LNG接收站BOG再液化工藝選擇

賈蓉蓉，王啟拓，張 歡

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062550）

BOG（Boiling-Off Gas）的生成是由于低溫LNG從環(huán)境中吸收熱量氣化所致，其生成量與操作工況和氣象條件等因素有關(guān)，具有低溫和生成量不穩(wěn)定等特點(diǎn)。BOG處理系統(tǒng)可將接收站在各種工況下產(chǎn)生的BOG回收利用，從而為接收站的安全節(jié)能運(yùn)行提供保障，達(dá)到減少資源浪費(fèi)，降低運(yùn)營(yíng)成本的目的。在整個(gè)LNG接收站的工藝系統(tǒng)中，BOG處理系統(tǒng)是接收站的核心部分，是LNG接收站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。如何正確合理地回收BOG是LNG接收站工藝的關(guān)鍵[1]。

當(dāng)接收站下游存在氣態(tài)外輸管網(wǎng)時(shí)，回收產(chǎn)品可為氣態(tài)或液態(tài)形式。以氣態(tài)形式回收，可供選擇的回收工藝有再冷凝、直接增壓外輸。當(dāng)外輸氣量滿足再冷凝運(yùn)行條件時(shí)，利用再冷凝工藝進(jìn)行BOG處理回收；當(dāng)外輸氣量較小，達(dá)不到再冷凝器運(yùn)行條件時(shí)，蒸發(fā)氣經(jīng)BOG壓縮機(jī)及高壓外輸氣壓縮機(jī)相繼加壓后直接外輸[1-4]。以液態(tài)形式回收，可供選擇的回收工藝有膨脹制冷、混合冷劑制冷、高壓射流制冷再液化工藝。針對(duì)LNG接收站建設(shè)周期較長(zhǎng)，投產(chǎn)初期常存在下游外輸氣態(tài)分銷管網(wǎng)配套建設(shè)滯后問(wèn)題，建站初期BOG回收工藝只能選擇再液化。本文通過(guò)對(duì)幾種再液化工藝進(jìn)行綜合分析，為其他同類工程項(xiàng)目更好的選擇BOG處理工藝提供一定的參考。

1 BOG再液化工藝

BOG再液化是指來(lái)自LNG儲(chǔ)罐的BOG氣體，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)加壓后，進(jìn)入再液化裝置，液化成過(guò)冷LNG回到LNG儲(chǔ)罐。液化流程主要有膨脹制冷、混合冷劑制冷、高壓射流制冷等，下面就對(duì)這幾種液化回收工藝進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 膨脹制冷

膨脹機(jī)制冷循環(huán)是指利用高壓制冷劑通過(guò)透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷來(lái)實(shí)現(xiàn)天然氣的液化。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫輸出功，驅(qū)動(dòng)流程中的壓縮機(jī)。在操作頻繁且要求快速啟停的調(diào)峰型裝置中，膨脹制冷工藝得到很好的應(yīng)用[5]。根據(jù)制冷劑的不同，膨脹制冷工藝可分為：氮?dú)馀蛎浿评涔に嚒⒌?甲烷膨脹制冷工藝、天然氣膨脹制冷工藝。

膨脹制冷的優(yōu)點(diǎn)是[5,6]：①制冷工藝流程非常簡(jiǎn)單、緊湊，造價(jià)略低，起動(dòng)快，熱態(tài)起動(dòng)2～4h即可獲得滿負(fù)荷產(chǎn)品，運(yùn)行靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，對(duì)原料氣組成變化有較大的適應(yīng)性，易于操作和控制；②采用氣體狀態(tài)的天然氣或氮?dú)庾鳛檠h(huán)制冷劑，省去分離和儲(chǔ)存制冷劑的麻煩，避免了由此帶來(lái)的安全問(wèn)題；③采用單相氣態(tài)制冷劑，使液化冷箱更簡(jiǎn)化和緊湊。

膨脹制冷工藝的缺點(diǎn)是：①能耗高，由于氮?dú)馀蛎浱峁┑臐撛诶淞枯^少，主要以顯熱而非潛熱的形式提供冷量，使LNG產(chǎn)能低；②天然氣膨脹制冷工藝產(chǎn)品液化率較低。

采用氮膨脹制冷回收BOG時(shí)，來(lái)自儲(chǔ)罐的BOG經(jīng)過(guò)BOG壓縮機(jī)加壓后，與冷箱內(nèi)氮膨脹用于小型裝置。制冷換熱，BOG液化為L(zhǎng)NG。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥減壓后排入LNG儲(chǔ)罐。氮膨脹制冷工藝如圖1所示。

圖1 氮膨脹制冷工藝簡(jiǎn)圖

1.2 高壓射流制冷

高壓射流制冷屬于一種直冷液化方式，將天然氣壓縮至一定的壓力，通過(guò)引射式的噴嘴產(chǎn)生的等熵節(jié)流效應(yīng)，在噴嘴部分產(chǎn)生超音速和低溫，使天然氣得以液化。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)快，操作方便，無(wú)需冷劑的調(diào)配，在小規(guī)模的天然氣液化領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。高壓射流制冷一次液化率約為30%，需大量循環(huán)壓縮天然氣，當(dāng)系統(tǒng)中不凝氣含量較高時(shí)，由于不凝氣的循環(huán)，導(dǎo)致能耗上升，且不凝氣排除需損耗較多的天然氣。

采用高壓射流制冷回收BOG時(shí)，來(lái)自儲(chǔ)罐的BOG加壓至20MPa(G)[7]，經(jīng)過(guò)逐漸冷卻至高于介質(zhì)臨界溫度10℃左右，然后分別進(jìn)入二級(jí)噴射器噴射制冷，液化BOG。在噴射過(guò)程中，噴射器也吸入整個(gè)液化過(guò)程中新產(chǎn)生的BOG，重新進(jìn)入液化循環(huán)，回收利用。噴射制冷工藝如圖2所示。

圖2 噴射制冷工藝

1.3 混合冷劑制冷

混合制冷制冷以C1～C5碳?xì)浠衔锖蚇2等多組分作為制冷劑，利用其逐級(jí)蒸發(fā)、節(jié)流膨脹的冷量進(jìn)行制冷的液化工藝，也可以在混合制冷前增加預(yù)冷，使其適用于較大型天然氣液化項(xiàng)目[5,6]。

混合冷劑制冷工藝的優(yōu)點(diǎn)是：流程簡(jiǎn)單，設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，管理方便，混合制冷劑組分可以部分從原料氣提取，能耗較高壓射流和膨脹機(jī)制冷低。缺點(diǎn)是：混合制冷劑的合理配比較困難，制冷劑壓縮機(jī)維護(hù)技術(shù)要求高[5,6]?；旌侠鋭┑囊夯に嚾鐖D3所示。

圖3 混合冷劑制冷工藝簡(jiǎn)圖

2 BOG再液化工藝方案選擇

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

工作介質(zhì) BOG

壓 力 18kPa(G)

溫 度 -162℃

典型BOG氣體組成見(jiàn)表1。

表1 BOG氣體組成及含量表

2.2 工藝比選

在無(wú)氣態(tài)外輸管網(wǎng)時(shí)，由于BOG不能氣化后進(jìn)入外輸管網(wǎng)，只能通過(guò)再液化方式進(jìn)行回收處理。具體的回收路線為：先將儲(chǔ)罐內(nèi)的-162℃低溫BOG通過(guò)空溫式氣化器復(fù)熱，然后再通過(guò)壓縮機(jī)增壓，最后進(jìn)入再液化裝置。根據(jù)第1節(jié)所述，再液化工藝又可分為膨脹制冷、混合冷劑制冷和高壓射流制冷，各種回收處理工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)BOG組分、處理量等進(jìn)行選擇匹配和優(yōu)化，下面就對(duì)BOG再液化工藝方案進(jìn)行詳細(xì)比選。

2.2.1 工藝特點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)第1節(jié)所述不同BOG再液化工藝方案簡(jiǎn)介，將其工藝特點(diǎn)對(duì)比列于表2。

表2 BOG再液化回收工藝比較

三種工藝比較來(lái)看，區(qū)別主要在于以下幾個(gè)方面：

①工藝流程及操作復(fù)雜程度：高壓射流制冷工藝最為簡(jiǎn)單，膨脹制冷工藝較復(fù)雜，混合冷劑制冷最為復(fù)雜。

②負(fù)荷調(diào)整：三種工藝均能適應(yīng)操作彈性要求，當(dāng)BOG處理量較大，需要設(shè)置多套高壓射流制冷系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)控制運(yùn)行的高壓射流裝置臺(tái)數(shù)適應(yīng)BOG處理量，理論能耗較低；膨脹制冷和混合冷劑制冷通過(guò)回流方式實(shí)現(xiàn)，理論能耗較高。

③組分中氮?dú)夂恳螅号蛎浿评浜突旌侠鋭┲评湓谝夯^(guò)程中可以將氮?dú)獠荒龤馀懦?，?duì)原料氣中氮?dú)夂繜o(wú)要求；高壓射流工藝一次液化率只有30%，其余氣體作為循環(huán)氣，隨原料氣中氮?dú)夂可?，?dǎo)致不凝氣循環(huán)量增加，能耗上升。

④適應(yīng)處理規(guī)模：?jiǎn)翁赘邏荷淞鬟m應(yīng)處理規(guī)模最小，僅有 10×104Nm3/d （φ(N2)≤10%情況下）；膨脹制冷適應(yīng)處理規(guī)模較小，為20×104Nm3/d；混合冷劑適應(yīng)處理規(guī)模最大，大于20×104Nm3/d均可。

⑤單位能耗：混合冷劑單位能耗最低，膨脹制冷單為能耗最高，高壓射流單位能耗介于二者之間。

⑥技術(shù)成熟度和工藝包壟斷性：膨脹制冷和混合冷劑制冷成熟，應(yīng)用范圍廣，工藝包及設(shè)備制造廠家多，技術(shù)壟斷性弱；高壓射流應(yīng)用較少，且目前工藝國(guó)內(nèi)為重慶耐得專利技術(shù)，設(shè)備俄羅斯進(jìn)口，技術(shù)壟斷性強(qiáng)，增加了采購(gòu)難度。

2.2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

接收站運(yùn)行工況較多、BOG處理量波動(dòng)性大，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，不卸船-裝船-最小外輸-不裝車工況下BOG產(chǎn)生量最大，BOG處理量一般不大于16t/h，因此在0.5～16t/h范圍內(nèi)對(duì)三種再液化工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，得到三種工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)曲線，對(duì)每種工藝的適用范圍進(jìn)行分析。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析按照年操作365天計(jì)算，年運(yùn)行消耗電價(jià)、循環(huán)水價(jià)格和市場(chǎng)冷劑、天然氣價(jià)格計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如下：

①電價(jià)按照0.63元/kWh計(jì)算；

②循環(huán)水按照5元/m3計(jì)算；

③ 混合冷劑按照甲烷3元/kg、氮?dú)?元/kg、乙烯15元/kg、丙烷9元/kg、異戊烷9元/kg計(jì)算；

④LNG銷售價(jià)按3000元/t計(jì)算。

以16t/h處理規(guī)模為例，做三種再液化工藝的具體經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析。表3為16t/h處理規(guī)模下，模擬計(jì)算及設(shè)備詢價(jià)后三種液化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比表。

表3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比表

從表3可以看出，當(dāng)BOG處理量為16t/h時(shí)，三種方案綜合比較來(lái)看：①年運(yùn)行消耗上，混合冷劑制冷消耗最低，高壓射流制冷消耗較高，膨脹制冷消耗最高；②利潤(rùn)上，三種工藝的利潤(rùn)與年運(yùn)行消耗直接相關(guān)，混合冷劑制冷利潤(rùn)最高，高壓射流制冷利潤(rùn)次之，膨脹制冷利潤(rùn)最低；③投資回收期、設(shè)備一次性投資、20年費(fèi)用現(xiàn)值上，混合冷劑最低，膨脹制冷次之，高壓射流制冷最高。綜合比較可以看出，混合冷劑制冷技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最高。

按照上述16t/h處理量分析過(guò)程，可以得到三種工藝在不同處理量下的20年費(fèi)用現(xiàn)值曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，隨BOG處理量的增加，三種工藝的費(fèi)用現(xiàn)值不斷增加，這是由于隨處理量增加，運(yùn)行能耗增加導(dǎo)致。當(dāng)BOG處理量大于4t/h時(shí)，混合冷劑費(fèi)用現(xiàn)值最低，且隨處理量增加，混合冷劑工藝的優(yōu)勢(shì)更加明顯。當(dāng)BOG處理量小于4t/h時(shí)，三種工藝費(fèi)用現(xiàn)值差距不斷減小。這是由于隨處理規(guī)模減小，年運(yùn)行消耗減小，所以使三種工藝的費(fèi)用現(xiàn)值差減小。

圖4 三種工藝20年費(fèi)用現(xiàn)值比較

為更清晰的表示三種工藝的費(fèi)用現(xiàn)值差距，將高壓射流和膨脹制冷分別對(duì)混合冷劑的費(fèi)用現(xiàn)值做差，得到三種工藝20年費(fèi)用現(xiàn)值差比較圖，如圖5所示。從圖中可以看出，隨BOG處理量增加，高壓射流和膨脹制冷與冷劑制冷的費(fèi)用差值不斷增加。膨脹制冷與冷劑制冷的費(fèi)用差值一直是大于零的，表明膨脹制冷經(jīng)濟(jì)性低于混合冷劑制冷，這是由膨脹制冷工藝高能耗特點(diǎn)決定的，導(dǎo)致運(yùn)行消耗高。當(dāng)處理量為4t/h時(shí)，兩條曲線出現(xiàn)交叉，表明此時(shí)高壓射流和膨脹制冷經(jīng)濟(jì)性是相同的，但仍然是混合冷劑經(jīng)濟(jì)性最好。

圖5 三種工藝20年費(fèi)用現(xiàn)值差比較

當(dāng)處理量小于4t/h時(shí)，高壓射流與混合冷劑差值小于膨脹制冷與混合冷劑差值，表明此時(shí)高壓射流經(jīng)濟(jì)性高于膨脹制冷。當(dāng)處理量小于2t/h時(shí)，高壓射流與混合冷劑的差值為負(fù)，表明此時(shí)高壓射流費(fèi)用現(xiàn)值低于混合冷劑，經(jīng)濟(jì)性最高。這是由于針對(duì)2.1節(jié)典型BOG氣體組分，氮?dú)夂枯^高，富氣中φ(N2)為8.162%，貧氣中φ(N2)為19.326%，若選取高壓射流工藝，一次液化率僅20%，單套裝置最大處理量?jī)H6×104Nm3/d，折合約1.8t/h。在設(shè)備投資上，隨處理量變化，高壓射流裝置的投資會(huì)整倍增加或減少；混合冷劑和膨脹制冷的主要投資為冷箱及壓縮機(jī)，隨處理量變化，冷箱、壓縮機(jī)數(shù)量或選型可隨處理量發(fā)生變化導(dǎo)致投資改變，但當(dāng)處理量減小到一定程度后，冷箱、壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)至少為1臺(tái)，投資不會(huì)發(fā)生明顯減少。所以當(dāng)處理量小于4t/h后，高壓射流相對(duì)膨脹制冷具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)處理量小于2t/h后，高壓射流具備最佳經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，BOG處理量0～2t/h時(shí)，高壓射流經(jīng)濟(jì)性最高，混合冷劑的經(jīng)濟(jì)性次之，膨脹制冷經(jīng)濟(jì)性最低；2～4t/h時(shí)，混合冷劑的經(jīng)濟(jì)性最高，高壓射流經(jīng)濟(jì)性次之，膨脹制冷經(jīng)濟(jì)性最低；大于4t/h時(shí)，混合冷劑的經(jīng)濟(jì)性最高，膨脹制冷經(jīng)濟(jì)性次之，高壓射流經(jīng)濟(jì)性最低。

3 結(jié)論

LNG接收站在無(wú)氣態(tài)外輸管網(wǎng)時(shí)，BOG可采用膨脹制冷、混合冷劑制冷、高壓射流制冷再液化工藝回收，回收產(chǎn)品以液態(tài)形式分銷。需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中BOG產(chǎn)量情況，合理選擇再液化工藝。當(dāng)處理量較小時(shí)，三種工藝的經(jīng)濟(jì)性差距不大，可以根據(jù)工藝特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)平面是否受限，操作復(fù)雜程度等選擇合理的工藝；當(dāng)處理量較大時(shí)，可考慮選擇經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯的混合冷劑工藝。