外輸工況影響下的LNG接收站工藝參數優(yōu)化

石曉星

中石油京唐液化天然氣有限公司, 北京 100023

0 前言

據預測,未來天然氣將成為全球第二大能源。我國進口天然氣量呈逐年上升趨勢,其中過半為進口LNG[1-2]。沿海LNG接收站在冬季天然氣保供中的戰(zhàn)略作用尤為凸顯,其能否安全穩(wěn)定運行關系到下游管網的穩(wěn)定。尚卯、張弛及王小尚等人[3-5]提出的利用低溫LNG對進入再冷凝器前BOG降溫的預冷式再冷凝工藝可以達到節(jié)約能耗的效果;仇德朋[6]在分析了流量比例設計模式的問題后提出優(yōu)化措施從而提高運行穩(wěn)定性。以上研究均是以單體設備為優(yōu)化基礎,未考慮接收站的下游運行條件。而在LNG接收站的實際運行工況中,工藝運行狀態(tài)還會受到外輸條件變化的影響。由于接收站調峰作用明顯,外輸壓力、外輸溫度及外輸量均處于不斷波動狀態(tài),對站內設備運行穩(wěn)定性均會造成一定的影響[7]。因此,有必要針對不同外輸工況進行具體分析,優(yōu)化運行工藝參數,從而達到降低能耗的作用,具有一定的經濟效益。

1 LNG接收站工藝模擬

接收站具有接卸、儲存和氣化外輸的作用[8-9]。船運LNG經卸料泵加壓,通過卸料臂、卸船管線進入儲罐進行儲存,當有外輸需要時通過低壓泵加壓輸出,經過高壓泵二次加壓進入氣化器氣化得到天然氣,計量后輸出?，F(xiàn)有LNG接收站工藝劃分的關鍵在于BOG處理工藝的選擇。根據劃分依據,接收站常用工藝分為直接壓縮輸出工藝和再冷凝工藝。再冷凝工藝是利用一部分過冷LNG回收站內產生的BOG,而直接壓縮輸出工藝則直接將BOG再次增壓后直接輸出[10-11]。

1.1 工藝流程設計工況

模擬主要分析外輸條件變化對工藝能耗的影響,通過調節(jié)運行參數用以優(yōu)化工藝。因此,建立的模型主要模擬關鍵設備的運行狀態(tài)。兩種工藝低壓泵加壓輸出的LNG分別去向再冷凝器和高壓泵,其主要差別在于再冷凝器和增壓壓縮機的使用情況。其中,工藝參數的設置必須保證再冷凝的最低操作壓力為775 kPa,以及高壓泵的入口壓力高于其飽和蒸汽壓差。

1.2 HYSYS工藝模型

根據工藝流程，見圖1～2,分別建立兩種工藝模型:再冷凝工藝HYSYS模型和直接壓縮輸出工藝模型,模型見圖3～4。可以看出,直接壓縮輸出工藝流程分LNG和BOG兩路,分別經過不同的設備。BOG屬于氣體,經過壓縮機、增壓壓縮機加壓外輸;LNG經過低壓泵、高壓泵加壓,由氣化器氣化后外輸。而再冷凝工藝則是通過再冷凝器將LNG和BOG充分混合后再進行氣化得到產品。兩種工藝最終進入外輸管網的產品都是符合外輸設計要求的氣態(tài)產品[12]。

圖1 再冷凝工藝流程

圖2 直接壓縮輸出工藝流程

圖3 再冷凝工藝HYSYS模型

圖4 直接壓縮輸出工藝HYSYS模型

再冷凝工藝的處理方式較為復雜,需要再冷凝器將部分LNG和全部BOG混合冷凝,得到的LNG進入高壓泵。該設計工況為最小外輸,因此需要使用調節(jié)器ADJ-2調節(jié)進入再冷凝器的LNG流量,計算可以冷凝全部BOG所需的最小LNG流量,同時調節(jié)旁路流量,保證進入高壓泵的液體壓力大于其飽和蒸汽壓[13]。直接壓縮輸出工藝將兩種狀態(tài)的物流分開處理,處理工藝較為簡單,兩路物流相互之間沒有干擾,只需分別控制工藝參數即可。

2 外輸工況對工藝的影響

2.1 工藝能耗對比

圖5 工藝總能耗變化趨勢對比

表1 兩種工藝設備能耗及成本

設備低壓泵功率/kW壓縮機功率/kW增壓壓縮機功率/kW高壓泵功率/kW耗電總計/(104 kWh·d-1)費用/(元·d-1)再冷凝工藝42.0392 265.18001 102.72027.907251 163直接壓縮輸出工藝42.0392 265.1802 096.580792.97412.472112 248

2.2 外輸壓力變化對能耗的影響

外輸壓力在一天內處于不斷波動的狀態(tài),改變外輸壓力大小分析其對再冷凝工藝能耗的影響,見圖6。可以看出,高壓泵能耗增加明顯,而氣化器能耗略有下降。這是因為,外輸壓力對設備能耗的影響主要集中在下游距計量區(qū)較近的設備,高壓泵承載了為匹配不斷增加的外輸壓力所需提供的大部分能耗[16-17]。

圖6 外輸壓力對設備能耗的影響

2.3 外輸流量變化對能耗的影響

由于下游用戶用氣量具有季節(jié)性、時效性等不穩(wěn)定因素,所需氣化外輸量峰谷差異明顯,外輸流量波動較大。當外輸量處于高值時,宜采用再冷凝工藝以降低工藝總能耗,因此采用再冷凝工藝模型研究外輸量對系統(tǒng)的能耗影響。外輸氣化量包括LNG氣化和BOG液化再氣化,改變外輸流量大小分析其對設備能耗的影響,見圖7。從圖7可以看出,流量變化的影響分別反映在不同的設備上,當增加外輸氣體流量時,低壓泵、高壓泵以及氣化器的能耗均有所上升。

圖7 LNG流量對設備能耗的影響

3 工藝參數優(yōu)化

由于外輸量并沒有固定值,LNG流量大小不斷波動,因此可以通過調節(jié)氣體這一路的工藝參數來降低能耗,包括BOG流量和壓縮機出口壓力。再冷凝工藝中再冷凝器的控制比較復雜,改變工藝參數的同時必須控制再冷凝的壓力、液位穩(wěn)定[18-19]。

圖8 壓縮機出口壓力對系統(tǒng)總能耗的影響

由圖7可以看出,外輸流量的增加會顯著增加系統(tǒng)能耗。采取再冷凝工藝時,如外輸壓力過高,則可以通過盡可能減小接收站最小外輸量的方式來減小總能耗。再冷凝器的氣液比是指進入再冷凝器的過冷LNG流量與需要液化的BOG流量之比,氣液比的存在限制了再冷凝工藝所能實現(xiàn)的最小外輸量[20]。由于受到再冷凝器氣液比的限制,需要通過調節(jié)壓縮機的出口壓力來盡可能減少外輸流量,見圖9。從圖9可以看出,BOG出口壓力增加會使再冷凝器入口的BOG溫度增加,液化同樣流量的BOG所需要的過冷LNG量就會減少,氣液比降低。也就是說,通過提高壓縮機出口壓力可以減少最小外輸量。

圖9 壓縮機BOG出口壓力對氣液比的影響

分析BOG流量對系統(tǒng)能耗的影響，見圖10。從圖10可以看出,BOG流量增加會顯著增加系統(tǒng)總能耗。因此,可以通過降低站內BOG的產生量或減少壓縮機的處理量來降低能耗。BOG的產生通常有兩種途徑,一種是儲罐內LNG蒸發(fā)產生,另一種是保冷管道受熱產生,在保證管線保冷溫度的同時降低管線的保冷量可以有效降低BOG產生量,從而達到減少BOG流量的目的。以維持儲罐壓力的最小壓縮機處理量來選擇壓縮機的最低運行負荷,可以降低壓縮機能耗,從而達到節(jié)能的目的[21]。

圖10 BOG流量對系統(tǒng)能耗的影響

4 結論

2)接收站外輸壓力和外輸量的增加會顯著提高系統(tǒng)的總能耗。在大外輸、高外輸壓力的工況條件下宜采用再冷凝工藝處理BOG。將壓縮機出口壓力范圍取為730～810 kPa,此時系統(tǒng)總能耗處于最低范圍。當采用直接壓縮工藝時可以降低壓縮機出口壓力來降低能耗。

3)當外輸壓力較高,需要接收站保持最小外輸的工況下,提高壓縮機出口壓力可以降低再冷凝器氣液比,從而減小工藝所需外輸量,使系統(tǒng)總能耗減少。

4)通過降低保冷循環(huán)量可以降低BOG產生量,根據儲罐壓力選擇壓縮機最低運行負荷,均可以減少BOG壓縮機的處理量,從而減少系統(tǒng)總能耗。