BOG直接壓縮工藝

圖2 再冷凝工藝流程圖

式中，H為泵或壓縮機(jī)的揚(yáng)程，m；p1、p2分別為單位質(zhì)量流體始終狀態(tài)的壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；g-1（dp/ρ）為單位質(zhì)量流體獲得的靜壓能，m；u1、u2分別為單位質(zhì)量流體始終狀態(tài)的流速，m/s；（u22-u12）/2g為單位質(zhì)量流體獲得的動能，m；Z1、Z2分別為單位質(zhì)量流體始終狀態(tài)的位置勢能，m；（Z2-Z1）為單位重量流體獲得的位能，m；hf1-2為單位質(zhì)量流體的流動阻力損失，m。

位能以及流動阻力損失相比靜壓能和動能要小得多，均可忽略不計。氣體流速較液體快，即氣體動能值比液體大，因此單位質(zhì)量的氣體需要從壓縮機(jī)獲得更多動能。由于同種物質(zhì)氣體密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體密度，因此在進(jìn)出口壓力相同的情況下，單位質(zhì)量氣體從壓縮機(jī)中獲得的靜壓能比單位質(zhì)量液體從泵中獲得的靜壓能大得多。故在相同工況下，泵壓縮液體比壓縮機(jī)壓縮氣體的能耗小得多，因此，再冷凝工藝能耗更低。

文獻(xiàn)［12］中詳盡統(tǒng)計了目前我國大小型LNG接收站BOG氣體回收量的數(shù)據(jù):大型LNG接收站處理BOG量很大，年接收量300萬噸，日均BOG達(dá)1280t。外輸管網(wǎng)壓力達(dá)到6～10MPa，采用再冷凝工藝比直接壓縮每千克BOG可節(jié)約0.14kg/h的能耗。小型 LNG衛(wèi)星站處理 BOG量并不多，僅3.43t/d，儲罐壓力0.8～1.0MPa，處理每千克BOG只節(jié)能 0.02kg/h，且小型 LNG衛(wèi)星站無法持續(xù)為BOG的冷凝提供持續(xù)冷源。

2 大連LNG接收站BOG回收優(yōu)化方案

2.1 直接壓縮工藝能耗分析

以流量為 1000kg/h的天然氣以氣液兩態(tài)分別用泵和壓縮機(jī)運(yùn)送，進(jìn)出口溫度相同，兩者輸送機(jī)功率見表1。

表1 壓縮機(jī)和泵功率對比表

（1）序號1～10實驗數(shù)據(jù)對比可看出，在相同進(jìn)出口壓力條件下，壓縮機(jī)的功耗始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泵的功耗。

（2）序號1～6為進(jìn)出口壓差相同情況下，壓縮機(jī)和泵功率與流體進(jìn)口壓力p1關(guān)系見圖3。當(dāng)進(jìn)出口壓力差不變時，泵的功率與進(jìn)口壓力無關(guān)且保持不變，而壓縮機(jī)功率則隨進(jìn)口壓力p1增加而顯著減小，這是由于液體密度基本和壓力無關(guān)，而氣體密度隨進(jìn)口壓力增加而增大（進(jìn)口溫度相同），單位重量氣體獲得的靜壓能減小，壓縮機(jī)功率也隨之降低。進(jìn)口氣體壓力越小，則泵和壓縮機(jī)功率差異越大，泵的節(jié)能效果就越顯著。

圖3 壓縮機(jī)和泵功率N與流體進(jìn)口壓力p1關(guān)系

圖4 壓縮機(jī)和泵功率N與流體進(jìn)出口壓差p2－p1關(guān)系

（3）序號7～10對應(yīng)的壓縮機(jī)功率和泵功率對流體進(jìn)出口壓差 p2－p1見圖 4，當(dāng)進(jìn)出口壓力保持不變，而進(jìn)出口壓力差 p2－p1不斷變大時，壓縮機(jī)和泵的功率都隨進(jìn)出口壓差增大而增大，但壓縮機(jī)的功耗增大幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泵，泵的節(jié)能效果隨進(jìn)出口壓差p2－p1增大而變得更為顯著。

2.2 再冷凝工藝耗能影響因素

BOG冷凝系統(tǒng)主要設(shè)備是BOG再冷凝器和壓縮機(jī)，主要工藝參數(shù)是完全冷凝BOG的LNG用量和BOG壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力。

優(yōu)化BOG再冷凝工藝，運(yùn)用Aspen進(jìn)行流程模擬，對BOG壓縮機(jī)出口壓力、BOG溫度、物料比（再冷凝器中將BOG氣體全部冷凝所需最少LNG 與BOG的質(zhì)量比）進(jìn)行模擬對比分析，提出利用高壓LNG對增壓后的BOG進(jìn)行預(yù)冷，降低物料比從而降低BOG壓縮機(jī)能耗的高壓流程。BOG再冷凝工藝流程如圖2?，F(xiàn)有BOG再冷凝工藝主要運(yùn)行參數(shù)如表2。

2.2.1 壓縮機(jī)出口壓力對再冷凝工藝的影響

將 BOG操作壓力 0.13MPa壓縮至 0.25～0.75MPa，利用Aspen軟件進(jìn)行全程模擬。設(shè)定本研究LNG輸出量為218000kg/h，BOG量為8400kg/h，分別對BOG操作壓力從初始壓力0.13MPa壓縮至0.25～0.75MPa過程中進(jìn)行全程模擬。模擬結(jié)果見表 3。從表3中可以看出，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力持續(xù)增大時，冷凝定量BOG所需LNG的量不斷減少，即物料比進(jìn)一步減小，原因在于當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力越高，對應(yīng)的冷凝溫度越高，冷凝定量BOG所需的LNG量越少，即物料比變小。功耗方面，除高壓泵功耗與壓力大小呈負(fù)相關(guān)以外，罐內(nèi)泵消耗與壓縮功耗都與壓縮機(jī)出口壓力呈正相關(guān)關(guān)系，其中，高壓泵相對壓縮機(jī)功耗變化幅度小，說明總功耗的增加是由于壓縮機(jī)功耗增加所引起的，因此在以減小物料比為目標(biāo)的同時，存在總能耗不斷增大的矛盾，在實際操作中，在確保LNG能夠完全將BOG冷凝的條件下，應(yīng)當(dāng)盡可能降低壓縮機(jī)出口壓力，以減少壓縮機(jī)耗功。

2.2.2 溫度對物料比的影響

由表2可以看出，BOG氣體在經(jīng)過壓縮機(jī)以后溫度會從極低變高，再迅速降低，說明 LNG在冷凝器中承擔(dān)兩方面工作，一是要液化從壓縮機(jī)進(jìn)入的BOG氣體，第二要為壓縮后的BOG降溫過程提供冷量，大大提高了 LNG的流入量，即提高了物料比。如果在 BOG進(jìn)入冷凝器之前就進(jìn)行預(yù)冷，就會減少LNG用于給BOG降溫的那部分用量，減小物料比。

利用ASPEN軟件對再冷凝過程中物料比用量隨 BOG溫度變化關(guān)系進(jìn)行模擬，其中壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力分別為0.13MPa、0.65MPa。結(jié)果如表4。從表中可以看出，物料比隨 BOG進(jìn)入再冷凝器溫度的降低而降低，這是當(dāng) BOG進(jìn)入冷凝器的溫度降低時，用于給BOG氣體降溫所需的那部分LNG量減少。這樣可以降低進(jìn)入再冷凝器之前的BOG溫度從而在保持物料比變化不大情況下通過減小壓縮機(jī)出口壓力從而降低壓縮機(jī)能耗。

表3 壓縮機(jī)出口壓力與物料比和功耗關(guān)系

表4 BOG溫度對物料比的影響

2.3 綜合回收BOG工藝

當(dāng)系統(tǒng)沒有持續(xù)冷能供應(yīng)時，利用壓縮機(jī)處理BOG氣體，BOG氣體通過a-b-c-n流程經(jīng)過低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)將BOG氣體壓縮至管網(wǎng)壓力，直接外輸。

當(dāng)系統(tǒng)有持續(xù)冷能供應(yīng)時，BOG氣體通過a-b-d-k--（i/j）-l-m流程進(jìn)行再冷凝處理，汽化外輸，低壓壓縮機(jī)壓縮來自緩沖分離罐的BOG氣體，在預(yù)冷器中換熱降溫，與來自儲罐中的 LNG在再冷凝器中混合，將BOG氣體液化，經(jīng)高壓泵L送至預(yù)冷器和汽化器中，汽化外輸。

2.4 綜合回收節(jié)能分析（見圖5）

該系統(tǒng)優(yōu)先選取再冷凝路線，當(dāng)系統(tǒng)沒有持續(xù)供冷時，也能夠通過高壓壓縮機(jī)將儲罐及管網(wǎng)內(nèi)BOG氣體壓縮至外輸管網(wǎng)壓力并外輸，回收因壓力過高而放空的那部分BOG氣體。

由表4數(shù)據(jù)可以得出，BOG從壓縮機(jī)送至再冷凝器時，BOG的溫度越低，物料比越小，即當(dāng)進(jìn)入再冷凝器的 BOG氣體溫度越低，液化一定量的BOG氣體所需的LNG量越少，能夠利用再液化這一流程的范圍越廣，節(jié)能越明顯。此處的預(yù)冷器 J還可以解決接收站 LNG輸出量波動時引起的物料比與BOG出口壓力之間的矛盾以及彌補(bǔ)降低壓縮機(jī)出口壓力所導(dǎo)致的物料比增加的損失，這樣就可以在保持物料比變化不大的情況下通過降低壓縮機(jī)出口壓力從而降低壓縮機(jī)的能耗。

當(dāng)系統(tǒng)在再冷凝工作狀態(tài)下，對比圖5與圖2，在進(jìn)入再冷凝器前由預(yù)冷器預(yù)冷至-120℃。表5是改進(jìn)之后壓縮機(jī)出口壓力所對應(yīng)的物料比及壓縮機(jī)能耗，由于降低了進(jìn)入再冷凝器BOG的溫度，因此冷凝單位質(zhì)量的BOG所需LNG的量就減少，即物料比減小。此時，要保持相同的物料比，即可減小壓縮機(jī)出口壓力，即壓縮機(jī)功耗降低。

壓縮機(jī)功耗與出口壓力成正比關(guān)系，系統(tǒng)改進(jìn)前后物料比與壓縮機(jī)功耗的關(guān)系如圖 6。從圖中可以看出:當(dāng)物料比一定時，改進(jìn)之后的壓縮機(jī)功耗明顯降低，比如，當(dāng)物料比為4.9時，改進(jìn)后壓縮機(jī)功耗為 377.0kW，對應(yīng)改進(jìn)前壓縮機(jī)功耗約601.9kW，減少了224.9kW，節(jié)約能耗37.4%，說明改進(jìn)以后節(jié)能效果明顯。

圖5 BOG綜合回收流程圖

表5 改進(jìn)后再冷凝系統(tǒng)中壓縮機(jī)出口壓力與物料比、壓縮機(jī)功耗關(guān)系

圖6 改進(jìn)前后物料比與壓縮機(jī)關(guān)系曲線圖

3 結(jié) 論

本研究分析了現(xiàn)有BOG回收的兩種主要工藝，對原先工藝流程進(jìn)行了改進(jìn)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）冷凝工藝比直接壓縮工藝更加節(jié)能。

（2）增加一個高壓壓縮機(jī)，當(dāng)LNG輸出量不足夠提供BOG冷凝時，通過高壓壓縮機(jī)直接壓縮至外輸管網(wǎng)壓力后直接外輸，減少了因儲罐及管網(wǎng)壓力過大而放空所產(chǎn)生的浪費(fèi)。

（3）增加預(yù)冷器，降低進(jìn)入再冷凝器BOG溫度，降低物料比，減少 LNG用量，使再冷凝系統(tǒng)要求的 LNG流量最低限度進(jìn)一步放低。增加再冷凝系統(tǒng)的可用范圍。同時，解決接收站 LNG輸出量波動所引起的物料比與 BOG出口壓力之間的矛盾，彌補(bǔ)因減小低壓壓縮機(jī)出口壓力所導(dǎo)致的物料比增加的損失，這樣就可以在保持物料比變化不大的情況下通過降低壓縮機(jī)出口壓力從而降低壓縮機(jī)的能耗，通過計算，節(jié)約能耗約37.4%。

參 考 文 獻(xiàn)

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The optimization of BOG recycling at LNG receiving terminal

CAO Yuchun，CHEN Qichao，CHEN Yafei，HU Weiya
（School of Petroleum Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，Jiangsu，China）

Abstract：With the Dalian liquefied natural gas （LNG） terminal as the example，the boil off gas （BOG）treatment process was analyzed using Aspen software. The combined operations of BOG re-condensation liquefaction and direct compression was proposed，as well as adding pre-cooling device in the re-condensing process . The analysis results show that if the receiving station can supply sufficient amount of LNG stably，the re-condensation process route will be chosen in priority，otherwise the system will be switched to the high-pressure compression process line automatically，and transported LNG to the pipe network directly. In this way，it can resolve the energy waste problem caused by the BOG release due to excess pressure in the tanks and pipelines. In the re-condensation process with the pre-cooling device，37.4% energy consumption can be saved compared with the one without.

Key words：liquefied natural gas （LNG）；boil off gas （BOG）；re-condensed； direct compression；pre-cooling

中圖分類號：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1561-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.045

收稿日期：2015-10-26；修改稿日期：2015-11-31。

基金項目：常州市科協(xié)自然基金項目（常科協(xié)〔2011〕40號）。