青島LNG接收站BOG處理優(yōu)化模擬研究

劉景俊，李學(xué)濤，尹 悅，唐建峰*，張媛媛，王玉娟

（1.中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東 青島 266400；2.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保意識的提高，天然氣在我國能源消費(fèi)中的比例日益增長，LNG貿(mào)易額顯著增加。LNG接收站作為進(jìn)口LNG的接收終端，在我國東部沿海得到大規(guī)模興建[1]。青島LNG接收站是中國石化首個LNG接收終端項(xiàng)目，該項(xiàng)目已于2014年11月完成一期工程建設(shè)并順利投產(chǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了LNG接收、儲存、外輸一體化發(fā)展，并且承擔(dān)起為華東地區(qū)平穩(wěn)供氣的重任[2]。

BOG的工藝處理直接關(guān)系著青島LNG接收站的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行可知，青島LNG接收站BOG產(chǎn)生總量波動范圍較大，卸船條件下產(chǎn)生的BOG是非卸船條件下的4~5倍。青島LNG接收站采用BOG壓縮與再冷凝工藝結(jié)合的方式處理BOG，BOG處理受到LNG外輸量的影響較大，在不同LNG外輸量及不同BOG產(chǎn)生量下的各設(shè)備操作參數(shù)控制缺乏理論指導(dǎo)[3]。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)BOG產(chǎn)生量發(fā)生變化時，如果不及時對BOG冷凝設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整會引起減溫器出口、冷換器出口、再冷凝器出口發(fā)生管道振動，冷換器出口至氣化器段的閥門發(fā)生控制顯示異?，F(xiàn)象，此類問題長期發(fā)生不但影響接收站正常生產(chǎn)，同時極易引起安全事故的發(fā)生?；诖耍槍η鄭uLNG接收站不同LNG外輸量、不同BOG產(chǎn)生量下的BOG處理工藝進(jìn)行研究，為現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行提出理論上的指導(dǎo)建議。

1 BOG處理工藝流程

BOG的產(chǎn)生主要是由于外界熱能輸入造成，如管內(nèi)泵運(yùn)轉(zhuǎn)、外界熱量傳入儲罐、管道及設(shè)備、環(huán)境的影響及卸船時的LNG送入儲罐造成儲罐內(nèi)BOG產(chǎn)生量的變化[4]。LNG接收站在卸船操作時產(chǎn)生的BOG的量與非卸船操作時相比會成倍地增加[5]。青島LNG接收站采用BOG直接壓縮和BOG再冷凝兩種工藝對BOG進(jìn)行處理，BOG處理系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

四臺LNG儲罐的BOG通過儲罐頂部的BOG匯管收集到BOG總管中，BOG總管中的BOG氣體首先進(jìn)入BOG壓縮機(jī)入口處的BOG減溫器，與來自儲罐低壓泵出口總管引出的一股LNG進(jìn)行混合換熱，BOG氣體換熱后溫度得到降低，從而有效地降低BOG壓縮機(jī)入口和出口的溫度。LNG-BOG混合后的LNG小液滴隨著BOG氣體被帶出減溫器，在BOG壓縮機(jī)入口分液罐中實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離。分離出來的LNG自壓縮機(jī)入口分液罐底部自流至LNG排凝罐，當(dāng)LNG排凝罐中液位出現(xiàn)高位報(bào)警時，需要采用氮?dú)鈱⒐拗械腖NG吹到凝液排放總管中然后回流到儲罐中。壓縮機(jī)入口分液罐分離后的BOG氣體自罐頂流出后進(jìn)入BOG壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，4臺BOG壓縮機(jī)并聯(lián)設(shè)置，BOG壓縮機(jī)的壓縮能力通過逐級調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對流量、壓力控制調(diào)節(jié)。

圖1 青島LNG接收站BOG處理工藝流程簡圖

BOG壓縮機(jī)壓縮后的BOG進(jìn)入BOG匯管，然后一部分經(jīng)過BOG外輸管線后輸送至下游門站，另一部分進(jìn)入BOG冷換器，自高壓泵出口總管引出一股LNG進(jìn)入BOG冷換器，與BOG氣體在BOG冷換器進(jìn)行換熱，換熱后的LNG返回到氣化器匯管中，BOG去再冷凝器。BOG氣體從再冷凝器的頂部進(jìn)入，與來自低壓泵出口總管的LNG在不銹鋼鮑爾環(huán)填料床中進(jìn)行直接接觸以充分換熱。在再冷凝器中，過冷的LNG液體與BOG氣體直接接觸將BOG氣體完全冷凝成LNG，然后從再冷凝器的底部排出進(jìn)入高壓泵前的匯管中。在青島LNG接收站的實(shí)際運(yùn)行過程中，再冷凝器不但起著冷凝BOG的作用，同時也是高壓泵的入口緩沖罐。當(dāng)LNG外輸量不足以對BOG冷凝或者BOG處理系統(tǒng)發(fā)生故障停車時，為防止生產(chǎn)裝置超壓造成安全事故需要將BOG通過火炬進(jìn)行放空燃燒。

2 工藝模型建立

青島LNG接收站BOG處理的實(shí)際運(yùn)行過程較為復(fù)雜，基于Aspen HYSYS軟件對其進(jìn)行模擬計(jì)算時，為了計(jì)算簡便做出了如下假設(shè)：①忽略由于流體在管線中的流動引起的壓降；②忽略流體介質(zhì)在流動過程中的能量損失；③忽略實(shí)際工藝流程中對計(jì)算影響較小的一些閥門、儀表[6]。

利用Aspen HYSYS軟件對青島LNG接收站BOG處理工藝模型進(jìn)行搭建，系統(tǒng)工藝模型建立如圖2所示。

圖2 基于Aspen HYSYS的青島LNG接收站BOG處理工藝模型

Aspen HYSYS軟件提供了多種不同的物性方程可供用戶選擇，本文在模擬BOG處理工藝模塊時采用PR物性方程作為熱力學(xué)模型的計(jì)算方法，PR方程作為氣液相平衡方程計(jì)算參數(shù)少，計(jì)算便捷，可對物性參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，滿足本研究的要求。模型的組分設(shè)定如表1所示，各單元模塊設(shè)定如表2所示，物流的初始參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表1 LNG組分設(shè)定

表2 青島LNG接收站BOG處理工藝模型的單元模塊設(shè)定

表3物流的初始參數(shù)設(shè)置

模型建立后需要針對模型進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，以確定該模型是否可以用于青島LNG接收站BOG處理工藝的模擬研究。將流程中的重要節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵模擬參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比分析，計(jì)算二者的誤差，對比如表4所示，通過對比可得各參數(shù)的誤差值在10%以內(nèi)，模型與實(shí)際較為相符，采用該模型進(jìn)行BOG處理的模擬研究合理，可用于后續(xù)計(jì)算分析。

表4 重要節(jié)點(diǎn)的模擬參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對比

3 模擬及優(yōu)化分析

青島LNG接收站BOG處理單元中出現(xiàn)的管道振動、控制閥異?，F(xiàn)象是由于BOG冷凝效果差引起了管道中LNG-BOG氣液兩相共存造成的，所以將問題現(xiàn)象發(fā)生點(diǎn)處（BOG減溫器出口、BOG冷換器出口、再冷凝器出口）作為關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。同時青島LNG接收站實(shí)際運(yùn)行過程中還需要針對部分工藝節(jié)點(diǎn)作為處理指標(biāo)進(jìn)行控制，主要控制的節(jié)點(diǎn)包括：①BOG壓縮機(jī)入口溫度：-120~-144℃；②再冷凝器BOG入口溫度：-80~-110℃；③BOG壓縮機(jī)出口操作壓力：0.65~0.8MPa。基于接收站BOG處理工藝，尋找影響上述關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)的操作參數(shù)。由青島LNG接收站BOG單元日常生產(chǎn)運(yùn)行操作規(guī)程可知，BOG處理過程控制調(diào)節(jié)的設(shè)備及參數(shù)主要有：LNG去BOG減溫器流量調(diào)節(jié)、BOG壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)、LNG去再冷凝器流量調(diào)節(jié)、高壓外輸泵去BOG冷換器流量調(diào)節(jié)。針對以上可操作參數(shù)在不同工況下進(jìn)行模擬計(jì)算研究，以降低能耗、同時保證關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)不發(fā)生問題為目標(biāo)給出各操作參數(shù)的最低控制范圍。

基于青島LNG接收站的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，得出其LNG外輸量、BOG產(chǎn)生總量及BOG外輸量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)范圍如表5所示。

表5 LNG及BOG生產(chǎn)數(shù)據(jù)范圍

分別對非卸船工況和卸船工況下的BOG處理進(jìn)行模擬研究，以BOG產(chǎn)生量作為自變量，得出問題現(xiàn)象節(jié)點(diǎn)處不產(chǎn)生BOG（物流氣液比=0）同時其他工藝節(jié)點(diǎn)滿足指標(biāo)要求下的操作參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，模擬及分析結(jié)果如下。

3.1 非卸船無BOG外輸工況

針對非卸船且無BOG外輸工況，模擬BOG產(chǎn)生量 分 別 在4000kg/h、6000kg/h、8000kg/h、10000kg/h、12000kg/h、14000kg/h下的處理情況，以降低BOG壓縮機(jī)能耗為目標(biāo)，在BOG壓縮機(jī)最小負(fù)荷滿足BOG處理且各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行的前提下，得出BOG換熱設(shè)備所需LNG冷凝量的最小流量變化如圖3。

由圖3可以看出，隨著BOG產(chǎn)生量的增加，減溫器LNG流量、再冷凝器LNG流量、冷換器LNG流量均呈現(xiàn)增加趨勢，且減溫器LNG流量和再冷凝器LNG流量隨BOG產(chǎn)生量的增加幾乎呈現(xiàn)直線上升趨勢。在整個模擬過程中BOG壓縮機(jī)設(shè)置處于低負(fù)荷狀態(tài)，當(dāng)LNG外輸量滿足上圖所示流量需求下可按照得出的各操作參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行控制。當(dāng)LNG外輸量不滿足減溫器、再冷凝器及冷換器流量需求時，則需要適時提高BOG壓縮機(jī)負(fù)荷，減少LNG冷凝用量以滿足BOG處理指標(biāo)要求，當(dāng)BOG壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)至100%尚不能滿足BOG處理需求時說明系統(tǒng)即將發(fā)生事故工況，需要對BOG進(jìn)行火炬放空以防止安全事故的發(fā)生。

圖3 非卸船無BOG外輸工況下的各操作參數(shù)變化

3.2 非卸船有BOG外輸工況

針對非卸船且有BOG外輸工況，分別對BOG外輸量1000~6000kg/h的工況進(jìn)行研究，模擬不同BOG外輸量下的BOG產(chǎn)生量分別在4000kg/h、6000kg/h、8000kg/h、10000kg/h、12000kg/h、14000kg/h下 的 處理情況，在BOG壓縮機(jī)最小負(fù)荷滿足BOG處理的前提下，模擬得出BOG換熱設(shè)備所需LNG冷凝量的最小流量變化如圖4~圖9所示。

圖4非卸船BOG外輸1000kg/h下各操作參數(shù)變化

圖5非卸船BOG外輸2000kg/h下各操作參數(shù)變化

圖6非卸船BOG外輸3000kg/h下各操作參數(shù)變化

圖7非卸船BOG外輸4000kg/h下各操作參數(shù)變化

圖8非卸船BOG外輸5000kg/h下各操作參數(shù)變化

圖9非卸船BOG外輸6000kg/h下各操作參數(shù)變化

由圖4~圖9可以看出，在不同BOG外輸量下，隨著BOG產(chǎn)生量的增加，減溫器LNG流量、再冷凝器LNG流量、冷換器LNG流量均呈現(xiàn)增加趨勢，且減溫器LNG流量和再冷凝器LNG流量隨BOG產(chǎn)生量的增加幾乎呈現(xiàn)直線上升趨勢。BOG壓縮機(jī)的設(shè)置與無BOG外輸工況相同，當(dāng)LNG外輸量不滿足BOG冷凝需求時需要提高壓縮機(jī)負(fù)荷或者采取放空措施。針對不同BOG外輸量的模擬結(jié)果進(jìn)行粗略比較，得出減溫器LNG所需流量并沒有隨BOG外輸量的變化而變化，而再冷凝器所需LNG流量和冷換器所需LNG流量隨BOG外輸量的變化發(fā)生了較大變化，所以針對此二者在不同BOG外輸工況進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖10~圖11所示。

圖10 BOG外輸量變化對再冷凝器LNG所需流量的影響

圖11 BOG外輸量變化對冷換器LNG所需流量的影響

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，再冷凝器所需LNG流量隨著BOG外輸量的增加出現(xiàn)相應(yīng)的降低趨勢，冷換器所需LNG流量隨著BOG外輸量的增加亦出現(xiàn)相應(yīng)的降低趨勢，且隨著BOG產(chǎn)生量的增加這種變化趨勢逐漸變緩?；谇鄭uLNG接收站BOG實(shí)際處理工藝，BOG外輸是由BOG壓縮機(jī)壓縮之后的BOG經(jīng)計(jì)量后輸送至燃?xì)馔廨攩卧?，BOG外輸量的提高會引起后續(xù)BOG再冷凝負(fù)荷的相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致再冷凝器和冷換器用來冷卻BOG的LNG需求量降低。減溫器處于BOG匯管出口、BOG壓縮機(jī)入口處，BOG外輸量的變化對其沒有產(chǎn)生直接影響。所以再冷凝器對LNG冷凝量的需求最為敏感，其次為冷換器LNG冷凝量。實(shí)際運(yùn)行過程中當(dāng)BOG外輸量發(fā)生變化時應(yīng)著重對再冷凝器和冷換器的LNG流量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，防止BOG處理不完全影響生產(chǎn)運(yùn)行，造成問題現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 卸船工況

青島LNG接收站卸船系統(tǒng)一期工程設(shè)有一個停船泊位，適應(yīng)80000~270000m3的LNG運(yùn)輸船卸船要求，卸船流量不小于14000m3/h。一般情況下，LNG運(yùn)輸船卸船時間約為12h左右，卸船工況下，儲罐及船內(nèi)會產(chǎn)生大量的BOG，一部分BOG會通過卸料臂氣相返回管返回LNG運(yùn)輸船用于維持船艙壓力，剩余BOG會進(jìn)入到BOG處理系統(tǒng)。由于卸船工況下產(chǎn)生大量的BOG，相應(yīng)的也會大大提高BOG處理負(fù)荷，故針對青島LNG接收站卸船工況BOG處理進(jìn)行模擬優(yōu)化研究。

由于卸船時BOG集中產(chǎn)生總量大，且產(chǎn)生量波動范圍小，所以僅針對卸船工況下進(jìn)入BOG處理系統(tǒng)的BOG產(chǎn)生量19000kg/h、20000kg/h兩種工況進(jìn)行模擬分析。設(shè)定BOG壓縮機(jī)為最低負(fù)荷以降低壓縮機(jī)能耗，得出BOG產(chǎn)生量19000kg/h下減溫器LNG最小流量始終維持在710kg/h左右，BOG產(chǎn)生量2000kg/h下減溫器最小流量始終維持在750kg/h左右，且不隨BOG外輸量的改變而變化。針對再冷凝器LNG最小流量及冷換器LNG最小流量，模擬計(jì)算得出其隨BOG外輸量的變化如圖12~圖13所示。

圖12 卸船工況下再冷凝器LNG最小流量隨BOG外輸量的變化

由圖12可以看出，當(dāng)BOG產(chǎn)生量不同時再冷凝器LNG最小流量需求存在明顯差距，BOG產(chǎn)生量的增加會引起再冷凝器LNG流量的增加，且隨著BOG外輸量的增加，再冷凝器LNG流量需求呈現(xiàn)下降趨勢。與圖10非卸船工況下的再冷凝器LNG最小流量相比，卸船工況需要的LNG流量大大增加。當(dāng)出現(xiàn)卸船工況時需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況及時對罐內(nèi)低壓泵去再冷凝器的流量進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)LNG外輸量不滿足再冷凝器冷凝需求時需要提高壓縮機(jī)負(fù)荷或者采取放空措施，保障BOG處理系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖13卸船工況下冷換器LNG最小流量隨BOG外輸量的變化

由圖13可以看出，當(dāng)BOG產(chǎn)生量不同時冷換器LNG最小流量需求亦存在明顯差距，BOG產(chǎn)生量的增加會引起再冷凝器LNG流量的增加，且隨著BOG外輸量的增加，冷換器LNG流量需求呈現(xiàn)下降趨勢。與圖11非卸船工況下的冷換器LNG最小流量相比，卸船工況需要的LNG流量明顯增加，但增加幅度不如再冷凝器LNG需求流量，由此得出當(dāng)BOG產(chǎn)生量發(fā)生較大變化時再冷凝器對BOG處理更加敏感。由上述研究可知，當(dāng)接收站處于卸船工況時BOG處理系統(tǒng)處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，此時需密切關(guān)注BOG產(chǎn)生量及LNG外輸量，適時對各設(shè)備進(jìn)行操作調(diào)整。當(dāng)LNG外輸量不滿足圖12、圖13中LNG冷凝量需求時，需及時提高BOG壓縮機(jī)負(fù)荷，當(dāng)BOG壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行仍出現(xiàn)管線壓力過高或發(fā)生問題現(xiàn)象時需及時對BOG進(jìn)行放空處理，防止由于BOG處理不完全引發(fā)安全事故。

4 結(jié)論

針對青島LNG接收站BOG處理系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化分析，介紹了青島LNG接收站BOG處理工藝流程，基于Aspen HYSYS建立了符合實(shí)際的工藝流程模型，對不同BOG產(chǎn)生量、BOG外輸量及LNG外輸量下進(jìn)行了主要可操作參數(shù)的理論優(yōu)化研究，得出如下結(jié)論。

（1）隨著BOG產(chǎn)生量的增加，BOG減溫器、再冷凝器及BOG冷換器冷凝需要的LNG流量相應(yīng)增加。其中BOG減溫器流量需求基本不受BOG外輸量的影響，再冷凝器對LNG的需求最為敏感。實(shí)際運(yùn)行過程中當(dāng)BOG產(chǎn)生量發(fā)生變化時，需要及時對冷凝BOG所用的LNG流量做出相應(yīng)調(diào)整，防止出現(xiàn)BOG處理不完全影響實(shí)際生產(chǎn)。

（2）當(dāng)LNG外輸量滿足減溫器、再冷凝器及冷換器的LNG冷凝流量需求時可將BOG壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)至低負(fù)荷狀態(tài)以減少壓縮機(jī)能耗。當(dāng)LNG外輸量不滿足冷凝需求時需要提高BOG壓縮機(jī)負(fù)荷或采取放空措施對BOG進(jìn)行處理，防止由于BOG管線超壓引起安全事故。

（3）卸船工況下BOG產(chǎn)生量相比于非卸船工況成倍增加，此時對BOG處理系統(tǒng)提出較高要求，應(yīng)對冷凝BOG所需的LNG流量做出及時調(diào)整或采取提高BOG壓縮機(jī)負(fù)荷及BOG外輸量以降低BOG冷凝處理量。

（4）BOG外輸量的增加可有效減少再冷凝器及冷換器的LNG冷凝量需求，當(dāng)LNG外輸需求量要求較小時可增加BOG直接壓縮外輸量，既可直接處理掉產(chǎn)生的BOG，也減少了冷凝BOG所需LNG用量，節(jié)省能耗的同時避免了BOG處理不完全引起事故的風(fēng)險(xiǎn)。