LNG 站BOG 處理技術(shù)對比研究

肖榮鴿，戴 政，曹沙沙，李施放，邢 鵬，李 凱

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

天然氣因其環(huán)保，熱值高，液化后易儲存、運輸?shù)葍?yōu)點備受能源消耗界歡迎，與此相關(guān)的各項技術(shù)都在不斷發(fā)展[1-2]。對于LNG 站來說，-160℃左右的LNG 儲存在絕熱性能較好的儲罐內(nèi)，仍然會因熱量輸入等因素生成BOG，致使運行設(shè)備超壓以及引起其他問題，從而影響LNG 站的安全運行。

為了解決上述問題，研究者們做了大量工作，提出了多種LNG 無外輸情況下BOG 回收處理技術(shù)，主要包括低溫制冷機回收、氮膨脹回收、液氮回收、噴射制冷回收、混合冷劑制冷回收、直接壓縮工藝6 種工藝[3-5]。目前，已有學(xué)者從功耗、經(jīng)濟性方面做了部分技術(shù)之間的對比。王坤、巨永林[6]從經(jīng)濟角度對低溫制冷機回收與液氮回收進行了對比，仇德朋[7]從工藝優(yōu)缺點方面對氮膨脹回收、混合冷劑制冷回收以及噴射液化回收進行了定性分析，鹿曉斌[8]從設(shè)備功耗方面對氮膨脹回收、混合冷劑制冷回收以及噴射液化回收做了定量分析，劉浩、金國強[9]選用一些數(shù)據(jù)，對直接壓縮工藝進行了設(shè)備能耗計算。但由于不同研究者采用的BOG 工質(zhì)和運行參數(shù)不同，所以無法籠統(tǒng)地利用相關(guān)文獻將上述6 種技術(shù)進行比較，對LNG 站選取BOG 回收技術(shù)提供參考。故本文采用同一工質(zhì)及運行參數(shù)，從設(shè)備功耗、經(jīng)濟性、優(yōu)缺點出發(fā)，對上述BOG 回收處理技術(shù)統(tǒng)一進行模擬對比研究，最后針對不同類型LNG 站在選取BOG 回收技術(shù)方面提供建議。

1 BOG 回收技術(shù)介紹

1.1 低溫制冷機回收

隨著制冷機技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫制冷機已在眾多領(lǐng)域獲得廣泛使用。采用低溫制冷機回收BOG流程如下：儲罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG 通過管路進入低溫制冷機，由冷頭提供冷量冷卻BOG，液化后儲存在LNG 低溫小儲罐中，到達一定液面高度后，重新流回LNG 儲罐，從而實現(xiàn)對BOG 的回收。

1.2 液氮回收

由于液氮的溫度遠低于LNG 溫度，因此利用液氮對BOG 進行回收。儲罐里的BOG 進入換熱器一端，液氮從換熱器的另一端進入，兩者在換熱器相互換熱后，BOG 受到冷卻液化流回儲罐，氮氣排出，剩余的液氮返回到液氮罐內(nèi)。

1.3 氮膨脹回收

氮氣壓縮成為高壓氮氣后，進入BOG 回收流程，氮氣經(jīng)冷卻換熱得到低溫高壓氮氣，再膨脹至常壓狀態(tài)，溫度進一步降低，然后進入冷箱與BOG總管輸送來的氣體進行換熱，使BOG 液化，之后氮氣恢復(fù)至初始狀態(tài)，進入回收系統(tǒng)循環(huán)利用。

1.4 噴射制冷回收

將該技術(shù)應(yīng)用到BOG 回收處理的具體流程如下：儲罐內(nèi)的BOG 經(jīng)高壓壓縮機加壓至20MPa，進入換熱器冷卻至BOG 臨界溫度以下10℃，之后進入噴射器，利用噴射器原理制冷液化，在此工藝中，進入LNG 儲罐的閃蒸氣可由噴射器吸入，重新進入噴射循環(huán)系統(tǒng)回收，并且由于BOG 增壓較高，可在液化同時，將其作為CNG 進行外輸，可較好處理LNG 場站工況波動引起的BOG 產(chǎn)生量增大情況。

1.5 混合冷劑制冷回收

該技術(shù)利用重組分先冷凝輕組分后冷凝的特點，使BOG 得到不同溫度級的冷量，使BOG 液化為LNG。流程如下：混合冷劑經(jīng)冷劑壓縮機、冷卻器等設(shè)備壓縮、冷卻、分離后進入換熱器與BOG 換熱，將BOG 液化，使用過后的混合冷劑進入分離罐等設(shè)備后重新循環(huán)使用。

1.6 直接壓縮工藝

LNG 站產(chǎn)生的BOG 進入壓縮機，加壓至外輸壓力后進入外輸管網(wǎng)輸送。

2 基礎(chǔ)參數(shù)

表1 BOG 組成

表2 各工藝相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)

表3 不同類型LNG 站BOG 產(chǎn)生量

表4 各工藝主要設(shè)備及傳熱介質(zhì)

3 對比分析

假設(shè)在理想狀態(tài)下，各工藝中的管路與設(shè)備均無能量損失。即提供的冷量完全被BOG 吸收液化，則由穩(wěn)態(tài)開口系統(tǒng)能量方程，簡化得BOG 液化方程，如式（1）。

可利用上式進行低溫制冷機（110K）回收與液氮制冷回收的相關(guān)計算，同時使用HYSYS 軟件Peng-Robinson 方程進行剩余4 種工藝的模擬，以各技術(shù)完全處理BOG 為指標(biāo)，選用表1～表3 有關(guān)參數(shù)對以上6 種BOG 處理技術(shù)進行統(tǒng)一對比研究。

3.1 功耗對比

利用液氮回收BOG，若安裝得當(dāng)，可利用高度差實現(xiàn)液體自流，無需添加耗能設(shè)備。故本小節(jié)對其他5 種BOG 處理技術(shù)進行設(shè)備功耗對比，如圖1所示。

圖1 LNG 站BOG 處理技術(shù)功耗對比

圖1（a）為小型LNG 站BOG 處理技術(shù)功耗對比圖，可以看出在BOG 產(chǎn)生量較小的情況下，功耗最小的為直接壓縮工藝，其次為低溫制冷機回收，功耗最大的為氮膨脹回收，氮膨脹與噴射制冷回收的功耗，低溫制冷機回收與直接壓縮工藝的功耗幾乎相等；圖1（b）為大中型LNG 站BOG 處理技術(shù)功耗對比圖，可得功耗最小的為直接壓縮工藝，最大的為氮膨脹回收工藝，在BOG 產(chǎn)生量處于1000～5000kg/h 范圍內(nèi)，氮膨脹與噴射制冷回收的功耗相差無幾。氮膨脹、噴射制冷與混合冷劑回收在相同BOG 產(chǎn)生量工況下的功耗遠大于低溫制冷機與直接壓縮工藝，這主要是由于前三種工藝的流程復(fù)雜，耗能設(shè)備較多造成的。并且我們可以看出，上述BOG 處理技術(shù)的功耗均隨著BOG 產(chǎn)生量的增大而增大。

3.2 經(jīng)濟性對比

在液氮回收中，傳熱介質(zhì)液氮的價格以700 元/t 計算，其余工藝中的傳熱介質(zhì)、循環(huán)水，在回收過程中有少量損耗，其余部分可循環(huán)利用[10]，且相對于設(shè)備投入較低，故在建設(shè)投資估算中不考慮傳熱介質(zhì)與循環(huán)水所需費用。并鑒于目前市場上未出現(xiàn)能滿足大中型LNG 站BOG 回收的低溫制冷機、液氮罐，所以對低溫制冷回收、液氮回收應(yīng)用于大中型LNG 站不做經(jīng)濟對比。最后參考不同文獻中已有的建設(shè)成本以及采取設(shè)備詢價的方式進行建設(shè)投資估算，如圖2 所示。

圖2 LNG 站BOG 處理技術(shù)建設(shè)投資對比

圖2（a）為小型LNG 站BOG 處理技術(shù)建設(shè)投資對比圖，圖2（b）為大中型LNG 站BOG 處理技術(shù)建設(shè)投資對比圖。

假定LNG 站年運行天數(shù)為300 天，工業(yè)用電0.95 元/kWh，液化天然氣價格3000 元/t，得年回收BOG 增益，根據(jù)圖1 數(shù)據(jù)可得LNG 站一年運行期間各回收技術(shù)所需電費。用年回收BOG 增益減去各技術(shù)的一年運行費用（運行期間電費、液氮費用）得各技術(shù)的年利潤，再用建設(shè)投資除以年利潤可得投資回收期，如圖3 所示。

圖3 LNG 站BOG 處理技術(shù)投資回收期對比

圖3（a）為小型LNG 站BOG 處理技術(shù)投資回收期對比圖，可知在BOG 產(chǎn)生量相等的情況下，投資回收期最短的是低溫制冷工藝，最長的是噴射制冷回收，另外液氮回收技術(shù)的投資回收期有緩慢上升的趨勢，主要因為液氮回收成本過高，經(jīng)式（1）計算得液化1kg 的BOG 需要大約3.2kg 的液氮，成本為2.23 元左右，從而導(dǎo)致了該技術(shù)投資回收期增長，其余BOG 處理技術(shù)的回收期均有緩慢下降的趨勢；圖3（b）為大中型LNG 站BOG 處理技術(shù)投資回收期對比圖，可以得出，大中型LNG 站在BOG產(chǎn)生量相等的工況下，直接壓縮工藝的投資回收期最短，噴射制冷投資回收期最長，且在BOG 產(chǎn)生量為4000kg/h 左右的工況下，氮膨脹與混合冷劑制冷回收的投資回收期相等，在4000～5000kg/h 左右的工況下，氮膨脹與混合冷劑制冷回收的投資回收期幾乎相等，大于5000kg/h 時，氮膨脹工藝投資回收期略高于混合冷劑制冷回收。

3.3 優(yōu)缺點對比

LNG 站在選擇BOG 回收技術(shù)時，不僅要考慮設(shè)備功耗、投資回收期等因素，還要根據(jù)各回收技術(shù)的實際情況進行選擇，現(xiàn)將各回收技術(shù)做以比較，如表5。

表5 BOG 回收技術(shù)比較

由表5 可知，BOG 回收技術(shù)針對小型LNG 站的局限性，主要集中在以下2 個方面：（1）設(shè)備需要占用大面積場地；（2）有壓縮機噪音，需要降噪。小型LNG 站多處于城市區(qū)域，地價昂貴，由此我們可以基本推斷液氮回收、氮膨脹回收、噴射制冷回收、混合冷劑回收以及直接壓縮工藝不適合用于小型LNG 站；對于大中型LNG 站來講，低溫制冷機與液氮回收由于BOG 產(chǎn)生量過大，現(xiàn)有技術(shù)無法滿足處理需求，所以不適用于大中型LNG站。

4 結(jié)論

通過對以上BOG 回收技術(shù)的梳理，在功耗、經(jīng)濟性、優(yōu)缺點對比分析的基礎(chǔ)上，以投資回收期為判別標(biāo)準(zhǔn)，得出結(jié)論如下：對于小型LNG 站，選擇低溫制冷機回收BOG 較經(jīng)濟；對于大中型LNG站，接入外輸管網(wǎng)時，選擇直接壓縮工藝較經(jīng)濟，在未接入外輸管網(wǎng)時，在BOG 產(chǎn)生量小于4000kg/h時，選擇氮膨脹回收較經(jīng)濟，大于4000kg/h 時，選擇混合冷劑較經(jīng)濟。

符號說明

Q—BOG每小時吸收的冷量，kJ/h；mBOG—BOG 質(zhì)量流量，kg/h；△HBOG—單位質(zhì)量BOG 液化前后焓差，kJ/kg；P冷風(fēng)機—低溫制冷機功率，kW；m液氮—液氮的質(zhì)量流量，kg/h；△H液氮—單位質(zhì)量液氮汽化潛熱，kJ/kg。