LNG接收站BOG再冷凝工藝影響因素及優(yōu)化

杜笑陽 朱祚良 吳明

摘 ? ? ?要：BOG再冷凝工藝一直是LNG接收站的關(guān)鍵流程之一。現(xiàn)有BOG再冷凝工藝存在能耗較大的問題，為此提出了預冷法對原工藝進行優(yōu)化。介紹了LNG接收站內(nèi)BOG產(chǎn)生過程與現(xiàn)有處理工藝流程，對接收站內(nèi)BOG再冷凝工藝的影響因素進行分析，提出了使用預冷法對BOG再冷凝工藝進行優(yōu)化。運用ASPEN HYSYS流程模擬軟件并結(jié)合江蘇如東LNG接收站運行參數(shù)對比優(yōu)化前后的再冷凝工藝流程進行實例計算、建模以及流程模擬，對比分析了優(yōu)化前后的再冷凝工藝能耗。分析結(jié)果表明：影響B(tài)OG再冷凝工藝的主要因素是BOG壓縮機出口壓力和BOG溫度;通過使用預冷法對再冷凝工藝進行優(yōu)化，當優(yōu)化前后物料比接近時，優(yōu)化后的BOG再冷凝工藝對比原工藝節(jié)約壓縮機功耗26.7%，總功耗節(jié)約6%。優(yōu)化效果明顯。

關(guān) ?鍵 ?詞：LNG接收站;BOG;再冷凝工藝;優(yōu)化;能耗

中圖分類號：TE 832 ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號：1671-0460（2020）08-1762-05

Abstract： The BOG recondensing process has always been one of the key processes at the LNG receiving station. The existing BOG recondensing process has the problem of large energy consumption， and a precooling method was proposed to optimize the original process. In this paper， the BOG generation process and existing processing flow in the LNG receiving stations were introduced. The factors affecting the BOG recondensation process were analyzed. The pre-cooling method was used to optimize the BOG recondensing process. The ASPEN HYSYS was used to combine the operating parameters of Jiangsu Rudong LNG receiving station with the recondensing process before and after optimization to carry out example calculation， modeling and process simulation. The power consumptions of the recondensing process before and after optimization were compared and analyzed. The results showed that the main factors affecting the BOG recondensation process were the BOG compressor outlet pressure and BOG temperature; after the recondensation process was optimized by using pre-cooling method， when the material ratio was close before and after the optimization， the optimized BOG recondensing process saved 26.7% of compressor power consumption， and saved 6% of the total power consumption. So the optimization effect of the condensation process was obvious.

Key words： LNG terminal; BOG; Recondensation proecss; Optimization; Energy consumption

近年來我國LNG接收站的建設(shè)發(fā)展迅速[1-2]，天然氣作為清潔能源也在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越大的比重。由于技術(shù)的限制，目前LNG主要通過大型LNG運輸船完成國際間的貿(mào)易。低溫狀態(tài)下的LNG從運輸船送出之后，由于在存儲、運輸?shù)冗^程中，不可避免的會和外界進行熱交換，產(chǎn)生蒸發(fā)氣（Boil-off Gas，BOG）。BOG的直接排放不僅會造成環(huán)境污染，同時也會造成能源浪費和經(jīng)濟損失。因此，LNG接收站的重要工藝之一即是BOG的處理工藝。BOG處理工藝一般可分為直接壓縮工藝和再冷凝工藝兩種[3]。目前國內(nèi)大多數(shù)LNG接收站均采用再冷凝工藝對BOG進行處理。許多學者對再冷凝工藝的優(yōu)化進行了研究。李亞軍等和LI等[4-5]建立了BOG多階壓縮模型，提出二階壓縮系統(tǒng)達到節(jié)能的同時，控制系統(tǒng)也有利于穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，唐凱等[6]對二階壓縮再冷凝工藝進行了進一步的優(yōu)化，在降低再冷凝工藝能耗的同時又確保了LNG接收站的穩(wěn)定運行。向麗君等和曹玉春等[7-8]提出了利用高壓LNG對增壓后的BOG進行預冷，從而實現(xiàn)降低再冷凝系統(tǒng)壓縮機能耗的目的[9]。本文介紹了LNG接收站再冷凝工藝流程及影響因素，針對壓縮機出口壓力對功耗和物料比的影響、BOG溫度對物料比的影響進行分析，提出使用預冷法對再冷凝工藝流程進行優(yōu)化。結(jié)合江蘇LNG接收站實際運行參數(shù)進行相應(yīng)的理論計算和實例分析。

1 ?BOG的產(chǎn)生及處理工藝

由于LNG是常壓低溫狀態(tài)下儲存運輸?shù)奶烊粴庖夯a(chǎn)物，與環(huán)境的溫差較大。因此儲罐的漏熱、外界溫度的影響及系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的熱量被低溫介質(zhì)吸收，難免會造成LNG罐內(nèi)產(chǎn)生大量的BOG[9-10]。直接壓縮工藝（如圖1）和再冷凝工藝（如圖2）為LNG儲罐內(nèi)BOG處理的兩種方式。

直接壓縮工藝是將BOG先壓縮到外輸壓力，再送至輸氣管網(wǎng); 而再冷凝工藝則是將低壓蒸發(fā)氣（通常為0.7 MPa）與低壓泵送出的液化天然氣相混合的過程。LNG經(jīng)低壓泵加壓后處于過冷狀態(tài)，可以使再冷凝器內(nèi)的BOG冷凝為LNG。二者經(jīng)混合后被輸送至LNG高壓泵經(jīng)加壓后氣化外輸。再冷凝工藝可以有效利用LNG的冷能，同時減少BOG壓縮機的功耗。若BOG未被完全冷凝，剩余BOG將通過火炬燃燒和安全閥排入大氣。再冷凝器主要有兩個功能：一是流經(jīng)再冷凝器的 BOG與LNG混合物為液態(tài);二是再冷凝器可以作為LNG高壓輸送泵的入口緩沖器。直接壓縮工藝無需再冷凝器，所需設(shè)備少，操作簡單，但工藝能耗高;在再冷凝工藝中，BOG壓縮機需將BOG壓縮至與之混合的LNG液體壓力，然而再冷凝工藝需要大量的LNG來提供冷能，當LNG量較少且不足以冷凝全部BOG時，則多余BOG需通過火炬燃燒或直接排入大氣從而造成能源損耗。根據(jù)已有的研究成果可知，相同條件下再冷凝工藝比直接壓縮工藝節(jié)約30%～60%的成本[11-12]。LNG接收站一般結(jié)合實際情況，以再冷凝工藝為主要流程、直接壓縮工藝為輔助流程的方法對BOG進行處理。但再冷凝工藝依然存在能耗過大的問題，具有較大的優(yōu)化空間。

2 ?BOG再冷凝工藝的影響因素分析

2.1 ?工藝參數(shù)

BOG再冷凝工藝的主要耗能設(shè)備為BOG壓縮機、低壓泵和高壓泵[13]。主要工藝參數(shù)是BOG壓縮機的進口壓力、出口壓力及再冷凝器內(nèi)完全冷凝BOG所需LNG的量。

江蘇如東LNG接收站設(shè)有3座16×104 m3和1座20×104 m3容積的LNG儲罐，日氣化率為0.05%。輸氣管網(wǎng)壓力為9.6 MPa。LNG與BOG組分及工藝參數(shù)如表1、表2所示（接收站內(nèi)LNG流量為650 t·h-1，BOG流量為30 t·h-1）。

使用ASPENHYSYS流程模擬軟件對再冷凝工藝流程進行模擬，采用控制變量法對再冷凝工藝流程進行分析。再冷凝工藝流程模擬如圖3。

2.2 ?BOG壓縮機出口壓力對物料比的影響

在再冷凝工藝中，使用LNG的全部冷能對BOG進行冷凝，并使得全部BOG被液化，此時再冷凝器內(nèi)LNG與BOG質(zhì)量比稱為物料比。使用圖3所示模型對江蘇LNG接收站再冷凝工藝進行模擬。

為研究BOG壓縮機出口壓力對物料比的影響，以BOG壓縮機和LNG低壓泵的出口壓力為變量進行分析，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，壓縮機出口壓力與再冷凝過程所需要的物料比呈反向變動關(guān)系，即隨著壓縮機出口處壓力的升高，再冷凝過程所需的物料比逐漸降低。其主要原因是BOG壓力越高，露點溫度越高，更容易液化，故在再冷凝器中將BOG液化所需的LNG冷能越少，使得冷凝BOG所需LNG量減少，即物料比減小。過冷LNG提供的冷能可以通過式（1）計算[14]。

由公式（1）可知，當比熱容c與質(zhì)量m既定時，只需考慮泡點溫度T2對冷能的影響。由于泡點溫度隨著壓力的升高而增大，所以BOG壓縮機出口壓力的升高可以增大單位LNG提供的冷能，從而物料比減少。因此，由圖4還可以看出，隨著壓力的增高，物料比的減小速度逐漸緩慢，即隨著壓力的增高，壓力對物料比的影響越來越小，壓力對物料比的控制效果減弱。

2.3 ?BOG壓縮機出口壓力對功耗的影響

從表3中可以看出，隨著壓縮機出口壓力的增加，低壓泵的功耗隨之增大，高壓泵的功耗隨之減小，壓縮機的功耗和總功耗同時增加。這說明總功耗的增加與壓縮機功耗的增加有直接關(guān)系。因此，在BOG再冷凝工藝中，要使產(chǎn)生的BOG完全被LNG冷凝液化，應(yīng)該在操作條件允許的情況下，盡量降低壓縮機的出口壓力，從而使壓縮機的功耗得以降低，進而達到降低總功耗的目的。但壓縮機出口壓力的降低會導致物料比增加，因此接收站輸氣負荷處于低谷時期時，產(chǎn)生的BOG不足以被接收站此時的LNG輸出量全部冷凝，從而導致操作難以完成。因此需根據(jù)LNG接收站的實際輸出量來盡量降低壓縮機出口壓力，達到降低能耗的目的。

2.4 ?BOG溫度對物料比的影響

使用HYSYS對江蘇LNG接收站現(xiàn)有再冷凝工藝進行模擬，通過模擬結(jié)果可知，BOG氣體進入壓縮機之后溫度由151.8 ℃升高到-60 ℃，經(jīng)過再冷凝器之后BOG溫度降低為-136.6 ℃。這是因為，再冷凝器中的過冷LNG不但要為BOG液化提供冷能，而且要為壓縮后的BOG冷卻提供冷能。因此再冷凝過程需要大量LNG進入再冷凝器，導致物料比增大。如果能在BOG進入再冷凝器前降低其溫度，低溫BOG進入再冷凝器后就可以減少BOG冷凝過程所需的LNG冷能，降低再冷凝器內(nèi)所需LNG量，從而降低物料比。

通過改變BOG進入再冷凝器前的溫度，分析再冷凝工藝中物料比隨BOG溫度的變化關(guān)系，見圖5。

從圖5可以看出，再冷凝過程中的物料比隨BOG溫度的降低而減小，且呈線性關(guān)系。若BOG以露點溫度進入再冷凝器，此時在再冷凝器內(nèi)，過冷LNG只需為BOG由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程提供冷能即可，無需再為其降溫提供冷能，這種工況下所需的LNG量最小，為極限情況下的最小物料比。若想達到降低物料比的目的，可以通過降低BOG進入再冷凝器前的溫度。為彌補2.2提到的降低壓縮機壓力導致物料比的增加，需在保持物料比不變或變化不大的情況下，通過降低壓縮機出口壓力以達到降低壓縮機能耗的目的[15]。

3 ?再冷凝工藝的優(yōu)化改進

3.1 ?預冷法優(yōu)化的原理

根據(jù)以上對再冷凝工藝影響因素的分析可知，優(yōu)化再冷凝工藝的關(guān)鍵是降低壓縮機功耗。從再冷凝器中排出的LNG經(jīng)LNG高壓泵進入氣化器外輸前的溫度仍然較低，故可將其作為冷源對進入再冷凝器前的BOG進行預冷，充分利用LNG的冷能，以達到降低壓縮機功耗的目的。工藝流程如圖6。

3.2 ?預冷法優(yōu)化的流程

優(yōu)化后的工藝流程模擬圖如圖7所示。在原有再冷凝工藝流程的基礎(chǔ)上，在再冷凝器前添加一個預冷器，從LNG儲罐中流出的LNG經(jīng)低壓泵加壓后一部分進入再冷凝器與BOG混合，使BOG在再冷凝器內(nèi)完全液化并與另一部分經(jīng)低壓泵的過冷LNG混合后進入高壓泵，經(jīng)高壓泵增壓到管網(wǎng)壓力后的一部分LNG作為再冷凝工藝預冷的冷源，在BOG進入再冷凝器前預冷換熱使其降低溫度，以減少再冷凝器內(nèi)液化BOG所需LNG的量，混合后的LNG最后經(jīng)氣化器外輸。

3.3 ?優(yōu)化后兩種工藝參數(shù)分析對比

預冷法優(yōu)化后進入再冷凝器前的BOG溫度為-132.1 ℃，冷凝BOG所需的LNG量為1.883×105 kg·h-1，原有再冷凝工藝冷凝BOG所需LNG量為2.46×105 kg·h-1。這是因為與原有再冷凝工藝相比，進入再冷凝器前的BOG溫度降低，減小了在再冷凝器內(nèi)冷凝相同流量BOG所需的LNG冷量，即相同流量的BOG所需LNG量減少，故物料比減少。改變優(yōu)化后流程中BOG壓縮機出口壓力，模擬得到不同壓力下的工藝參數(shù)，詳見表4。

觀察優(yōu)化前后冷凝BOG所需LNG流量、物料比、及各設(shè)備功耗可以看出，原有再冷凝工藝BOG壓縮機功耗為2 098.01 kW，總功耗為53 703.91 kW，此時BOG壓縮機出口壓力為1.3 MPa，物料比為5.49。優(yōu)化后，當再冷凝工藝壓力為0.8 MPa時，物料比為5.53，與原有再冷凝工藝物料比接近，且再冷凝壓力降低。此時壓縮機功耗和總功耗分別為1 536.28和50 157.78 kW，與優(yōu)化前相比壓縮機功耗降低了561.73 kW，節(jié)約能耗26.7%，總功耗降低了6%。

4 ?結(jié) 論

本文通過HYSYS軟件建立了BOG再冷凝工藝流程模型并分析BOG再冷凝工藝的影響因素，對比不同因素對BOG再冷凝工藝的影響，并對工藝流程提出優(yōu)化方案，對原有再冷凝工藝進行改進，可達到降低功耗的目的。通過分析得到以下結(jié)論：

1）通過分析BOG壓縮機出口壓力對物料比的影響可知，BOG露點溫度隨壓縮機出口壓力的升高而增加，在再冷凝器內(nèi)易液化，因此所需物料比越少;通過分析BOG壓縮機出口壓力對功耗的影響可知，壓縮機的總功耗隨出口壓力的降低而減少;通過分析BOG溫度對物料比的影響可知，BOG溫度的降低會導致物料比減小。

2）在再冷凝器前增加一個預冷裝置，通過降低經(jīng)過壓縮機加壓后進入再冷凝器前的BOG溫度，進而降低了再冷凝器中冷凝BOG所需LNG量，即降低了物料比。對比優(yōu)化前后工藝能耗，在保持物料比變化不大的情況下，優(yōu)化后再冷凝工藝壓縮機功耗降低了26.7%，總功耗降低了6%。

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