LNG接收站BOG再冷凝工藝HYSYS模擬及優(yōu)化①

汪蝶　張引弟　楊建平　伍麗娟

1.長江大學石油工程學院　2.中國石油遼河油田公司SAGD開發(fā)項目管理部

?

LNG接收站BOG再冷凝工藝HYSYS模擬及優(yōu)化①

汪蝶1張引弟1楊建平2伍麗娟1

1.長江大學石油工程學院2.中國石油遼河油田公司SAGD開發(fā)項目管理部

在BOG的再冷凝工藝流程中，主要能耗來源于壓縮機。為了減少BOG的壓縮能耗，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，分析了BOG壓縮過程壓力比焓(p-H)的變化，并運用HYSYS對原有BOG處理工藝流程進行了模擬研究，由此對工藝流程和系統(tǒng)作了改進及優(yōu)化。結(jié)果表明，改進后的工藝流程比原有工藝流程壓縮機能耗降低約15.5%，最小物料比也相對減少，兩者降低有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

BOG再冷凝HYSYS模擬節(jié)能優(yōu)化

LNG具有解決遠海和荒漠地區(qū)氣田開發(fā)、回收邊遠氣田天然氣等優(yōu)點，因而得到了廣泛的運用[1-2]。LNG具有低溫特性，由于設(shè)備漏熱、產(chǎn)熱、作業(yè)過程中儲罐與船艙的壓差等因素，接收站系統(tǒng)將產(chǎn)生一定量的蒸發(fā)氣體(BOG)[3]。BOG的處理工藝是LNG接收站的核心工藝[4-6]。結(jié)合氣化外輸壓力、最小外輸流量以及能源利用的合理性等因素，BOG氣體處理工藝的優(yōu)先順序為：①返回LNG船填補艙壓；②返回LNG儲罐；③再液化；④直接壓縮；⑤燃料氣利用；⑥火炬燃燒或儲罐壓力安全閥放空[7]。2009年楊志國等通過調(diào)節(jié)BOG壓縮機壓縮比、物料比等再冷凝工藝參數(shù)，實現(xiàn)BOG再冷凝工藝的優(yōu)化運行。并針對BOG再冷凝工藝能耗偏高的問題，提出利用高壓LNG預冷增壓后的BOG，降低BOG壓縮機壓縮比的工藝流程[3,8]。2014年徐天源等從熱力學的角度提出了BOG多級壓縮再冷凝工藝，通過調(diào)節(jié)壓縮機的壓縮系數(shù)和BOG分流比達到減少壓縮機能耗的目的[9]。本文針對BOG再冷凝過程中壓縮機能耗較大的問題，運用BOG再冷凝工藝中BOG與LNG的壓力比焓(p-H)圖，從理論上分析了工藝優(yōu)化的可行性。在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)有BOG再冷凝處理工藝進行改進，通過分析各種因素對壓縮機能耗的影響，達到減少壓縮機能耗、保障系統(tǒng)平穩(wěn)運行的效果；同時通過對物料比的分析，進一步驗證了改進方案的可行性。

1　BOG再冷凝液化工藝

BOG直接壓縮工藝中，BOG經(jīng)壓縮機加壓、計量加臭后以高壓天然氣進入外輸管網(wǎng)供下游用戶使用。直接壓縮工藝適用于小型LNG衛(wèi)星站處理BOG；BOG再冷凝液化工藝中，BOG經(jīng)壓縮機加壓后進入再冷凝器，與一部分過冷LNG換熱，形成液態(tài)，并與剩余LNG一起通過高壓泵加壓，進入氣化器氣化，再外輸。再冷凝工藝適用于大型LNG接收站處理BOG。其工藝流程如圖1所示[10-13]。

再冷凝器主要有3個功能：①冷凝BOG；②作為LNG高壓泵的入口緩沖罐；③再冷凝器內(nèi)部液位高度可滿足LNG高壓泵入口NPSH的要求[14]。將LNG加壓，使其成為過冷液體，再與高壓的BOG換熱，控制LNG的流量，可以使經(jīng)過再冷凝器的BOG正好變成飽和狀態(tài)的LNG，此時的LNG流量是再冷凝器的最小流量。

2　BOG再冷凝工藝壓力比焓圖分析及優(yōu)化

LNG經(jīng)過罐內(nèi)低壓泵加壓，壓力增大，溫度基本不變，泡點溫度隨壓力增大而升高，由式(1)[15]可知，此時LNG擁有一定的過冷度，稱為過冷LNG。LNG低壓泵吸入的LNG狀態(tài)為飽和液體，經(jīng)過低壓泵加壓后，輸出LNG的狀態(tài)為過冷液體。

過冷LNG具有的冷能為：

Q=cm(T2-T1)

(1)

式中：c為LNG比熱容；m為LNG質(zhì)量；T1為LNG經(jīng)液下泵后溫度；T2為LNG的泡點溫度。

為了對BOG再冷凝工藝進行優(yōu)化，降低壓縮機能耗。利用經(jīng)低壓泵加壓的具有較大冷能的LNG對經(jīng)第一級壓縮機加壓的BOG進行預冷，降低第二級壓縮機入口BOG的溫度，減少壓縮能耗。對BOG的壓縮過程原有工藝和改進工藝進行熱力學分析，圖2為BOG再冷凝原有工藝及改進工藝的壓力比焓比較圖。

圖2中等溫線為其中4個不同溫度下的等溫線。ABE線(直線)為原有BOG壓縮過程。ABCD是在原有工藝的基礎(chǔ)上改進的BOG壓縮過程，BOG緩沖罐出來的BOG經(jīng)一級壓縮機加壓到B點，與經(jīng)過低壓泵加壓的具有較大冷能的LNG換熱，降溫到C點后經(jīng)第二級壓縮機加壓得到所需的壓力D點。在相同的壓縮比時，原有工藝的比焓變化為Q3；改進工藝的比焓為Q1+Q2。

原有工藝壓縮過程：BOG經(jīng)A、B、E壓縮過程，壓縮機械功耗為：

W1=Q3·F/η

(2)

改進工藝壓縮過程：BOG經(jīng)A、B、C、D壓縮過程，壓縮機械功耗為：

W2=(Q1+Q2)·F/η

(3)

式中：W1為原有工藝壓縮機功耗，kJ/h；W2為改進工藝壓縮機功耗，kJ/h；F為進入壓縮機BOG的質(zhì)量流量，kg/h；η為壓縮機的機械效率，%。

在進入壓縮機BOG的質(zhì)量流量F和壓縮機機械效率η一定的情況下，從圖2中可以看出,Q3>Q1+Q2，故W1>W2；在第二級壓縮機BOG出口壓力一定的情況下，Q1、Q2隨第一級壓縮機出口壓力(即B點的位置)和第二級壓縮機BOG入口溫度(即C點的位置)的變化而變化，通過同時調(diào)節(jié)第一級壓縮機的出口壓力和第二級壓縮機BOG的入口溫度可以得到最佳節(jié)能工藝，即使Q1+Q2最小化，工藝流程最優(yōu)化。

3　BOG再冷凝工藝流程HYSYS模擬

由上一節(jié)的分析可知，經(jīng)低壓泵加壓后的LNG具有一定的冷能；通過對一級壓縮后的BOG預冷到適當?shù)臏囟龋龠M行第二級壓縮可以達到減少壓縮能耗，進而減少總能耗的目的?；诖嗽?，對原有工藝進行改進，運用經(jīng)低壓泵加壓后的具有一定冷能的LNG對一級壓縮后的BOG預冷，并對工藝流程進行了參數(shù)優(yōu)化。

3.1物性參數(shù)

以國內(nèi)某常規(guī)LNG接收站BOG再冷凝系統(tǒng)工藝流程為例，運用HYSYS軟件對設(shè)計工況下的運行參數(shù)進行模擬。儲罐的日蒸發(fā)率(質(zhì)量分數(shù))為0.005%。取BOG的質(zhì)量流量為3 500 kg/h。再冷凝器壓力越高，節(jié)能越少，考慮到操作方便等因素，再冷凝器壓力一般控制在0.6～0.9 MPa[16]。本研究選取壓縮機壓力工況在0.5～1.1 MPa進行模擬。在流程模擬中壓縮機和泵的效率按75%計算，這與實際工程相吻合。

LNG接收站LNG組分列于表1。

表1　LNG組分Table1　CompositionofLNGLNG組分C1C2C3i-C4n-C4N2y/%96.231.770.380.060.051.51

3.2原有BOG再冷凝工藝

因BOG壓縮過程中升壓大，壓縮機單級壓縮比不宜超過3.5，BOG壓縮機實際為多級串聯(lián)壓縮機[2]。BOG經(jīng)壓縮機加壓后，在再冷凝器中與一部分經(jīng)低壓泵增壓的LNG進行換熱冷凝后，與另一部分LNG一起經(jīng)高壓泵加壓?，F(xiàn)有BOG再冷凝工藝如圖3所示。

3.3LNG中間預冷的二級壓縮BOG再冷凝工藝

LNG和BOG在進入再冷凝器進行熱交換之前，加壓設(shè)備中壓縮機占了主要的能耗。用經(jīng)過低壓泵加壓的過冷LNG對一級壓縮機出口的BOG氣體進行預冷，使進入第二級壓縮機BOG的溫度降低，從而達到減小壓縮功、保障系統(tǒng)平穩(wěn)運行的目的。改進的LNG中間預冷的二級壓縮BOG再冷凝工藝見圖4。

4　兩種方案各種因素分析比較

影響能耗和最小物料比的因素主要有壓縮機出口壓力、預冷器出口BOG溫度等，模擬過程中運用單一變量法對各種因素進行能耗和最小物料比的影響分析，并繪制變化趨勢圖。

4.1再冷凝器入口BOG壓力對能耗和物料比的影響

對于改進工藝流程，在各再冷凝器入口(即物流3)壓力條件下調(diào)節(jié)第一級壓縮機出口(即物流1)壓力，得到對應再冷凝器入口壓力條件下的最小能耗，即在不同再冷凝器入口壓力條件時，最優(yōu)工藝條件下的能耗。以BOG溫度為-130 ℃的工況為例進行模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著再冷凝器入口BOG壓力的增加，壓縮機所需能耗增加，且壓力越高，改進后工藝壓縮機節(jié)能效率越高。最小物料比(在再冷凝器中將BOG全部冷凝所需要最少的LNG質(zhì)量與BOG質(zhì)量的比)隨再冷凝器入口BOG壓力增加而減少，這是因為再冷凝器入口壓力越高，為了滿足工藝要求，低壓泵的出口壓力也需相應地增加。由式(1)可知，LNG具有的冷能也相應增加，對BOG進行冷卻時所需的LNG量則相應減少，從而使最小物料比較少。由于再冷凝器入口壓力越高，BOG經(jīng)壓縮后溫度也越高，故改進后工藝所需最小物料比略有減少。

4.2一級壓縮機出口壓力對能耗的影響

改進方案中以第一級壓縮機入口BOG溫度為-130 ℃，再冷凝器入口(即物流3)壓力為600 kPa工況為例進行模擬，在壓縮機入口BOG溫度和再冷凝器入口壓力一定的情況下，改變第一級壓縮機出口(即物流1)壓力，得到能耗與第一級壓縮機出口壓力之間的關(guān)系圖，如圖6所示。

由圖6可知，對于壓縮機入口溫度為-130 ℃、再冷凝器入口壓力為600 kPa的BOG，隨著第一級壓縮機出口壓力的增加，一級壓縮機的能耗增加，二級壓縮機的能耗減小，而低壓泵的能耗(最小物料比時，低壓泵所需的能耗)相對于壓縮機能耗很小，且受一級壓縮機出口壓力的影響較小。在第一級壓縮機出口壓力為255 kPa時，所需能耗最小。此時，相對于改進前工藝在相同工況下的壓縮機能耗，改進工藝壓縮機能耗減少了15.5%。

4.3二級壓縮機入口溫度對能耗和物料比的影響

改進方案中以第一級壓縮機入口BOG溫度為-130 ℃，再冷凝器入口(即物流3)壓力為600 kPa工況為例進行模擬，在第一級壓縮機入口BOG溫度和再冷凝器入口壓力一定的情況下，改變第二級壓縮機入口(即物流2)溫度，得到能耗與第二級壓縮機入口溫度之間的關(guān)系圖，如圖7所示。

由圖7可知，隨著二級壓縮機入口溫度的降低，壓縮機能耗減少。在二級壓縮機入口溫度從-90 ℃降低到-135 ℃的過程中，壓縮機能耗減少15.98%，物料比減少4.17%。從壓縮機能耗和物料比的變化情況可以看出，降低溫度有利于節(jié)能，但考慮到設(shè)備性能的要求，二級壓縮機入口溫度不能太低。

5　結(jié) 論

在BOG再冷凝工藝中，相對于低壓泵加壓LNG的能耗，壓縮機加壓BOG的能耗較大。而經(jīng)低壓泵加壓后的LNG具有一定的冷能，通過對一級壓縮后的BOG進行預冷，可以達到減少總能耗的目的?；诖嗽恚瑢ΜF(xiàn)有工藝流程進行改進，并利用HYSYS軟件對相應的工藝流程進行模擬分析得到以下結(jié)論：

(1) 對于普通LNG接收站，運用帶LNG預冷的二級壓縮BOG再冷凝工藝，壓縮機的能耗可減少15.5%。

(2) 壓縮機所需能耗隨再冷凝器入口BOG壓力增加而增加，且壓力越高，改進后工藝壓縮機節(jié)能效率越高；最小物料比隨再冷凝器入口BOG壓力增加而減少；帶LNG預冷的二級壓縮BOG再冷凝工藝適合BOG進再冷凝器壓力較大的LNG接收站。

(3) 壓縮機能耗隨二級壓縮機入口溫度的降低而減少，二級壓縮機入口溫度從-90 ℃降低到-135 ℃的過程中，壓縮機能耗減少15.98%，最小物料比減少4.17%。帶LNG預冷的二級壓縮BOG再冷凝工藝對于壓縮機入口BOG溫度較高的LNG接收站，其節(jié)能效果更明顯。

[1] 李亞軍, 陳行水. 液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝工藝控制系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 低溫工程, 2011(3): 44-49.

[2] 李亞軍, 陳蒙. LNG接收站BOG多階壓縮再液化工藝優(yōu)化分析[J]. 化工學報, 2013, 64(3): 986-992.

[3] 楊志國, 李亞軍. 液化天然氣接收站蒸發(fā)氣體再冷凝工藝的優(yōu)化[J]. 化工學報, 2009, 60(11): 2876-2881.

[4] 王赟, 賀三, 戰(zhàn)永輝, 等. 移動式小型BOG增壓再液化裝置功耗的模擬計算[J]. 油氣儲運, 2015, 34(6): 662-666.

[5] 陳雪, 馬國光. 流程參數(shù)對LNG接收終端蒸發(fā)氣再冷凝工藝流程性能的影響[J]. 石油與天然氣化工, 2008, 37(2): 100-104.

[6] 鄧勵強, 呂志軍, 李寧, 等. LNG接收站再冷凝系統(tǒng)穩(wěn)定性動態(tài)模擬研究[J]. 石油與天然氣化工, 2016, 45(2): 33-38.

[7] 付子航. LNG接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計計算模型[J]. 天然氣工業(yè), 2011, 31(1): 83-85.

[8] 楊志國, 李亞軍. 液化天然氣接收站再冷凝工藝優(yōu)化研究[J]. 現(xiàn)代化工, 2009, 29(11): 74-77.

[9] 徐天源, 冉田詩璐. LNG接收站蒸發(fā)氣再冷凝工藝改進及性能分析[J]. 化學工程師, 2014, 28(7): 57-61.

[10] 王小尚, 劉景俊, 李玉星, 等. LNG接收站BOG處理工藝優(yōu)化——以青島LNG接收站為例[J]. 天然氣工業(yè), 2014, 34(4): 125-130.

[11] 金光, 李亞軍. LNG接收站蒸發(fā)氣體處理工藝[J]. 低溫工程, 2011(1): 51-56.

[12] 孫憲航, 陳保東, 張莉莉, 等. 液化天然氣BOG的計算方法與處理工藝[J]. 油氣儲運, 2012, 31(12): 931-933.

[13] PARK C, SONG K, LEE S, et al. Retrofit design of a boil-off gas handling process in liquefied natural gas receiving terminals[J]. Energy, 2012, 44(1): 69-78.

[14] 李兆慈, 王敏, 亢永博. LNG接收站BOG的再冷凝工藝[J]. 化工進展, 2011, 30(增刊1): 521-524.

[15] 楊志國. LNG 儲運過程中BOG再冷凝器工藝的優(yōu)化[D]. 廣州: 華南理工大學, 2010: 50-51.

[16] 王文凱, 李兆慈, 蓋曉峰, 等. LNG接收站BOG再冷凝系統(tǒng)操作參數(shù)優(yōu)化[J]. 天然氣與石油, 2015, 33(2): 46-52.

HYSYS simulation and optimization of BOG recondensation process at LNG receiving terminal

Wang Die1， Zhang Yindi1， Yang Jianping2， Wu Lijuan1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan430100,China； 2.SAGDDevelopmentProjectManagementDepartmentofLiaoheOilfieldCompany,PetroChina，Panjing124010，China)

During the BOG recondensation process, the work of compressor is the main energy consumption. This paper aimed to reduce the energy consumption in BOG treatment process and ensure the stability of the system. Based on the analysis of pressure-enthalpy (p-H) variation in BOG compression process, the BOG treatment process is simulated by HYSYS. And then the process and system are optimized in this paper. The results show that the optimized system energy costs 15.5% less than the original system, and the minimal material ratio also diminishes. Both decreases in optimized system are useful for the stable operation of the system.

BOG, recondensation, HYSYS simulation, energy conservation, optimization

國家自然科學基金“co2氣氛下煤及碳氫燃料燃燒碳煙顆粒物(Soot)的形成機制”(51306022)；湖北省自然科學基金“co2氛圍下煤粉火焰揮發(fā)組分中碳煙顆粒物(Soot)的形成機制研究”(2013CFB398)；中國石油科技創(chuàng)新基金“稠油熱采地面注汽鍋爐熱能高效利用及co2富集驅(qū)油聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研究”(2015D-5006-0603)；長江青年科技創(chuàng)新團隊基金“頁巖氣采輸流動保障及應用新技術(shù)”(2015cqt01)。

汪蝶(1990-)，女，湖北天門人，長江大學在讀碩士生，現(xiàn)主要從事油氣儲運工程專業(yè)燃氣方向的研究工作。E-mail：1303077975@qq.com

TE965

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.007

2016-04-19；編輯：康莉