關(guān)于LNG接收站再冷凝器最大吸收率的問(wèn)題探討

郭冰冰，李佳霖

（1.廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東珠海 519000；

2.中海石油瀚海能源投資有限公司，廣東珠海 519000）

LNG 接收站在運(yùn)行過(guò)程中，由于儲(chǔ)罐和管道內(nèi)的LNG受熱蒸發(fā)不斷地產(chǎn)生BOG，為了控制儲(chǔ)罐壓力，必須將這些BOG 處理掉。LNG 接收站通常有兩種處理BOG 的方法[1-2]，一種是通過(guò)兩臺(tái)BOG 壓縮機(jī)將BOG 二次加壓外輸至管網(wǎng)，另一種則是通過(guò)再冷凝器和過(guò)冷的LNG 將一級(jí)加壓后的BOG液化成LNG，然后加壓氣化輸送至管網(wǎng)。后者是一種較為節(jié)能的處理BOG 的方式，國(guó)內(nèi)的LNG 接收站也普遍都使用再冷凝器來(lái)處理BOG。

1 再冷凝器的工作原理

查天然氣的物理性質(zhì)圖[3]可知，天然氣在常壓（0.101MPaA）時(shí)飽和溫度為-161.5℃，壓力為0.684～0.763MPaG 時(shí)的飽和溫度區(qū)間為-129～-127℃。正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入再冷凝器的LNG壓力約為0.7MPaG，溫度約為-157℃，該LNG 處于過(guò)冷狀態(tài)，該狀態(tài)下的LNG 再吸收BOG 的過(guò)程中，溫度逐步上升，直至達(dá)到飽和狀態(tài)（約-128℃）。

若再冷凝器出口的LNG 處于過(guò)冷狀態(tài)，說(shuō)明再冷凝器沒(méi)實(shí)現(xiàn)完全吸收BOG；若再冷凝器出口的LNG 處于飽和溫度狀態(tài)，說(shuō)明再冷凝器對(duì)BOG 吸收能力已達(dá)到最大值。

2 再冷凝器吸收BOG的液氣質(zhì)量比ML/B

再冷凝器吸收BOG 的液氣質(zhì)量比ML/B是反映再冷凝器吸收BOG 能力的主要參數(shù)，質(zhì)量比ML/B 越小，同樣質(zhì)量的LNG 吸收BOG 的能力就越強(qiáng)。但是，ML/B受以下五個(gè)因素的工況影響：

1）LNG 的溫度；

2）LNG 的組份；

3）BOG 的溫度；

4）BOG 的組份；

5）再冷凝器的壓力。

以上五個(gè)因素中，LNG 的溫度、組份以及BOG 的組份在LNG 接收站的日常運(yùn)行過(guò)中變化不大，故將其忽略，不做討論。下圖為再冷凝器壓力PT 與液氣比ML/B 的關(guān)系圖。如圖1所示：

圖1 再冷凝器壓力與質(zhì)量比ML/B的關(guān)系圖

由上圖可知，再冷凝器壓力越高，ML/B越小，吸收率越高，但當(dāng)壓力高于0.7MPaG 后，ML/B 的下降趨勢(shì)趨于平緩?？紤]到再提高再冷凝器壓力，BOG 壓縮機(jī)出口壓力也會(huì)升高，BOG 溫度也會(huì)升高，BOG 溫度升高也將導(dǎo)致吸收率下降。因此，LNG 接收站的再冷凝器設(shè)計(jì)工作壓力都在0.65～0.75MPaG之間，建議在操作再冷凝器時(shí)，將其壓力控制在0.67～0.74MPaG的范圍內(nèi)。

日常操作中，BOG 的溫度對(duì)ML/B 影響也較大。再冷凝器壓力為075MPaG 時(shí)，ML/B與BOG 溫度的關(guān)系圖。如圖2所示：

圖2 ML/B與BOG溫度的關(guān)系曲線圖

由上圖可知，再冷凝器的液氣比受BOG 溫度的影響較大，在操作再冷凝器時(shí)，需要盡量控制BOG 壓縮機(jī)出口溫度，在BOG 溫度偏高時(shí)，適當(dāng)提高再冷凝器吸收BOG 的ML/B。

3 高壓泵對(duì)再冷凝器BOG吸收率的影響

3.1 再冷凝器出口LNG溫度對(duì)高壓泵正常運(yùn)行的影響分析

再冷凝器和高壓泵的工藝流程，如圖3所示：

圖3 再冷凝器和高壓泵的流程圖

經(jīng)過(guò)再冷凝器吸收后的BOG 重新成為L(zhǎng)NG，輸送到高壓泵用于加壓氣化外輸。理論上，再冷凝器出口的LNG 溫度即為高壓泵的進(jìn)口溫度，只要該溫度下的LNG 稍微過(guò)冷即可滿足高壓泵的運(yùn)行需求，實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行中的高壓泵進(jìn)口溫度若高于-136℃，高壓泵泵筒液位開(kāi)始下降，現(xiàn)場(chǎng)可聽(tīng)到隨溫度繼續(xù)升高，泵筒內(nèi)LNG 氣化發(fā)生的聲音逐漸增大，高壓泵進(jìn)口溫度若達(dá)到-133℃時(shí)，就發(fā)生泵筒液位低低聯(lián)鎖停泵。

以上情況導(dǎo)致在日常操作中不得不開(kāi)啟再冷凝器的旁路（LV-0373A/B）閥門補(bǔ)充過(guò)冷LNG，使得再冷凝器出口LNG溫度降低到-136℃以下，從旁路補(bǔ)充過(guò)冷LNG 會(huì)導(dǎo)致再冷凝器處理BOG 的能力下降，原本再冷凝器出口LNG 中原BOG的質(zhì)量可占1/9，但經(jīng)過(guò)旁路補(bǔ)充LNG 后，高壓泵出口LNG中原BOG 的質(zhì)量?jī)H能占到1/11甚至更小。

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀察，高壓泵進(jìn)口溫度高于-136℃時(shí)發(fā)生的液位波動(dòng)和下降現(xiàn)象，確定是泵筒內(nèi)LNG 發(fā)生了氣化導(dǎo)致的，LNG 氣化原因只有兩個(gè)：

（1）泵筒內(nèi)壓力下降低于LNG 的飽和壓力；

（2）泵筒內(nèi)的LNG 被加熱超過(guò)飽和溫度后氣化。

3.2 高壓泵進(jìn)口溫度對(duì)其正常運(yùn)行的影響原因分析

觀察發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行的高壓泵泵筒壓力與再冷凝器壓力之間不存在壓差?？梢源_定高壓泵泵桶液位下降不是由高壓泵泵筒的壓降引起的。是否LNG 被加熱而發(fā)生氣化引起的呢？

由于高壓泵是臺(tái)多級(jí)離心泵，LNG 從中上部側(cè)面進(jìn)入泵筒，被葉輪從泵筒底部中心吸入，加壓到工作壓力后從泵筒頂部輸出，高壓泵葉輪、電機(jī)等都浸泡在泵筒內(nèi)的LNG 中。高壓泵泵筒長(zhǎng)約6m，泵筒直徑為0.991m，里面泵體長(zhǎng)5.72m，直徑為0.635m，高壓泵共有5個(gè)溫度探頭，其中頂部第一個(gè)溫度傳感高度位置在電機(jī)，第二個(gè)溫度傳感高度在電機(jī)底部，其余三個(gè)溫度傳感的高度在葉輪。由此可知，泵筒內(nèi)的低壓LNG 處在寬度為0.178m 的環(huán)形空間內(nèi)，加壓后的LNG 流動(dòng)在直徑為0.635m 的泵筒內(nèi)，詳見(jiàn)圖3再冷凝器和高壓泵的流程圖。

處于停機(jī)滿液保冷備用的高壓泵，泵筒內(nèi)5個(gè)溫度傳感器的溫差不大。正常運(yùn)行中的高壓泵進(jìn)出口溫差達(dá)到10.6℃，泵桶內(nèi)5個(gè)溫度傳感器的溫差達(dá)到10℃，當(dāng)進(jìn)口溫度高于-136.7℃后，雷達(dá)和差壓液位計(jì)均出現(xiàn)波動(dòng)并下降，隨著進(jìn)口溫度的升高，液位波動(dòng)下降越來(lái)越劇烈，同時(shí)，再冷凝器壓力開(kāi)始升高；當(dāng)進(jìn)口溫度降低后，泵筒液位和壓力逐漸恢復(fù)正常。

高壓泵液位隨入口溫度高于-136℃后液位下降的原因有兩個(gè)：

高壓泵是多級(jí)離心泵，LNG 在多級(jí)葉輪中隨著壓力的上升，溫度也逐漸升高，到達(dá)葉輪頂部時(shí)溫度將高于-125℃，這時(shí)LNG 將熱量傳遞給泵體，使得泵體的溫度也高于-125℃。泵體再與泵筒內(nèi)LNG 發(fā)生熱交換，泵筒內(nèi)的LNG 壓力為0.75MPaG，該壓力下的飽和溫度只有-127 ℃，被溫度達(dá)到-125℃的泵體加熱而劇烈氣化。

高壓泵功率較高，電機(jī)位置發(fā)熱量較大，高壓泵本身是依靠流動(dòng)的LNG 為其降溫的，當(dāng)LNG 流量較低時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量無(wú)法被帶走，就會(huì)發(fā)生LNG 溫度較快上升，甚至被加熱超過(guò)飽和溫度而出現(xiàn)劇烈氣化的現(xiàn)象。

由這兩種原因?qū)е卤猛矁?nèi)的LNG 氣化產(chǎn)生的大量BOG，大量的BOG 導(dǎo)致高壓泵泵桶液位下降，在現(xiàn)場(chǎng)可以聽(tīng)到強(qiáng)烈的氣化聲音。

經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)高壓泵流量低于200m3/h 時(shí)，珠海LNG接收站的高壓泵對(duì)進(jìn)口溫度的要求是低于-136℃，為了更加平穩(wěn)的運(yùn)行，建議控制高壓泵入口LNG 溫度低于-139℃。

但是，經(jīng)過(guò)測(cè)試，高壓泵流量由200方/小時(shí)提升到262方/小時(shí)后，入口溫度達(dá)到-131.6℃才開(kāi)始出現(xiàn)液位波動(dòng)的情況。由此可得出結(jié)論，當(dāng)高壓泵流量繼續(xù)增大時(shí)，由于更大的LNG 流量可以帶走更多的熱量，高壓泵可以接受更高的入口溫度，同時(shí)，其進(jìn)出口溫差更小。

4 平時(shí)工況時(shí)再冷凝器最大吸收能力計(jì)算

由以上分析可知，在目前珠海LNG 的運(yùn)行工況下（高壓泵流量低于200m3/h），影響對(duì)BOG 吸收的瓶頸在于高壓泵入口LNG 溫度要求在-136℃以下，對(duì)此，以這個(gè)工況為基礎(chǔ)，計(jì)算再冷凝器的最大吸收能力?？梢哉J(rèn)為保持-136℃的高壓泵入口溫度、750KPaG 壓力是達(dá)到最大吸收率的工況參數(shù)，以此為條件。結(jié)合BOG 溫度對(duì)再冷凝器吸收率的影響，計(jì)算不同BOG 溫度下接收站高壓外輸最大吸收率。

查L(zhǎng)NG 物性表可知，飽和溫度-127℃的LNG 比焓為-160.05kJ/kg，來(lái)自低壓泵-157℃的LNG 比焓為-271.26kJ/kg，最終混合成-136℃的LNG，由此計(jì)算得兩種溫度LNG 的混合比例為4 ∶1。由此圖2并經(jīng)計(jì)算可得出BOG 溫度為0℃時(shí)的ML/B和實(shí)際吸收率分別為7.5、9.4，40℃時(shí)的ML/B和實(shí)際吸收率分別為8.7、10.7。

5 結(jié)束語(yǔ)

由此可知，接收站BOG 壓縮機(jī)出口溫度保持在40℃左右時(shí)，每高壓泵外輸10.7萬(wàn)方，其中BOG 占1萬(wàn)方左右，這個(gè)情況與實(shí)際操作基本一致。實(shí)際操作中，若發(fā)生液位波動(dòng)現(xiàn)象，吸收率還達(dá)不到1/12，而且會(huì)導(dǎo)致再冷凝器壓力升高，只有在接船時(shí)，BOG 壓縮機(jī)的出口溫度才會(huì)低于40℃。