接收站LNG儲罐壓力控制技術(shù)優(yōu)化

張 震， 張兵兵， 朱 虹， 章 妍

(中石油大連液化天然氣有限公司，遼寧大連116600)

1 常用的LNG儲罐壓力控制方式

目前LNG接收站常用的儲罐壓力控制方式是通過處理罐內(nèi)BOG實現(xiàn)。LNG接收站BOG處理工藝見圖1。

圖中為4種LNG接收站BOG的處理工藝。下面分別就各個處理工藝的特點，以及在接收站生產(chǎn)運營過程中各個處理工藝合理運用的時間段予以分析說明。

圖1 LNG接收站BOG處理工藝

① BOG低壓處理工藝

BOG低壓處理工藝指將BOG經(jīng)過BOG壓縮機壓縮后裝車，通過CNG氣瓶車外銷給用戶。通過調(diào)節(jié)BOG壓縮機的負荷以及裝車量來控制處理BOG,進而調(diào)節(jié)儲罐壓力。這種方式一般在LNG接收站冷卻投產(chǎn)過程中應(yīng)用較廣泛，因為在接收站冷卻投產(chǎn)過程將產(chǎn)生大量BOG，這些BOG大多數(shù)通過火炬燃燒掉，為了節(jié)能減排設(shè)置CNG處理工藝可以降低接收站投產(chǎn)成本。在接收站零外輸工況下，為了下次外輸時能快速恢復(fù)生產(chǎn)，啟動LNG儲罐內(nèi)一臺低壓泵對接收站進行保冷，使接收站的管道和設(shè)備處于冷態(tài)。在這種工況下儲罐靜態(tài)蒸發(fā)產(chǎn)生BOG以及保冷產(chǎn)生的BOG無法被再冷凝器冷凝處理，最好的方法就是通過BOG壓縮機壓縮后外銷，避免為了維持儲罐壓力而通過火炬排放造成浪費。

② BOG高壓壓縮處理工藝

BOG高壓壓縮處理工藝指直接采用BOG高壓壓縮機將儲罐內(nèi)的BOG壓縮至與接收站外輸管網(wǎng)壓力相同后，直接通過外輸管網(wǎng)外輸至下游用戶。此工藝適用于外輸管網(wǎng)壓力較小(2 ～3 MPa)的LNG接收站。站內(nèi)儲罐壓力一般為10～20 kPa，所以采用BOG壓縮機高壓壓縮功能耗比較大，目前很少采用。

③ BOG再冷凝處理工藝

在接收站正常外輸工況下，儲罐壓力的控制是通過調(diào)節(jié)接收站內(nèi)BOG壓縮機的負荷來調(diào)節(jié)的。儲罐中的BOG經(jīng)過壓縮機壓縮后進入再冷凝器的頂部，與從低壓輸送總管分流進入再冷凝器頂部的深冷低壓的LNG 在再冷凝器的填料層進行直接接觸冷凝液化，冷凝后的液體與另一部分低壓輸送總管的LNG經(jīng)過充分混合后，經(jīng)過LNG高壓泵加壓，送至LNG氣化器氣化后送至外輸管網(wǎng)供給下游用戶使用[1]。這種BOG的處理方式最常用也最經(jīng)濟。

④ 火炬放空處理工藝

上述3種BOG處理工藝都是接收站正常工況下的處理工藝，而在一些特殊工況下，例如接收站大修，或是極低外輸量情況下，以及某些緊急工況下如儲罐內(nèi)LNG產(chǎn)生翻滾，瞬間釋放大量的BOG，儲罐壓力會瞬間升高，為保證儲罐不會因高壓而損壞，接收站都會設(shè)計安裝火炬。在用其他方法都無法控制儲罐壓力時，才能采用火炬放空，放空氣體會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，污染環(huán)境，而且造成浪費，正常工況是不會使用的。

⑤ BOG綜合處理工藝

目前國內(nèi)的LNG接收站一般都是調(diào)峰型接收站，隨季節(jié)變化下游用戶用氣量浮動比較大。特別是夏季外輸量低，加之氣溫比較高，BOG蒸發(fā)率也比較高。當(dāng)外輸?shù)陀谝欢ǔ潭葧r，再冷凝器處理BOG的能力也會降低，此時就可與BOG低壓或高壓壓縮處理工藝相結(jié)合。為保證儲罐安全使用，接收站必須設(shè)計火炬，造成資源浪費，一般不建議使用。

2 LNG儲罐壓力的控制優(yōu)化

在LNG接收站運營周期內(nèi)，非卸船工況下儲罐壓力比較穩(wěn)定；卸船工況下儲罐壓力波動大，不易控制，因此對卸船工況及非卸船工況下儲罐壓力的變化以及控制方式的優(yōu)化進行說明。

① 卸船工況中儲罐壓力的控制優(yōu)化

原始卸船工況要求，在卸船前接收站需要提高BOG壓縮機的負荷，降低儲罐壓力至14～15 kPa，為卸船做準備。這種準備主要是由于在船岸卸料臂對接完成后，要對卸料臂進行預(yù)冷至-140 ℃，為卸載LNG做準備。經(jīng)過大連LNG接收站實踐統(tǒng)計，有3座16×104m3LNG儲罐的接收站,在預(yù)冷3條卸料臂的過程中儲罐壓力升高約2 kPa，壓力升高較高。

a. LNG接收站卸船工藝流程及進料方式

LNG接收站卸船工藝流程見圖2。

大型LNG儲罐設(shè)計有兩種進料管道，儲罐頂部進料管道和儲罐底部進料管道。兩種不同組成的LNG不經(jīng)混合放置在一個儲罐中，會形成兩個液層(分層)，發(fā)生翻滾現(xiàn)象[2-4]。翻滾一旦發(fā)生，下液層中累計儲存的熱量將會以BOG的形式立刻釋放出來，造成儲罐壓力的劇增，嚴重的情況會損壞儲罐[5]。由于船方的LNG與儲罐中的LNG存在密度差，為了防止翻滾現(xiàn)象的發(fā)生，卸船過程中為了使兩種LNG充分混合，原始卸船進料方式依據(jù)密度進行選擇。當(dāng)船上LNG密度低于儲罐內(nèi)LNG密度，采取下進料方式；當(dāng)船上LNG密度高于儲罐內(nèi)LNG密度，采取上進料方式。

b. 接卸某船過程中儲罐壓力的變化

大連LNG接收站接卸某船過程中，進料方式不同儲罐壓力的變化見圖3。

由圖3可以看出，AB段前150 min,依據(jù)密度單獨選擇1#儲罐底進料閥HCV102打開時，隨卸料的進行，儲罐壓力逐漸上升，儲罐壓力上升了2.75 kPa。由此可看出，僅根據(jù)密度選擇進料方式存在壓力難以控制的弊端。

根據(jù)圖2，儲罐底進料一方面會對儲罐內(nèi)部已有的LNG進行擾動，造成儲罐內(nèi)LNG的揮發(fā)；另一方面由于來自船方所卸載的LNG經(jīng)過船艙LNG泵加壓以及通過卸料管道后，此LNG相對于儲罐內(nèi)已有的LNG溫度較高，由于熱量的輸入，會加大儲罐內(nèi)LNG的揮發(fā)。兩方面的影響都會造成儲罐內(nèi)BOG增加,導(dǎo)致儲罐壓力上升。此BOG只能通過向船方返氣或送往再冷凝器冷凝處理。

圖2 LNG接收站卸船工藝流程

圖3 進料方式不同儲罐壓力的變化

c.優(yōu)化后卸船進料方式的選擇

在生產(chǎn)過程中經(jīng)過不斷的探索，發(fā)現(xiàn)在密度差允許的范圍內(nèi)，通過頂進料與底進料進料量的合理分配可有效地控制儲罐壓力。優(yōu)化后卸船進料方式的選擇見表1。表中ρC為船上LNG密度，單位為kg/m3，ρg為儲罐內(nèi)LNG密度，單位為kg/m3。

表1 優(yōu)化后卸船進料方式的選擇

圖3中，優(yōu)化后的進料方式，對于控制儲罐壓力的效果顯著。由于卸船過程中卸料管道的壓力基本上維持在0.2 MPa，比較穩(wěn)定，而且頂進料閥與底進料閥的型號一樣，只要維持儲罐頂進料閥與底進料閥總相對開度和維持在100%，則卸料量基本不變，頂進料閥和底進料閥的相對開度比例實際上就是LNG進液的分配比例。大連LNG接收站有3座儲罐，LNG儲罐氣相空間是相連通的，所以無論何時儲罐間壓力均相等，彼此之間也相互影響。

圖3中第150 min儲罐壓力持續(xù)上升至19.22 kPa時，關(guān)小底進料閥HCV102相對開度至75%，同時打開頂進料閥HCV101，相對開度為15%，此時，儲罐壓力迅速下降，見圖3中BC段。

圖中CD段為頂進料閥HCV101相對開度減小至8%，底進料閥HCV102開至80%以后，儲罐壓力緩慢上升,此段上升速率低于AB段上升速率。當(dāng)儲罐壓力上升至D點(儲罐壓力20.16 kPa)時，加大頂進料閥HCV101至相對開度為15%，同時減小底進料至相對開度為75%后，儲罐壓力開始持續(xù)下降至18.97 kPa, 如圖3中DE段所示，持續(xù)了約60 min。隨后調(diào)整頂進料閥HCV101至相對開度為10%，底進料閥HCV102至相對開度為85%，儲罐壓力開始回升至19.34 kPa,如圖中EF段所示，持續(xù)了60 min左右。緊接著恢復(fù)至頂進料閥HCV101相對開度至15%，底進料閥HCV102至相對開度為80%，儲罐壓力開始緩慢平滑地下降，下降至G點17.98 kPa。由GH段內(nèi)開始進入180 min的平衡狀態(tài)，此時罐內(nèi)BOG與給船方返回的BOG量和經(jīng)再冷凝器冷凝處理BOG量之和相等。

第660 min開始，船方減少了返氣量，造成HI段內(nèi)儲罐壓力上升，此時因為船艙壓力過高無法再接收儲罐返氣。在第780 min，儲罐壓力為20.95 kPa，調(diào)整1#儲罐底進料閥HCV102至相對開度為65%，關(guān)小頂進料閥HCV101至相對開度為10%，打開2#儲罐頂進料閥HCV201至相對開度為15%給2#儲罐進料。從圖3中可見，IJ段儲罐壓力降低效果顯著。

d. 儲罐壓力下降原因分析

由圖3中BC段、DE段、FG段、IJ段可見，只要加開頂進料閥相對開度，加大頂進料量，儲罐壓力就明顯下降。原因分析如下。

頂部進料LNG對儲罐壓力的作用分兩方面。一方面，頂進料進入罐內(nèi)的LNG揮發(fā)，低溫BOG與罐內(nèi)溫度較高的BOG產(chǎn)生了熱交換，降低了儲罐內(nèi)BOG的溫度，甚至由于溫度的降低冷凝了部分罐內(nèi)BOG，形成LNG液滴，降低了罐內(nèi)BOG量，進而導(dǎo)致儲罐壓力下降。另一方面,LNG從頂部的沖擊作用會對罐內(nèi)已有的LNG產(chǎn)生較大的擾動，造成罐內(nèi)LNG表面揮發(fā)，加之LNG從儲罐頂部噴下，其本身也會有BOG揮發(fā)，兩種作用都會使罐內(nèi)BOG量增加，導(dǎo)致儲罐壓力上升。實際數(shù)據(jù)曲線顯示，這兩種作用的結(jié)果是造成儲罐壓力降低，表明頂部進料的降溫冷凝作用起主要作用。

e. 2#儲罐頂進料BOG溫度變化

卸船中2#儲罐頂進料閥HCV201相對開度為15%， 2#儲罐頂進料BOG溫度變化見圖4。

圖4 2#儲罐頂進料BOG溫度變化

從圖中可以看出，2#儲罐頂進料閥HCV201相對相對開度為15%時，隨著頂進料的進行，罐頂BOG的溫度在60 min內(nèi)由-122.48 ℃降至-140.82 ℃，罐內(nèi)BOG的溫度降低十分明顯。

而圖3中2#儲罐實際工況顯示，只要有頂進料儲罐壓力就明顯下降，可知頂進料LNG對儲罐內(nèi)BOG的降溫和冷凝作用大于其揮發(fā)作用，所以儲罐壓力下降。

f.小結(jié)

卸船時LNG儲罐壓力難以控制，通過實踐操作優(yōu)化為頂進料和底進料配合的方式，合理調(diào)整頂進料閥、底進料閥的相對開度，控制儲罐壓力效果顯著。

② 非卸船工況中儲罐壓力的控制優(yōu)化

在非卸船工況中影響儲罐壓力的因素主要是儲罐的靜態(tài)蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG，控制儲罐的靜態(tài)蒸發(fā)率，除了儲罐使用保冷性好的填充材料外，還可通過提高儲罐的運行壓力減小儲罐的靜態(tài)蒸發(fā)率。接收站非卸船工況下一般原始控制壓力維持在18 kPa。大連接收站夏季外輸400×104m3/d時儲罐壓力在17 kPa左右時，需要兩臺BOG壓縮機，其中1臺BOG壓縮機負荷率為75%，另一臺負荷率為100%，再冷凝器冷凝處理BOG量約為10.3 t/h。優(yōu)化后當(dāng)儲罐壓力維持在21 kPa左右時,只需一臺BOG壓縮機100%負荷率，再冷凝器冷凝處理儲罐BOG量約為6.2 t/h?？芍岣邇薜倪\行壓力理論上可以減小BOG的蒸發(fā)率，實際運行中也是可行的。

在非卸船工況下可能存在零外輸工況，在這種工況下再冷凝器無法使用，隨著外界熱量不斷進入，儲罐內(nèi)不斷揮發(fā)BOG造成壓力上升。通過優(yōu)化卸船工況的經(jīng)驗可知，可通過儲罐頂部的噴淋管降低儲罐的壓力。過冷的LNG從頂部噴淋管不斷噴淋，與儲罐內(nèi)揮發(fā)的BOG形成對流熱交換，不僅可以充分降低儲罐內(nèi)BOG的溫度，而且此種方法類似于再冷凝器的原理，可以冷凝液化部分BOG，使罐內(nèi)的壓力降低。在出現(xiàn)LNG翻滾現(xiàn)象等緊急工況時，也可通過此種方式在一定范圍內(nèi)控制儲罐的壓力。

3 結(jié)論

① 卸船時LNG儲罐壓力難以控制，通過實踐操作優(yōu)化為頂進料和底進料配合的方式，合理調(diào)整頂進料閥、底進料閥的相對開度，控制儲罐壓力效果顯著。

② 非卸船工況下，通過提高儲罐運行壓力降低儲罐的靜態(tài)蒸發(fā)率，此種優(yōu)化方式節(jié)省了BOG壓縮機的能耗。

③ 將卸船工況下優(yōu)化控制儲罐壓力的原理推廣到儲罐壓力異常升高的工況(零外輸和發(fā)生翻滾)中，為緊急工況下維持儲罐壓力具有重要意義。